〜 おへその乱読1000本ノック #0104 ～ 成長か、生存か：植物の意思決定を司るTOR複合体の全貌

　ようこそ、第104回 おへその乱読1000本ノックへ。
　今回は、Burkart and Brandizzi（2021）による、植物におけるTOR複合体シグナルを整理した総説を取り上げます。
　前回までは、動物細胞におけるmTORC1を中心に、アミノ酸、成長因子、エネルギー状態、ストレスがどのように細胞成長や代謝制御へつながるのかを見てきました。動物では、食餌によって外界から有機栄養を取り込み、その栄養状態を細胞内シグナルへ変換することが重要になります。一方、植物では、光合成による炭素同化と、根から取り込む無機栄養の同化を基盤として、光、水、二酸化炭素、窒素、硫黄、リンなどの環境情報を統合しながら成長を調節します。
　植物は同じ場所に根を張り一生を送る生物であるからこそ、外界の変化と自身の代謝状態をどのように読み取り、成長へ振り向けるのかが重要になります。同じTORシグナルであっても、動物と植物では、栄養情報の意味づけも、成長判断への接続も同じではありません。本稿では、動物のmTORC1と共通する基本構造に目を向けながら、植物に固有のTOR複合体シグナルの全貌をながめていきます。

1．植物TOR複合体の基本構造：保存されたTORC1と未確定なTORC2

1.1　TORは真核生物に保存された成長制御キナーゼである

　TORは、真核生物に広く保存された大型タンパク質キナーゼであり、栄養状態・エネルギー状態・環境シグナルを成長制御に結びつける中心因子である。酵母や動物では、TORC1とTORC2という二つの複合体として機能する。TORC1はタンパク質合成、代謝、細胞増殖、オートファジーなどを、TORC2は細胞骨格、膜恒常性、細胞生存、グルコース・脂質代謝などを制御する（Fig. 1）。

1.2　植物ではTORC1構成因子が保存されている

　植物にも、TOR、RAPTOR、LST8といったTORC1構成因子が保存されており、動物・酵母と共通する成長制御システムを基盤にもつと考えられる。ただし、糖、光、アミノ酸、植物ホルモン、分裂組織、光合成といった、植物に特徴的な入力・出力がTORシグナルと結びついている点は、植物TORを理解するうえで重要である（Fig. 2）。

1.3　典型的TORC2の不在が植物TOR研究の論点になる

　一方、植物にはTORC2を構成するRICTORやSIN1に相当する因子が確認されておらず、動物・酵母と同様の意味でTORC2が形成されるかは不明である。植物には細胞壁、膨圧、アクチン細胞骨格、膜恒常性など、酵母・動物のTORC2機能と関連しうる過程が存在するが、これらがTORC1を介して制御されるのか、植物固有の経路によるのかは未確定である。したがって植物TORは、動物mTORC1の単純な対応物ではなく、保存されたTORC1機能と植物固有の制御様式が重なり合うシグナル系として捉える必要がある。

2．栄養とアミノ酸：植物TORは何を栄養情報として読むのか

2.1　糖・炭素シグナルは植物TOR活性化の主要な入力である

　植物では、光合成によって生じる糖が成長を支える主要な炭素源である。シロイヌナズナでは、グルコースを介したTORシグナルがヌクレオチド、アミノ酸、タンパク質、脂質の生合成関連遺伝子を活性化し、分解系遺伝子を抑制することが示されている。糖は、植物TORを成長促進側へ向ける主要な入力の一つといえる（Fig. 2A）。
　ただし、グルコースがTORを活性化する分子機構は十分に解明されていない。動物mTORC1で整理されてきた成長因子・アミノ酸入力とは異なり、植物では光合成産物としての糖が、環境条件と代謝状態を結びつける入力として位置づけられる。

