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Elucidation of cellular environment-sensing mechanism involving upstream ORFs and its application to genome breeding

Research Project

Project/Area Number 19H02917
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

Onouchi Hitoshi  北海道大学, 農学研究院, 教授 (50322839)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Keywords上流ORF / リボソーム / ストレス応答 / 新生鎖 / uORF / 環境応答 / 栄養応答
Outline of Research at the Start

mRNA の 5′非翻訳領域に上流ORF (uORF) と呼ばれる小さな ORF が存在し、そこにコードされるペプチドが自身を翻訳したリボソームの機能に影響を与えることによって翻訳を制御する場合がある。研究代表者はこれまでに植物において、ストレス、栄養状態、細胞分化状態など様々な細胞内環境に応答した翻訳制御に関与する uORF ペプチドを見出した。本研究は、uORFペプチドが細胞内環境を感知してリボソーム機能を制御する未知の機構を明らかにすることを目的とする。さらに、作物において翻訳を抑制する uORF をゲノム編集を用いて破壊することにより、有用な形質を持つ作物の作出を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Upstream open reading frames (uORFs) are elements found in the 5'-untranslated regions of eukaryotic transcripts that can affect translation of the downstream protein-coding sequences. In this study, we discovered that during translation of the uORF of an Arabidopsis gene, the translation complex containing the uORF-encoded nascent peptide directly senses magnesium to cause ribosome stalling, thereby repressing translation of the protein-coding sequence. Our results demonstrated that this magnesium-responsive translational regulation contributes to maintaining magnesium homeostasis in plant cells. Additionally, we identified a non-AUG-initiated uORF involved in the feedback regulation of the expression of a key enzyme of polyamine biosynthesis in plants.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、マグネシウムやポリアミンの細胞内濃度を感知して恒常性を維持するための新たな機構が発見された。マグネシウムは植物の生育に必要な多量要素の一つであり、ポリアミンは植物の環境ストレス耐性に関与することが知られている。したがって、本研究の発見は植物生理学や分子生物学の分野に学術的なインパクトを与えるだけでなく、将来的には栄養欠乏環境やストレス環境における作物の生育改善などの応用につながることが期待できる。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Upstream open reading frame-mediated upregulation of ANAC082 expression in response to nucleolar stress in Arabidopsis2023

    • Author(s)
      Sasaki S, Murakami T, Yasumuro M, Makita A, Oi Y, Hiragori Y, Watanabe S, Kudo R, Hayashi N, Ohbayashi I, Sugiyama M, Yamashita Y, Naito S, Onouchi H
    • Journal Title

      Plant Biotechnology

      Volume: 40 Issue: 1 Pages: 21-30

    • DOI

      10.5511/plantbiotechnology.22.1215a

    • ISSN
      1342-4580, 1347-6114
    • Year and Date
      2023-03-25
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Genome-wide identification of Arabidopsis non-AUG-initiated upstream ORFs with evolutionarily conserved regulatory sequences that control protein expression levels2022

    • Author(s)
      Hiragori Yuta、Takahashi Hiro、Karino Taihei、Kaido Atsushi、Hayashi Noriya、Sasaki Shun、Nakao Kodai、Motomura Taichiro、Yamashita Yui、Naito Satoshi、Onouchi Hitoshi
    • Journal Title

      Plant Molecular Biology

      Volume: 111 Issue: 1-2 Pages: 37-55

    • DOI

      10.1007/s11103-022-01309-1

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Exhaustive identification of conserved upstream open reading frames with potential translational regulatory functions from animal genomes2020

    • Author(s)
      Takahashi Hiro、Miyaki Shido、Onouchi Hitoshi、Motomura Taichiro、Idesako Nobuo、Takahashi Anna、Murase Masataka、Fukuyoshi Shuichi、Endo Toshinori、Satou Kenji、Naito Satoshi、Itoh Motoyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 16289-16289

    • DOI

      10.1038/s41598-020-73307-6

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Comprehensive genome-wide identification of angiosperm upstream ORFs with peptide sequences conserved in various taxonomic ranges using a novel pipeline, ESUCA2020

