植物が寒さにさらされたことをどのように記憶するかを理解する

生物学の大きな疑問の一つは、特定の遺伝子が時間とともにどうやってオンとオフに切り替わるかで、これは細胞が異なる性質を持つようになったり、植物が老化をうまく管理したり成長するのに重要なんだ。これに関わる重要なプロセスは、「ポリコーム媒介のサイレンシング」と呼ばれるもので、多くの生物に見られる。プロセスの中心には、ヒストンというタンパク質に起こる化学的変化があって、特にヒストンH3の「トリメチル化リジン27」またはH3K27me3という変化がある。

このH3K27me3の変化は、遺伝子の特定の部分から始まり、その後広がって、その遺伝子をオフの状態に保つんだ。細胞が何度も分裂しても変わらない。よく知られた例が、アラビドプシスという植物で見られるFLOWERING LOCUS C（FLC）という遺伝子。FLCは植物が花を咲かせるのを止めるスイッチみたいなもので、長い寒冷期を経験するとこの遺伝子がオフになる。そうすると春が来たときに植物が咲けるんだ。

寒さにさらされると、FLC遺伝子のバージョンがH3K27me3が蓄積することでどんどんオフになる。寒冷期が終わって植物が暖かい環境に戻ると、このH3K27me3は残っていてFLCを長い間オフに保ち続ける。FLCが寒さの間に細胞分裂してもオフのままでいる能力は、新しい細胞にその記憶がどう引き継がれるのかという疑問を生むんだ。

#エピジェネティックメモリーのメカニズム

H3K27me3が始まるたびに関与するのはほんの数個のヒストンタンパク質で、その数は細胞が分裂する自然な希釈の間に安定し続けるには小さすぎると科学者たちは考えてる。特別なタンパク質グループがこの記憶を生かすのを助けているんじゃないかって。重要な役割を果たす2つのタンパク質があって、VERNALIZATION INSENSITIVE3（VIN3）とVERNALIZATION 5（VRN5）。これらのタンパク質は植物が寒さを経験するときにFLCの状態を維持するのを手伝うんだ。

温度が15°Cを下回ると、VIN3のレベルが上がり始めるけど、暖かくなると数時間以内にすぐに下がる。つまり、VIN3の影響は植物が寒さにさらされていた時間を反映しているってこと。ただ、VIN3だけでは温度が上がったときにオフの記憶を維持するのは難しいかもしれなくて、VRN5もこのプロセスに関与しているかも。これらのタンパク質は、おそらく互いに、そして寒冷条件下でFLCの領域と相互作用する部分を含んでるんだ。

興味深いことに、科学者たちがこれらのタンパク質の量を見ると、VIN3とVRN5は細胞核の中でグループを形成してることが分かった。このグループは通常、2つの分子を基本単位として持っていて、これらの単位の全体のサイズは寒さにさらされると大きくなる。これらのタンパク質グループが大きくなるほど、FLC遺伝子と相互作用する可能性が高くなる。

#画像技術の進化

これらのタンパク質がどう一緒に働くかを本当に深く理解するためには、科学者たちは生きた植物組織の中でそれらを見る方法が必要だった。彼らは「スリムフィールド可変角度（SlimVar）」という新しい画像方法を開発した。この新しい方法は、植物細胞の中でVIN3やVRN5のようなタンパク質がリアルタイムで働いているのを追跡するように設計されてる。現在の画像技術では、これらの個々のタンパク質がより深い植物組織に入ると見るのが難しかった。

従来の方法、例えば共焦点顕微鏡や構造化照明には、速度や感度に制限があった。SlimVarは、迅速に画像を取得し、生きた植物の中で単一のタンパク質分子を移動しながら見るために必要な明瞭さを提供するユニークなセットアップを使ってる。SlimVarを使えば、科学者たちは特別な蛍光染料が必要なく、よりシンプルに植物を扱えるようになる。