2.2　窒素・硫黄・リン応答とTORの連動は示唆されるが機構は未解明である

　炭素に加え、窒素、硫黄、リンといった主要栄養素も植物TORシグナルと関係する可能性がある。クラミドモナスではTOR阻害により窒素同化とアミノ酸合成が増加する一方、シロイヌナズナではTORやTAP46の抑制によって窒素同化関連遺伝子の低下と窒素再利用関連遺伝子の上昇が報告されている。これらはTORが窒素の取り込み・同化と連動することを示すが、制御方向は生物種や条件によって異なる可能性がある（Fig. 2）。
　硫黄については、システイン生合成前駆体の不足がグルコース代謝を介してTOR活性を低下させ、翻訳、分裂組織活性、オートファジーに影響することが示されている。リンについては、クラミドモナスでリン欠乏応答因子やLST8、RPS6リン酸化との関連が報告されており、TORがリン利用状態と連動する可能性がある。
　ただし、これらの栄養状態がどのようにTORへ伝達されるかは未確定であり、現段階では「TORが各栄養素を直接感知する」と断定するより、「主要栄養素の状態とTOR活性が機能的に結びつく」と捉えるのが適切である。

2.3　アミノ酸はTOR入力になりうるが、植物の感知機構はまだ見えていない

　動物・酵母と同様、植物でもアミノ酸はTOR活性に影響する入力と考えられている。プロリンやアラニンはTOR活性化に関与し、タンパク質合成を促進する一方、アミノ酸を呼吸に利用するミトコンドリア経路を抑制する方向に働く。また、ロイシン生合成関連遺伝子の変異により分岐鎖アミノ酸（特にバリン）が蓄積すると、TOR活性が高まり、分裂組織、葉緑体発達、アクチン細胞骨格に影響することが示されている。
　一方、植物には動物・酵母でアミノ酸感知に関わるRag GTPaseやRagulator複合体に相当する因子が確認されていない。そのため、植物がアミノ酸量や代謝状態をどのようにTORへ伝えるのかは明らかでない。特定のアミノ酸やアミノ酸代謝の変化とTOR活性の連動は示されつつあるが、その上流感知機構は今後の課題である

3．分裂組織と成長制御：TORが成長へ振り向ける出力

3.1　TORは根端・茎頂メリステムの成長を支える

　植物の成長は、根端や茎頂の分裂組織によって支えられる。TORはこれらの分裂組織で細胞増殖を維持し、根や地上部の成長を促進する制御因子として機能する。根端メリステムではグルコースがTOR活性化に十分な入力となる一方、茎頂メリステムではグルコースに加えて光が必要とされ、光合成への移行段階とTOR活性が結びついている（Fig. 2A）。
　この違いは、植物TORが栄養量だけでなく、器官や発生段階に応じて糖・光・エネルギー状態を組み合わせて成長を調節する可能性を示している。根と地上部では、同じTORシグナルでも活性化条件は異なる。

3.2　TORは細胞周期と分化のバランスに関与する

　TOR活性が低下すると根端メリステムの細胞数は減少し、分化が早まる。これにはTOR下流因子YAK1と、細胞周期抑制因子SMRファミリーが関与する可能性が示されている。TOR活性が十分な条件では細胞増殖が維持され、活性が低下すると細胞周期が抑えられ分化側へ傾くと考えられる。
　TORは糖誘導性のカルス形成にも関与する。分化組織から細胞周期を再起動する過程では、TORによるE2Faのリン酸化・安定化がS期関連遺伝子の発現を促すとされる。したがってTORは、分裂組織の維持だけでなく、分化した細胞を再び増殖状態へ戻す過程にも関わる可能性がある。

3.3　TORは代謝状態と概日時計をつなぐ可能性がある

　TORシグナルは概日時計とも接続する可能性が示されている。PRRファミリーやTZF1を介したTOR mRNAの制御、ニコチンアミドによるグルコース-TORシグナルの抑制、TOR阻害による概日周期の延長などから、TORは代謝状態を成長リズムへ反映する経路の一部として位置づけられる。
　ただし、概日時計とTORの関係は発展途上の領域であり、TORが概日時計を一方向的に制御するというより、糖代謝、ATP産生、成長状態と概日リズムを結びつける候補経路として捉えるのが適切である。植物は光環境の変化を受けながら成長するため、TORが代謝と時間情報を統合する可能性は、植物TORの特徴を考えるうえで重要である。

