TOC1（遺伝子）

CAB 発現のタイミング 1 は、シロイヌナズナにおいてTOC1遺伝子によってコード化されるタンパク質です。TOC1 は、2 成分応答調節因子様 APRR1としても知られています。

TOC1 は、変異すると概日リズムの表現型を生じる最初の植物遺伝子でした。これは、植物の概日リズム(24 時間ごとに繰り返される、組み込みの柔軟な振動) の周期に影響を与える転写因子TOC1 をコードします。この遺伝子は、植物の概日時計の周期を調節する 5 つの擬似応答調節因子(PRR) の 1 つである転写抑制因子TOC1 をコードします。TOC1 タンパク質は時計の夕方ループに関与しており、これは朝ループ遺伝子LHYおよびCCA1の転写を直接阻害する抑制因子です。^[1] Toc1 遺伝子はほとんどの植物構造と細胞で発現しており、その遺伝子座は染色体 5 にあります。 ^[2]

TOC1 遺伝子は、アンドリュー・ミラー教授とその同僚によって 1995 年に最初に発見されました。ミラー教授は、生物発光レポーターであるホタル (ルシフェラーゼ) をアラビドプシスにおけるCAB (クロロフィル a,b 結合タンパク質、緑色植物の光捕集複合体を参照)の発現にリンクさせる革新的な順方向遺伝子スクリーニングを開発しました。ミラー教授は、1 日を通して生物発光を測定することで、CAB 発現が定常光下では振動パターンを示し、toc1 変異体植物ではより短い周期で振動することを発見しました。また、toc1 遺伝子を 5 番染色体にマッピングしました。これらの方法と発見は、 1995 年 2 月のScience誌に掲載され、表紙を飾りました。 ^[3]

時計遺伝子に関する初期の研究は1970 年代にショウジョウバエで行われ、その後哺乳類で行われたため、当初は植物の概日時計は哺乳類の時計と同様に機能すると考えられていました。哺乳類では、正と負の調節要素がフィードバック ループで作用して概日時計の振動を駆動します。つまり、Per 遺伝子と Cry 遺伝子は正の要素である CLOCK と BMAL によって活性化され、リン酸化されると負の要素として作用して CLOCK:BMAL 複合体の活性化機能を阻害するタンパク質を生成します。このようにして、Per 遺伝子と Cry 遺伝子は自身の転写を阻害します。^{[4] [5]}

対照的に、ミラーらの研究グループは、TOC1タンパク質が負の調節因子であり、植物の時計はリプレッシャレーターとしてモデル化した方がよいことを発見した。リプレッシャレーターとは、ある遺伝子が別の遺伝子を抑制し、その遺伝子が次の遺伝子によって抑制されるシステムであり、相互依存的で振動する遺伝子ネットワークを形成する。この発見は、1)恒常的(常にオン)なtoc1遺伝子発現を持つシロイヌナズナの変異体によって達成された。この変異体では、朝のループ遺伝子prr7と9、cca1、lhy、夕方のループ遺伝子giとelf4の両方でmRNA量が減少していた。2) toc1に変異を持つ植物とRNAiを使用してtoc1をノックアウトした植物。機能的なtoc1を持たないこれらの変異体ではlhyの段階が進んでおり、TOC1タンパク質がない場合の抑制が少ないことを示唆している。^[6]

カール・ストレイヤーとその同僚による研究では、TOC1遺伝子の転写への関与により、一定の光に加えて一定の暗闇でも概日リズムが短縮され、TOC1は概日リズムによって制御され、自身のフィードバックループの制御に関与していることが明らかになりました。^[7]

• 相同遺伝子

TOC1の相同遺伝子は、リラト・ロッククレス、アブラナ科植物、パパイヤ、キュウリ、イチゴ、大豆、ハス、リンゴ、モモ、ポプラ、ヒマ、トマト、ジャガイモ、ブドウ、ヒヨコマメで発見されています。^[8]

• 多型性

アラビドプシスでは、置換、挿入、欠失を含む21の多型が発見されている。 ^[2]