SlimVarを使うことで、研究者たちはVIN3とVRN5の行動を寒さにさらされている期間ずっと追いかけることができた。彼らは、この2つのタンパク質が細胞の核の中に集まるだけでなく、寒さに反応して特定の安定した配置を形成することも発見した。これは、これらのタンパク質が春の訪れに備えるための記憶要素として機能する可能性を理解する上で重要な進展だった。

#寒さに対するタンパク質の挙動

全体的に、研究者たちはSlimVarを使ってVIN3とVRN5を追跡したとき、これらのタンパク質が細胞核の中で認識可能なパターンで動いていることに気づいた。具体的には、タンパク質が均等に広がっているのではなく、明確なスポットを作っていた。このスポットは特定の数のタンパク質分子で構成されていて、彼らの配置に特有の完成度のレベルを示しているんだ。

研究者たちは、さまざまな寒さ条件下でのVIN3とVRN5の挙動を比較した。寒さにさらされている最初の数日間、これらのタンパク質は細胞核内で安定してアセンブリを形成し始めた。時間が経つにつれて、特に長時間の寒さの後に、これらのアセンブリのサイズやストイキオメトリが大きくなっていった。

冬が進むにつれて、タンパク質アセンブリの数は変動し、最初は増えて次第に安定した。研究者たちはまた、どれだけのタンパク質アセンブリが存在して、冷たい条件から暖かい条件に切り替わったときにどう変化するかを分析した。VIN3のように、VRN5のレベルも変わることが分かった。特に、これらのタンパク質のダイナミクスは、FLC遺伝子に正確に影響を与えるために一緒に働く可能性があることを示しているんだ。

#ストイキオメトリの役割

ストイキオメトリ、つまりタンパク質アセンブリの構成を分析する中で面白い観察があった。研究者たちは、VIN3とVRN5の観察されたストイキオメトリが異なるパターンを示していることに気づいた。各アセンブリで見つかったタンパク質分子の数において規則的な間隔があり、これらのタンパク質がオリゴマー、特に2つの分子のペアを形成している可能性があることを示唆している。

これらのタンパク質が時間とともにどう振る舞うかを考慮に入れると、アセンブリは長時間の寒さの間に移動性が低下することが観察された。彼らの速度が遅くなり、この重要な時期にFLC遺伝子とより密接に結びつくようになっていることを示唆している。研究者たちはまた、VIN3とVRN5がFLCに対してどう振る舞うかを比較して、いくつかのアセンブリがFLCのローカスの移動性に一致していることを確認した。

#FLCローカスでのVRN5アセンブリ

これらのタンパク質アセンブリとFLC遺伝子のつながりを考えると、研究者たちは特に寒さにさらされている間とその後にVRN5がFLCローカスとどう相互作用するかを理解しようとした。彼らは二重色技術を使って、同じ植物細胞の中でVRN5とFLCを別々に視覚化した。

実験中に、彼らはある傾向に気づいた：春化が続くにつれて、FLCローカスに位置するVRN5アセンブリの数が増加していった。興味深いことに、大きなVRN5アセンブリは際立っていて、しばしばFLCと重なっていることが見られ、強いダイナミックなつながりを示している。これは、寒さの条件が暖かさに戻るときでも見えた。

#結論

SlimVarを使った研究は、VIN3のようなタンパク質とVRN5が一緒に働いて、植物が冬の露出を記憶して花を咲かせる過程を助ける方法についての新たな洞察を提供する。タンパク質の配置や振る舞いに関する詳細な観察は、植物におけるエピジェネティックメモリーの形成についての重要な手がかりを提供する。

この研究は、複雑な生物学的プロセスを解明するために新しい画像技術の可能性を示し、科学者たちが分子レベルでタンパク質の相互作用を視覚化して理解するのを可能にする。異なるタンパク質の役割や、それらの集合的な働きが植物の行動に大きな変化をもたらす方法について多くの疑問を開くんだ。

画像技術の進化が続けば、植物や他の生物が内部プロセスや記憶を維持する方法についてのさらなる発見が期待できるし、自然界における遺伝学や発展の理解が変わるかもしれない。