4．オートファジーとストレス応答：成長から再利用への切り替え

4.1　TORは栄養十分な条件でオートファジーを抑制する

　オートファジーは細胞内成分を分解・再利用する仕組みであり、植物では栄養欠乏や各種ストレス条件で誘導される。TORはこのオートファジーを抑制する成長促進側の因子として位置づけられる。栄養が十分な条件ではTOR活性が維持され、タンパク質合成や細胞増殖が優先される。一方、栄養やエネルギーが不足するとTOR活性が低下し、細胞内資源を再利用する方向へ制御が切り替わる（Fig. 2A）。

4.2　SnRK1はTORを抑えてストレス応答を促す

　植物では、エネルギー状態を反映するSnRK1がTORの上流に位置し、TOR活性を抑制してオートファジーを促す経路が示されている。SnRK1のサブユニットKIN10の過剰発現ではストレス条件下のオートファジーが高まり、kin10変異体では同条件でのオートファジー誘導が弱くなる。SnRK1–TOR経路は、エネルギー不足やストレスを、成長抑制と再利用系の活性化へ結びつける経路として理解できる。
　ただし、すべてのストレス応答が同様にTOR依存的に制御されるわけではない。TOR過剰発現は飢餓・塩・浸透圧ストレスに伴うオートファジー誘導を抑える一方、酸化ストレスや小胞体ストレスでは同様の抑制を示さないとされる。TORによるオートファジー制御は、ストレスの種類によって異なる可能性がある。

4.3　ATG13を介したTORによるオートファジー制御

　TORによるオートファジー抑制には、ATGタンパク質群の制御が関わる。ATG13はオートファジー開始に関わるATG1/ATG13複合体の構成因子であり、RAPTORと相互作用する保存モチーフをもつ。栄養十分な条件では、TORがATG13をリン酸化することでオートファジーを抑制すると考えられる。
　栄養制限条件ではATG1/ATG13複合体がオートファジーにより分解されることも報告されており、TORシグナルとオートファジーの間には双方向的な制御関係が存在する可能性がある。すなわち植物TORは、成長を進めるか、細胞内資源を再利用して生存を優先するかを切り替える制御点として位置づけられる。

5．光合成、葉緑体、共生：植物TORに固有の制御様式

5.1　TORは光と糖を成長開始のシグナルへつなぐ

　植物では、光合成によって生じる糖がTOR活性化の重要な入力となる。とくに芽生えの成長では、光と糖が協調してTORシグナルを活性化し、従属栄養的な成長から光独立栄養的な成長への移行を支える。暗所で発芽した芽生えではCOP1がTOR活性を抑制するが、光受容体を介した光シグナルによりこの抑制が解除され、オーキシンを介したTOR活性化とRPS6リン酸化が進むとされる（Fig. 2A）。
　この過程は、植物TORが細胞内の糖量だけでなく、光環境と発生段階を組み合わせて成長開始を調節する可能性を示している。植物TORは、光合成産物としての糖と光そのものの情報を、成長制御へ結びつける接点に位置づけられる。

5.2　TORは葉緑体形成と光合成機能に関与する

　TORシグナルは、葉緑体や光合成関連遺伝子の発現とも関係する。TOR阻害により葉緑体の数や大きさが低下し、光独立栄養的成長が障害されることが報告されている。イネではS6K1やRAPTOR2の抑制により葉が淡色化し、チラコイド膜構造に異常が生じることから、TOR–S6K経路がチラコイド膜形成や脂質代謝を介して光合成装置の維持に関わる可能性がある。
　クラミドモナスでも、TOR阻害により光合成電子伝達、葉緑体形態、光化学系IIの状態、非光化学的消光などに変化が生じるとされる。一方、TORが光合成装置の状態をどのように感知するのかは十分に明らかでない。TORは糖産生と葉緑体機能の双方に関わると考えられるが、光合成装置そのものを監視する仕組みは今後の課題である。