アラビドプシスに見られる他の4つのPRRタンパク質と同様に、TOC1は核内に位置し、N末端に擬似レ​​シーバー（PR）ドメイン、 C末端にCONSTANS、CONSTANS-LIKE、TOC1（CCT）ドメインを持っています。^[1] TOC1はCCTドメインを介してDNAに直接結合することができ、PRドメインは転写抑制活性を担っています。^[9]

TOC1 は、植物の概日時計を駆動する朝と夕方の転写翻訳フィードバック ループの両方に関与する遺伝子の G ボックスと EE モチーフ プロモーター領域に結合します。これらの遺伝子には、朝のフィードバック ループの PRR7 と 9、CCA1、LHY、夕方のループの GI と ELF4 が含まれます。TOC1 遺伝子発現の個別誘導により CCA1 と PRR9 の発現が減少し、TOC1 が概日時計遺伝子発現の調節において刺激的ではなく抑制的な役割を果たしていることを示しています。^{[6]朝のループ遺伝子 lhy と cca1 の抑制は計算モデルによって予測され、哺乳類に見られるような正/負の要素システムではなく、三重の負の要素}リプレッサーモデルの一部として植物時計における toc1 の役割を再定義するために必要な証拠でした。^[10]

TOC1のCCTドメインの結合パターンは概日振動を示し、転写因子に結合するプロモーター領域であるGボックスとEEモチーフへの結合は、植物の主観的な夜の早いCT15に最大になります。^{[9] TOC1を恒常的に発現する}アラビドプシス変異体では結合リズムが失われており、TOC1結合の振動はタンパク質の量によって制御されていることが示されました。 ^[6]

TOC1は、成長とストレス反応に関与する重要な植物ホルモンであるアブシシン酸とのフィードバックループにも関与しているようです。さまざまな量のABAを投与されたシロイヌナズナ植物は、TOC1の発現と概日周期の長さにそれに応じた違いを示しました。このフィードバックループの計算モデル化により、TOC1は気孔の開閉パターンに時計ベースの影響を与えることが示されました。これは従来、主にABAによって制御されるプロセスであると説明されてきました。 ^[11]

TOC1は概日周期にわたって差別的にリン酸化され、夜間にリン酸化のピークが起こります。^[1]高度にリン酸化されている状態では、TOC1はFボックスタンパク質ZEITLUPE（ZTL）に対する結合親和性が高くなります。^[1] TOC1-ZTL相互作用の制御に加えて、TOC1タンパク質のN末端のリン酸化は、シロイヌナズナに見られる5つのPRRタンパク質の1つであるPRR3との相互作用を増加させます。^[1]タンパク質のケルチドメインに単一のミスセンス変異を持ち、実質的にztlヌル変異を引き起こすztl-1変異体を用いた研究から、TOC1タンパク質が安定化し、TOC1サイクルが大幅に排除されることがわかっています。^[1] TOC1タンパク質のリン酸化はZTLとの相互作用を安定化させる一方で、TOC1のPRR3に対する親和性も高めます。^[1]これにより、最終的にTOC1はZTLを介した分解から保護されます。^[1] PRR3はZTL-TOC1相互作用の競合阻害剤として作用し、TOC1がPRR3に結合するとZTL依存性分解のためのTOC1基質の利用可能性が減少する。^[1]この結果、TOC1サイクリングの振幅が増大し、安定したTOC1サイクリングは転写調節制御に加えてZTL分解に依存していることが示唆される。^[1]

植物は、光などの環境資源を最も効率的に利用するために、一般的には概日リズムを環境の周期に合わせて同期させます。2005年に発表された研究では、概日リズムが環境の明暗周期と一致した植物は、光合成と成長が促進されることが示されました。^[12]この知識を使用して、植物学者は植物の周期を短縮することが示されているtoc1遺伝子の変異を利用できます。これらのtoc1変異体を使用すると、より短い時間で、より少ないエネルギーで植物を簡単に生産できると考えられます。

• 「TOC1 - 2 成分応答調節因子様 APRR1」。WikiGenes。