Development of technology to increase protein expression by modifying 5'-untranslated region by genome editing

• Project/Area Number: 19K22299
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Onouchi Hitoshi 北海道大学, 農学研究院, 教授 (50322839)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: ゲノム編集 / 5'非翻訳訳領域 / 5'非翻訳領域 / 5´非翻訳領域 / 5′ 非翻訳領域

Outline of Research at the Start

近年、ゲノム編集技術が作物の品種改良に活用されるようになってきている。しかし、遺伝子組換えにあたらない範囲でのゲノム編集技術の作物育種への利用はほとんど遺伝子破壊に限られており、転写や翻訳を抑制する配列が同定されている一部の遺伝子以外は、外来導入DNAを残さずに特定のタンパク質の発現量を増加させることは現状では困難である。そこで本研究では、より多くの作物遺伝子において遺伝子組換えに該当せずにタンパク質の発現量を増加させることを可能にするために、mRNAの翻訳効率に影響を与える5´非翻訳領域配列をゲノム編集を用いて改変することでタンパク質発現量を増加させる方法を開発する。

Outline of Final Research Achievements

The aim of this project was to develop a method to modulate the expression level of a specific protein by using genome editing without introducing foreign DNA into the genome. To achieve this, we took the approach of cutting the 5'-leader region of the target gene by the CRISPR/Cas9 system and introducing random mutations via non-homologous end joining (NHEJ) into the 5'-leader region. Our results demonstrated that the protein expression level can be altered to varying degrees by NHEJ-mediated random mutations in the 5'-leader region.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

遺伝子組換え作物は有用な形質を持っていても、消費者から敬遠される傾向がある。本研究で開発した方法では、外来導入DNAを残さずに特定のタンパク質の発現量の調節が可能で、多くのタンパク質の発現調節に応用できると考えられる。そのため、遺伝子組換えに該当しない範囲のゲノム編集を用いて様々なタンパク質の発現量の改変による品種改良が可能となり、作物育種への大きな波及効果が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Upstream open reading frame-mediated upregulation of ANAC082 expression in response to nucleolar stress in Arabidopsis (2023)
  • 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
  • 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 levels (2022)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exhaustive identification of conserved upstream open reading frames with potential translational regulatory functions from animal genomes (2020)
  • 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
  • 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, ESUCA (2020)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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
• [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, 高橋広夫, 山下由依, 内藤哲, 尾之内均
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [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