5.3　TORはソース・シンク関係と共生にも関与する可能性がある

　成熟したソース葉では糖産生が高く、TOR活性も高いとされる。一方、発達中のシンク葉では糖産生が十分でなく、TOR活性は相対的に低い。TOR活性は、原形質連絡を介した糖の細胞間輸送や、ソース葉からシンク葉への糖輸送にも関与する可能性が示されている。これは、TORが単一細胞内の成長制御にとどまらず、植物体内の炭素分配とも結びつくことを示唆する。
　さらに、TORは根粒形成や根圏細菌との相互作用にも関与する可能性がある。マメ科植物では根粒形成時にTOR発現が高まり、TOR活性の低下により感染糸形成や根粒発達が障害されるとされる。植物成長促進細菌による根の成長促進にもTORシグナルの関与が報告されている。ただし、これらの共生過程でTORが栄養交換、器官形成、ホルモン応答のどこを主に制御しているのかは十分に整理されていない。共生におけるTORの役割は、植物固有の成長制御を考えるうえで重要な未解明領域である。

6．植物ホルモン：成長促進と防御応答のバランス

6.1　成長促進型ホルモンはTORと協調して成長を支える

　植物ホルモンは、発生、成長、環境応答を調節する低分子シグナルである。TORとの関係では、オーキシン、ジベレリン、ブラシノステロイド、サイトカイニンなどの成長促進側ホルモンと、ABA、ジャスモン酸、サリチル酸、エチレンなどの成長抑制・防御側ホルモンに大別できる。TOR活性が低下すると成長促進側ホルモン経路の遺伝子発現が抑制され、防御・ストレス応答側のホルモン経路が高まる傾向が示されている（Fig. 3）。
　成長促進側では、オーキシンとブラシノステロイドがTORシグナルと結びつく。オーキシンはROP2を介してTORを活性化し、S6K1を通じて翻訳再開始や細胞分化・成長関連遺伝子の発現を促すとされる。ブラシノステロイドでは、TOR–S6K2経路がBIN2を介してBZR1の安定化に関与し、従属栄養的成長から光独立栄養的成長への移行を支える可能性がある。

6.2　ABA、ジャスモン酸、エチレンはTORと拮抗する

　成長抑制・防御側のホルモンでは、ABAとTORの相互抑制関係が比較的よく整理されている。ストレスがない条件では、TORがPYL型ABA受容体をリン酸化しABAシグナルを抑制する。一方、ストレス条件ではABAが増加し、SnRK2を介してRAPTORをリン酸化することでTOR活性と成長を抑えるとされる。ABAとTORは、成長とストレス応答の切り替えを担う相互制御関係にあると考えられる（Fig. 3）。
　ジャスモン酸やエチレンについても、TORとの拮抗的な関係が示唆されている。TOR阻害はジャスモン酸・エチレン関連応答を高め、逆にTOR活性が高い植物では病原体への抵抗性が低下する可能性が報告されている。ただし、これらのホルモンがTORをどのように抑制するのか、TORが防御応答への切り替えをどこまで直接制御するのかは、十分に明らかでない。

7．結論：植物TORは成長と生存をつなぐ統合ハブである

　植物TORは、動物や酵母と共通する成長制御キナーゼでありながら、植物固有の栄養獲得様式、光合成、分裂組織、葉緑体、植物ホルモン、環境ストレス応答と結びついている。栄養や光が成長に適した条件では、TORは翻訳、細胞周期、分裂組織維持、葉緑体機能を促進する。一方、栄養不足やストレス条件では、TOR活性の低下によりオートファジーや防御応答が相対的に高まり、成長よりも再利用や生存が優先される。
　ただし、植物TOR研究には未解明な点が多い。主要栄養素やアミノ酸の状態がどのようにTORへ伝えられるのか、植物におけるTORC2様機能がどのように担われるのか、TORが光合成装置の状態をどの程度直接監視するのかは、まだ明らかになっていない。植物TORは、既知の動物mTORC1の植物版としてではなく、保存された成長制御システムが植物の生活様式のなかで独自に展開したシグナル統合系として捉えることができる。