【発表のポイント】

• アブラナ科植物の自家不和合性（注1）において、花粉拒絶反応を誘導するリガンド（注2）・受容体の立体構造とそれらの相互作用について調べました。
• 自他の識別を行うリガンドと受容体のアミノ酸が特定され、自己と非自己を区別するしくみが理解できるようになりました。
• 自家不和合性の花粉拒絶反応を人為的にオンやオフにする人工リガンドの設計が可能になります。

【概要】

東京大学大学院農学生命科学研究科の村瀬浩司特任准教授・高山誠司教授らの研究グループは、アブラナ科植物の自家不和合性に関わるリガンド・受容体の複合体構造を決定し、コンピューターシミュレーション技術を用いて自家不和合性の自他識別機構（注3）を解明しました。

植物の多くは自己の花粉を拒絶して、非自己の花粉で受粉する自家不和合性と呼ばれる性質をもっています。アブラナ科植物の自家不和合性においては多数の遺伝子型をもつ受容体SRKとリガンドSP11が、それぞれ同じ遺伝子型のパートナーのみを認識することにより、花粉拒絶反応を誘導することが知られていました。しかしながら、これらの分子がどのようにして自己と非自己を識別しているのかについての詳細は不明でした。

本研究ではSRK-SP11複合体の3次元構造を、X線結晶構造解析（注4）の手法を用いて原子レベルの解像度で決定することに成功し、SRKがどのようにしてSP11を認識しているのかを明らかにしました。また、計11種類の遺伝子型について、SRKとSP11の相互作用をMDシミュレーション（注5）によって調べたところ、SRKは自己のSP11とのみ安定して相互作用できることがわかりました。

これらの結果は、植物の自他識別のしくみをタンパク質構造レベルで初めて明らかにした成果であり、受精の人為的制御を介した優良品種の開発・生産に繋がりうる成果であることが期待されます。

【用語解説】

（注1）自家不和合性
花をつける植物では、めしべに花粉が付着すると花粉から伸びた花粉管がめしべの中に侵入して受精し、種子をつくる。多くの植物は自己の花粉を拒絶して、非自己の花粉で受精する自家不和合性と呼ばれるしくみを使って自殖を防いでいる。多くの場合、自家不和合性は複数の遺伝子型をもつS遺伝子座によって制御されており、花粉とめしべがもつS遺伝子型が一致すると花粉の拒絶反応が起こる。

（注2）リガンド
細胞に存在する様々な受容体は多くの生体反応のスイッチとなっている。これらの受容体にはそのスイッチをオン／オフするための鍵穴があり、それぞれの受容体に特異的に結合する鍵分子がある。これらの鍵分子はリガンドと呼ばれ、受容体と結合することにより、受容体が制御する生体反応にオン／オフの切り替えを行っている。

（注3）自他識別機構
自家不和合性を制御するS遺伝子座には花粉とめしべでそれぞれ自己と非自己を区別するための因子がある。アブラナ科植物ではS遺伝子座由来のめしべ側因子として受容体のSRKが、花粉側因子としてリガンドのSP11が発見されており、S遺伝子型によって異なるアミノ酸配列をもつことが知られている。SRKとSP11は同じS遺伝子型の相手とのみ結合して花粉拒絶反応を誘導することが知られているが、これらの分子がどのようにして自己と非自己を区別しているのかは不明であった。

（注4）X線結晶構造解析
X線が結晶を通過する際に起こる回折現象を利用して、結晶中の分子構造を決定する方法。回折のパターンは結晶格子の形状と格子内の電子密度に依存するため、回折像を収集することにより、格子内の電子密度、すなわち分子構造を決定することができる。Spring-8などの大型放射光施設で高エネルギーの放射光を結晶に照射することにより、微小な結晶から分子の立体構造を決定できるようになった。

（注5）MDシミュレーション
Molecular Dynamics（分子動力学）の頭文字をとってMDシミュレーションと呼ばれる。自然界で起こる物質の運動をコンピューター上に再現して、解析する手法の一つ。ここでは、タンパク質複合体の周囲に水分子やイオンを配置してタンパク質が実際に機能している場を再現した上で、分子を構成する1つ1つの原子について周囲の原子との間にかかる力を計算し、ニュートンの運動方程式を微小な時間刻みで数値的に解くことにより、分子の運動をシミュレーションした。

詳細（プレスリリース本文）

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