エチレンシグナル伝達経路

エチレンシグナル伝達経路は、植物細胞における重要な成長および発達過程を制御するシグナル伝達である。[ 1 ^{] [2]}エチレンガスは植物ホルモンとして作用し、種子の発芽、果実の熟成、開花、葉の脱落（または落葉）、ストレス反応を促進する役割を担っている。 ^[3]これは最も単純なアルケンガスであり、ホルモンとして機能することが発見された最初のガス分子である。^[4]

エチレンシグナル伝達に関する理解のほとんどは、シロイヌナズナの研究から得られています。^[5]エチレンは少なくとも5つの異なる膜ガス受容体に結合できます。構造は多様ですが、エチレンガス受容体はすべて細菌の2成分調節システムと類似性（相同性）を示し、細菌の祖先からの共通の祖先を示しています。^{[6]エチレンは}小胞体の細胞膜上のガス受容体に結合します。ガス受容体のホモ二量体は機能状態に必要ですが、各二量体に結合するエチレン分子は1つだけです。^[7]

他のシグナル伝達とは異なり、エチレンはガス受容体の活性を抑制する。エチレンガス受容体は、恒常的三重応答1（CTR1）やエチレン非感受性2（EIN2）などの他の酵素活性共ガス受容体と結合するため、エチレンがなくても活性化する。エチレンの結合によりEIN2は2つに分裂し、そのうちのC末端タンパク質はエチレンの効果をもたらすために異なる転写因子を活性化することができる。エチレンがサイトカイニンガス受容体を活性化し、それによって種子の発育（気孔開口）と根の成長（頂端分裂組織）を調節する非標準的な経路もある。^[1]

エチレンは、小胞体の細胞膜上に存在する特定の膜貫通型ガス受容体に結合する。^{[8] [9]エチレンガス受容体には異なる}アイソフォームがある。シロイヌナズナでは5つのアイソフォームが知られており、エチレン応答/ガス受容体1 (ETR1)、エチレン応答センサー1 (ERS1)、ETR2、ERS2、エチレン非感受性4 (EIN4) と名付けられている。^[10] ETR1は異なる植物で類似(保存配列)しているが、わずかなアミノ酸の違いがある。^{[11] [12]} A. thalianaのガス受容体は、遺伝的関係と共通の構造的特徴に基づいて2つのサブファミリーに分類されており、ETR1とERS1を含むサブファミリー1と、ETR2、ERS2、EIN4からなるサブファミリー2である。^{[13]トマトにはSlETR1、SlETR2、SlETR3、SlETR4、SlETR5、SlETR6、SlETR7（Slは}トマトの学名Solanum lycopersicumに由来）と呼ばれる7種類のエチレンガス受容体がある。 ^[14]

すべてのエチレンガス受容体は同様の構成をしています。短いN末端ドメイン、N末端に向かって保存された3つの膜貫通ドメイン、機能不明のGAFドメイン、そしてC末端領域のシグナル出力モチーフです。^[10] N末端は小胞体の内腔に露出しており、C末端は細胞の細胞質に露出しています。N末端には、エチレンの結合、二量体化、膜局在化のための部位があります。^{[15] [16] 2つの類似したガス受容体が}ジスルフィド架橋を介して結合し、システイン-システイン相互作用を形成するホモ二量体を形成します。 ^{[17]ただし、主な膜局在化は膜貫通ドメインによって行われ、銅を}補因子 としてエチレンに結合することもできます。^[7]銅イオンは、抗酸化タンパク質1（ATX1）からティプリンを介して膜貫通タンパク質応答性拮抗薬1（RAN1）によって供給されるか、^[18]または銅輸送タンパク質によって直接供給される。^[19]

ガス受容体は二量体として機能的に活性であるが、そのような二量体に結合する銅イオンは 1 つだけであり、1 つのガス受容体二量体は 1 つのエチレン分子のみに結合することを示している。^[7]結合部位の変異はエチレンの結合を停止し、植物をエチレンに対して無感覚にする。^[20]タンパク質ヘリックス 2 の Cys-65 は銅イオンの結合部位として特に重要であり、そこに変異があると銅とエチレンの結合が停止する。^[1] C 末端は基本的に、キナーゼ活性と応答調節因子を備えた細菌の 2 成分システムである。^{[15] ETR1 は}ヒスチジンキナーゼ活性を持ち、ETR2、ERS2、および EIN4 はセリン/スレオニンキナーゼ活性を持ち、ERS1 は​​両方を持つ。^[1] ETR1 のヒスチジンキナーゼはエチレンシグナル伝達に必要ではない。^[21]

