トマトとウイルスの生き残り戦略の攻防をタンパク質の立体構造から解明

トマトとウイルスの生き残り戦略の攻防をタンパク質の立体構造から解明

タイトルトマトとウイルスの生き残り戦略の攻防をタンパク質の立体構造から解明
要約トマトのウイルス抵抗性タンパク質(Tm-1)がウイルスのタンパク質(ToMV-Hel)と結合してウイルス増殖を抑える仕組みを、X線結晶構造解析から解明した。トマトとウイルスが、互いのタンパク質のアミノ酸を変化させて生き残りを図って変化してきたこと(共進化)を、進化の段階における、それぞれのタンパク質構造解析から明らかにした。
キーワードトマトモザイクウイルス、ヘリカーゼ、抵抗性遺伝子、結晶構造、共進化
担当機関(独)農業生物資源研究所 農業生物先端ゲノム研究センター  生体分子研究ユニット
(独)農業生物資源研究所 植物科学研究領域 植物・微生物間相互作用研究ユニット
連絡先029-838-7910、7009
区分(部会名)生物資源
分類知的貢献
背景・ねらいトマトモザイクウイルス(ToMV)は、多くのナス科の作物に感染してモザイク病を引き起こし(図1)、収穫物の量と質の低下をもたらす。現時点で、植物のウイルス病には治療方法が無く、感染個体の排除と抵抗性品種の育成により防除が行われてきた。ToMV抵抗性トマト品種の育種には、野生種トマトがもつTm-1遺伝子やTm-22遺伝子等が用いられてきた(図1)。しかし、抵抗性遺伝子をもつトマトにも感染できるToMV変異株が現れ、有効な防除法の開発が望まれている。我々はこれまでに、Tm-1がToMVの増殖に必要な「複製タンパク質」と結合してToMVの増殖を阻止すること、ToMVは複製タンパク質がTm-1と結合しないように進化することにより抵抗性トマトに感染することを明らかにした。今回の研究では、Tm-1とToMVタンパク質の複合体の立体構造を決定することなどにより、Tm-1によるToMV認識機構ならびにToMVによる抵抗性打破の機構の解明を目指した。
成果の内容・特徴
  1. ToMVの複製タンパク質は3つの部分から構成されると予想されるが、その中の「ヘリカーゼドメイン(ToMV-Hel)」について、単体の結晶構造を決定した。ToMV-Helは、ウイルスがコードするスーパーファミリー1(SF1)で立体構造が明らかにされた世界初の例であり、またSF1ヘリカーゼとしても新規な構造を持っていた。
  2. Tm-1はToMV-Helに結合することを明らかにし、両者の複合体について結晶構造を決定した。相互作用面にはATPが存在し、複合体の形成に重要な役割を果たしていた(図2)。
  3. Tm-1が結合できない変異型ToMVタンパク質は、ToMV-Helに2か所のアミノ酸変異をもつ(変異株では、979番目のグルタミンがグルタミン酸に、984番目のヒスチジンがチロシンに変化している)。これらはTm-1が結合する界面に位置し、ToMVはTm-1との結合部位が変異することにより、Tm-1遺伝子による抵抗性を打破していることが明らかとなった。
  4. 野生種トマトの中には、変異したToMVの増殖も阻止する強力なTm-1遺伝子をもつ個体が存在す
    る。この変異型Tm-1では91番目のイソロイシン残基がスレオニンに変化している(I91T)。この変異型のTm-1(I91T)とToMV-Helとの複合体の構造を決定したところ、91番目のスレオニン残基が水素結合ネットワークを形成して複合体を安定化するため、Tm-1(I91T)タンパク質はTm-1よりも強くヘリカーゼドメインと結合することを明らかにした。
  5. 今回得られた結晶構造を基にTm-1とToMV-Helとの結合領域について詳細な解析を行った結果、ToMVがどのようにTm-1との結合を回避しているかが明らかになった。これにより、認識と回避からなる植物とウイルスの攻防を分子レベルで示すことができた(図3)。
成果の活用面・留意点
  1. ToMV-Hel、Tm-1およびこれら複合体の結晶構造が明らかとなった。
  2. ToMV-Helが変化してTm-1による認識を回避する仕組みが明らかになった。
  3. ToMV-Hel単体や複合体の構造を基盤情報として、同種のウイルスの増殖を阻止する新しい抗ウイルス薬剤の開発に取り組む予定である。この開発により、ウイルス病を回避し安定した収量の確保が期待される。
具体的データ
図1
図2
図3
研究期間2012~2014
研究担当者石橋和大、錦織雅樹、相宏宇、杉山成(大阪大)、新山真由美(大阪大)、加藤昌彦、毛塚雄一郎(岩手医科大)、小林千歩子、井上豪(大阪大)、野中孝昌(岩手医科大)、松村浩由(大阪大)、石川雅之、加藤悦子
発表論文1)Ishibashi K, Kezuka Y, Kobayashi C, Kato M, Inoue T, Nonaka T, Ishikawa M, Matsumura H, Katoh E (2014) Structural basis for the recognition-evasion arms race between Tomato mosaic virus and the resistance gene Tm-1 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111(33):E3486-E3495
2)Kato M, Kezuka Y, Kobayashi C, Ishibashi K, Nonaka T, Ishikawa M, Katoh E (2013) Crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of the inhibitory domain of the tomato mosaic virus resistance protein Tm-1 Acta Crystallographica Section F 69(12):1411-1414
3)Nishikiori M, Sugiyama S, Xiang H, Niiyama M, Ishibashi K, Inoue T, Ishikawa M, Matsumura H, Katoh E (2012) Crystal structure of the superfamily 1 helicase from Tomato mosaic virus Journal of Virology 86(14):7565-7576
発行年度2014
オリジナルURLhttp://www.nias.affrc.go.jp/seika/nias/h26/nias02604.html
収録データベース研究成果情報

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