Elucidation of the regulatory mechanism of chloroplast nucleoid with DNA supercoils as the core

• Project/Area Number: 21H02504
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 西村 芳樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (70444099)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 葉緑体DNA / DNA ligase / DNA supercoil / 核様体 / ホリデイジャンクション解離酵素 / 葉緑体核様体

Outline of Research at the Start

葉緑体核様体は葉緑体独自のゲノムと多様なタンパク質群の複合体であり、細胞周期、光や栄養などの環境に応じてその形態を柔軟に変化させながら、cpDNA複製・修復、遺伝子発現、遺伝などで様々な役割を果たしている。葉緑体分裂の際、葉緑体核様体は分裂に先立って葉緑体全体に拡散し、分裂完了後にふたたび凝集する。そうした葉緑体核様体の形態変化の分子機構や機能について、葉緑体核様体の形態・分裂異常を示すmonokaryotic chloroplast (moc) 変異体や、葉緑体型DNA ligaseの解析を糸口とし、DNAスーパーコイルという観点から明らかにしていく。

Outline of Annual Research Achievements

細胞内共生説によれば、葉緑体は真核生物の祖先にシアノバクテリア様の細菌が共生したことで誕生した。その証拠の一つとして、葉緑体DNAの存在が挙げられる。葉緑体DNAは多様なタンパク質と結合し、折り畳まれることで葉緑体核様体を構築する。葉緑体核様体は葉緑体遺伝子発現の基盤として、光合成をはじめとする葉緑体機能を支えている。我々はこれまでに、緑藻クラミドモナスをモデルとしたライブイメージング技術を駆使して、細胞分裂時における葉緑体核様体の挙動を明らかにしてきた。細胞核の染色体が分裂時に凝集して染色体構造をとり、紡錘糸によって娘細胞へと正確に分配されるのに対し、葉緑体の染色体ともいうべき葉緑体核様体が採る戦略は真逆である。間期において、一つの葉緑体あたり５－１０個の球状構造として存在する葉緑体核様体は、分裂に先立って解体され葉緑体全体に分散する。そして分裂完了とともに球状構造へと再構築される。これは1990年代に提唱されたStochastic inheritanceという戦略にピタリとあてはまることが、数理シミュレーションでも実証された。我々はさらに、この可逆的な分散／再構築を実現する分子機構を追求した。野生株や変異体の詳細な観察の結果、我々は葉緑体型Holliday junction resolvaseが葉緑体核様体解体に先立って発現上昇し、この変異体では核様体解体が起きないこと、また葉緑体型DNA ligaseが葉緑体核様体再構築の前に発現上昇し、この変異体では逆に葉緑体核様体の凝集が阻害されることを明らかにした。さらに数理シュミレーションにより、葉緑体DNAのsupercoil構造が、葉緑体核様体のmobility shiftと結びついていることを示すことに成功し、DNA supercoil制御を基盤とした葉緑体DNA遺伝機構についての仮説を低yそうするに至った。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

DNA supercoilは、DNAのねじれによって形成される超らせん構造であり、これまでヌクレオソーム構造や遺伝子発現制御における重要性は示されてきたが、今回、葉緑体核様体のmobilityを細胞周期に応じて変化させることで、stochastic inheritanceを実現するという、全く新しい仮説に到達することができた。現在論文を準備中である。

Strategy for Future Research Activity

必要なデータの収集をして、早急に論文としてまとめ、発表する。

Research Products

• [Journal Article] Chloroplast biogenesis involves a spatial coordination of nuclear and organellar gene expression in Chlamydomonas (2024)
  • Author(s): William Zerges, Yi Sun, Shiva Bakhtiari, Melissa Valente-Paterno, Yanxia Wu, Yoshiki Nishimura, Weike Shen, Chris Law, James Dhaliwal, Daniel Dai, and Khanh Bui
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 葉緑体DNAとの同時観察から、炭酸固定装置ピレノイドの構築機構に迫る (2023)
  • Author(s): 金澤晴樹、田草川真理、川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第13回日本光合成学会年会
• [Presentation] SMC様タンパク質の機能から迫る、ピレノイド構築における葉緑体核様体の役割 (2023)
  • Author(s): 金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスの炭酸固定加速装置ピレノイドの構造形成における葉緑体DNAの役割の解析 (2023)
  • Author(s): 金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] BUMPS 法によって解く葉緑体 DSB 修復機構 (2023)
  • Author(s): 川島愛音、西村芳樹
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] BUMPS 法で導入した葉緑体DSB は速やかに除去される (2023)
  • Author(s): 川島愛音，金澤晴樹，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会
• [Presentation] Transmission of chloroplast nucleoids is regulated by DNA supercoils during cell division. (2023)
  • Author(s): Nishimura, Y., Takusagawa, M., Yokota, H., Kobayashi, Y., Hamaji, T., Shikanai, T.,,,2023,2023,1,1
  • Organizer: The 20th international conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 葉緑体 DNA 修復機構の時空間的理解に向けて (2023)
  • Author(s): 川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] An Establishment of Novel Technique for cpDNA Specific DSBs Induction (2023)
  • Author(s): 川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Topology-dependent dynamics of chloroplast DNA in Chlamydomonas during cell division (2023)
  • Author(s): Yokota, H. and Nishimura, Y.
  • Organizer: International Conference on Biological Physics 2023
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体DNA結合タンパク質MFP1はチラコイド膜上でどのような因子と相互作用するのか (2023)
  • Author(s): 野戸康生、西村芳樹、藤井翔
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体核様体はピレノイドと相互作用するか (2023)
  • Author(s): 金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Exploring the Role of Chloroplast Nucleoids in the Maintenance of Pyrenoid, a Phase-separated Structure (2023)
  • Author(s): Kanazawa,H., Takusagawa,M., Kawashima, A., Shikanai, T. and Nishimura, Y.
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体 DNA の修復機構を探る (2022)
  • Author(s): 川島愛音、西村芳樹
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Deciphering the dynamism of chloroplast nucleoids. (2022)
  • Author(s): Nishimura, Y.
  • Organizer: Gordon Research Conference Mitochondria and Chloroplast
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enzymes controlling the inheritance of chloroplast DNA. (2022)
  • Author(s): Nishimura, Y.
  • Organizer: Metalloenzymes - cofactor assembly, catalytic mechanism and redox partners
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exploring the role of chloroplast nucleoids in the maintenance of the pyrenoid, a phase-separated structure in chloroplasts (2022)
  • Author(s): Kanazawa,H., Takusagawa,M., Kawashima, A., Shikanai, T. and Nishimura, Y.
  • Organizer: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • Invited
• [Book] Chapter 7, Organelle Heredity, Chlamydomonas sourcebook 3rd ed. (2023)
  • Author(s): Sunjoo Joo, Yusuke Kobayashi, Jae-Hyeok Lee and Yoshiki Nishimura
  • Total Pages: 33
  • Publisher: Academic Press