エチレンガス受容体は、応答調節因子とヒスチジンキナーゼという2つの活性化部位を持つ細菌の2成分系と機能的に類似している。エチレンガス受容体の細胞質カルボキシ末端部分は、細菌のこれらの応答調節因子およびヒスチジンキナーゼとアミノ酸配列が類似しているが、N末端領域はまったく異なる。 ^[22]このような遺伝的およびタンパク質的関係は、ガス受容体と細菌の2成分ガス受容体、ならびに植物のフィトクロムおよびサイトカイニンガス受容体が、植物および原生生物のエネルギー器官であるプラスチドを生み出したシアノバクテリアから進化し、植物に獲得されたことを示している。^{[23] [24]}

系統発生解析では、植物のエチレンガス受容体とシアノバクテリアのエチレン結合ドメインの共通の起源も示されています。^[6] 2016年、テネシー大学のRandy F. LaceyとBrad M. Binderは、シアノバクテリアのSynechocystis sp. PCC 6803がエチレン信号に反応し、機能的なエチレンガス受容体を持っていることを発見し、 Synechocystis Ethylene Response1 (SynEtr1)と名付けました。 ^[25]彼らはさらに、SynEtr1がエチレンの結合において植物のエチレンガス受容体と同様に機能することを示しました。 ^{[26 ] これは、} Synechocystis関連のシアノバクテリアがエチレンガス受容体の起源であることを示しています。^[1]ただし、機能的な違いは、キナーゼ活性は植物でのエチレン結合に必須ではなく、SynEtr1の重要な役割であるということです。^[25]

エチレンとガス受容体との相互作用には、恒常的三重応答 1 (CTR1) とエチレン非感受性 2 (EIN2) という 2 つのタンパク質が重要です。CTR1 は、エチレンシグナル伝達の負の調節因子として機能するセリン/スレオニンタンパク質キナーゼです。これは、シグナル伝達タンパク質であるミトゲン活性化タンパク質キナーゼ (MAPK) キナーゼキナーゼのメンバーです。^[10] EIN2 はエチレンシグナル伝達に必須であり、金属輸送体の NRAMP (自然抵抗関連マクロファージタンパク質) ファミリーの一部です。ER 膜内の複数の膜貫通ドメインを含む大きな N 末端部分 (EIN2-N) と細胞質 C 末端部分 (EIN2-C) で構成されています。^{[1]エチレン感受性への復帰 1 (RTE1)、}シトクロム b5 、テトラトリコペプチド反復タンパク質 1 (TRP1)などの他のタンパク質も、エチレンシグナル伝達で重要な役割を果たします。 RTE1は植物や原生生物で高度に保存されたタンパク質であるが、真菌や原核生物には存在しない。^[27] TRP1は動物の膜貫通型コイルドコイルタンパク質1（TCC1）と遺伝的に関連しており、Fアクチン機能に関与し、Ras結合に関してRaf-1と競合する。^[28]

リガンドがガス受容体を活性化してシグナルを中継するほとんどのシグナル伝達とは異なり、エチレンはガス受容体の抑制因子として機能し、ガス受容体はエチレン応答における負の調節因子である。エチレンガス受容体はエチレンが存在しない場合に活性化する。エチレンがない場合、ガス受容体は CTR1 の C 末端キナーゼドメインに結合します。CTR1 のキナーゼ活性が活性化され、隣接する EIN2 をリン酸化します。 ^[1] EIN2 が高度にリン酸化されている限り、EIN2 は不活性のままであり、エチレンシグナル中継は行われません。ETR1 では、ガス受容体ヒスチジンキナーゼが EIN2 との結合に必要です。^[29] RTE1 は CTR1 とは独立して ETR1 に結合して活性化できます。^[30]シトクロム b5 が RTE1 を補助するか、RTE1 と同様に作用するという証拠があります。^[31]

エチレンがガス受容体に結合すると、EIN2のリン酸化が阻害される。ガス受容体-CTR1-EIN2複合体の構造的特徴に特別な変化が生じたり、リン酸化が停止したりすることはなく、実際、エチレンレベルが低いとガス受容体-CTR1-EIN2複合体が増加し、エチレンレベルが上昇するにつれて減少する。^[32]代謝回転プロセスはまだ完全には解明されていない。エチレン結合の唯一の結果は、EIN2のリン酸化の減少である。このような条件下では、EIN2が活性化され、切断されて膜結合EIN2-N部分からEIN2-Cが放出される。切断を引き起こす酵素はまだわかっていない。^[1] A. thalianaにおけるEIN2-Nの役割も不明である。しかしイネでは、その相同体OsEIN2-N（Osはイネの学名Oryza sativa^{の略）が別のタンパク質mao huzi 3（MHZ3）と相互作用し、その変異によりエチレンに対する不感受性が生じる。 [33]}

EIN2-Cは細胞内でエチレンシグナルを媒介する主成分である。2つの方法で作用する。1つは、EIN3結合Fボックスタンパク質であるEBF1とEBF2をコードするmRNAに結合して、それらの分解を引き起こす。^[34]もう1つは、核内に侵入してEIN2核関連タンパク質1（ENAP1）と結合し、 EIN3と関連するEIL1転写因子の転写および翻訳活性を制御して、エチレン応答の大部分を引き起こす。^[35]