    • Author(s)
      Takahashi Hiro、Hayashi Noriya、Hiragori Yuta、Sasaki Shun、Motomura Taichiro、Yamashita Yui、Naito Satoshi、Takahashi Anna、Fuse Kazuyuki、Satou Kenji、Endo Toshinori、Kojima Shoko、Onouchi Hitoshi
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 21 Issue: 1 Pages: 260-260

    • DOI

      10.1186/s12864-020-6662-5

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reverse genetics-based biochemical studies of the ribosomal exit tunnel constriction region in eukaryotic ribosome stalling: spatial allocation of the regulatory nascent peptide at the constriction.2020

    • Author(s)
      Seidai Takamatsu, Yubun Ohashi, Noriyuki Onoue, Yoko Tajima, Tomoya Imamichi, Shinya Yonezawa, Kyoko Morimoto, Hitoshi Onouchi, Yui Yamashita, Satoshi Naito
    • Journal Title

      Nucleic Acids Res.

      Volume: 48 Issue: 4 Pages: 1985-1999

    • DOI

      10.1093/nar/gkz1190

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 非 AUG 開始型上流 ORF と RNA 二次構造による翻訳制御を介したポリアミン合成のフィードバ ック機構2023

    • Author(s)
      平郡雄太、安室美陽、海藤篤、狩野泰平、山下由衣、内藤哲、尾之内均
    • Organizer
      第64回 日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナのポリアミン合成酵素遺伝子の非AUG開始型uORFを介した翻訳制御2022

    • Author(s)
      平郡雄太, 安室美陽, 林憲哉, 佐々木駿, 山下由衣, 内藤哲, 尾之内均
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナの2つの機能性タンパク質をコードする核コードmRNAの翻訳制御機構2022

    • Author(s)
      中尾晃大, 垣内俊哉, 伊藤正樹, 野本友司, 高橋広夫, 山下由衣, 内藤哲, 尾之内均
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナS1bZIP遺伝子グループにおけるショ糖に応答した転写後制御の解析2022

    • Author(s)
      本多悠吾, 菅原収吾, 尾之内均, 内藤哲, 山下由衣
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物における小胞体ストレス応答を司る翻訳停滞の分子機構とその特異性2022

    • Author(s)
      今道朋哉, 楠本奈央, 高松世大, 本多悠吾, 村岡栞, 尾之内均, 内藤哲, 山下由衣
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 植物間で保存され翻訳調節に関与する非AUG開始型uORFのゲノムワイドな探索2021

    • Author(s)
      平郡雄太,高橋広夫,林憲哉,佐々木駿,山下由衣,内藤哲,尾之内均
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物間で保存された翻訳調節に関与する非AUG型uORFのゲノムワイド探索2020

    • Author(s)
      平郡雄太,高橋広夫,林憲哉,佐々木駿,山下由衣,内藤哲,尾之内均
    • Organizer
      第42回分子生物学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物間で保存された翻訳調節に関与する非AUG型uORFのゲノムワイド探索2020

    • Author(s)
      平郡雄太,高橋広夫,林憲哉,佐々木駿,山下由衣,内藤哲,尾之内均
    • Organizer
      第61回植物生理学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 上流 ORF の新生ペプチドを含む翻訳複合体が細胞内のマグネシウム濃度を感知して翻訳を制御する2019

    • Author(s)
      林憲哉, 佐々木駿, 平郡雄太, Zhihang Feng, 藤原徹, 渡部敏裕, 町田幸大, 今高寛晃,高橋広夫, 山下由依, 内藤哲, 尾之内均
    • Organizer
      第61回植物生理学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of bioinformatics methods and their applications: from plant to medical sciences2019

    • Author(s)
      Takahashi H., Machida C., Muto M., Kojima S., Itoh M., Onouchi H., and Sasaki H
    • Organizer
      International Conference for Leading and Young Medical Scientists - IC-LYMS 2019 -
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] マグネシウム耐性植物、マグネシウム耐性植物の製造方法、マグネシウム耐性植物の栽培方法、及び遺伝子2021

    • Inventor(s)
      尾之内均、林憲哉、海藤篤
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人北海道大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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