DNA倍加誘導に必要なクロマチン制御系の解明

• Project/Area Number: 21H04715
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 梅田 正明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80221810)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,340,000 (Direct Cost: ¥31,800,000、Indirect Cost: ¥9,540,000); Fiscal Year 2024: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2023: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2022: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: DNA倍加 / クロマチン / ヒストン

Outline of Research at the Start

DNA倍加は一つ一つの細胞の中でDNA量が倍々に増えていく現象である。それに伴い細胞・器官サイズが大きくなるため、地球上の植物バイオマス生産に大きく貢献している。しかし、植物の中にはDNA倍加を全く起こさない種も存在し、何がDNA倍加能を決める要因となっているかは未だ不明である。本研究ではDNA倍加の誘導メカニズムをクロマチンの視点から明らかにし、植物体でDNA倍加を誘発するための基礎的知見を得る。

Outline of Annual Research Achievements

DNA倍加は一つ一つの細胞の中でDNA量が倍々に増えていく現象である。それに伴い細胞・器官サイズが大きくなるため、地球上の植物バイオマス生産に大きく貢献している。しかし、植物の中にはDNA倍加を全く起こさない種も存在し、何がDNA倍加能を決める要因となっているかは未だ不明である。そこで、本研究ではDNA倍加の誘導メカニズムをクロマチン構造の視点から明らかにし、DNA倍加を起こさない植物種でDNA倍加を誘発するための基礎的知見を得ることを目標としている。

DNA倍加植物であるシロイヌナズナにおいては、ヒストンメチル化酵素ATXR6がヒストンH3.1のK27をモノメチル化し、セントロメア周辺のクロマチン凝縮を促進することが知られている。ATXR6はH3.1に対する基質特異性をもつことでセントロメア特異的なヘテロクロマチン形成を促すと考えられているが、我々は非DNA倍加植物の多くがATXR6の活性部位にアミノ酸置換をもつことを見出している。このことは、ATXR6のヒストンに対する基質特異性がDNA倍加能を規定する要因となっている可能性を示唆している。そこで、この可能性を検証するため、非DNA倍加植物で保存性が低いアミノ酸残基に変異を導入したATXR6を作成し、in vitroヒストンメチル化アッセイにより基質特異性の解析を行った。その結果、4箇所にアミノ酸変異をもつATXR6はH3.1に対する基質特異性を失い、H3.3のメチル化も行うことが明らかになった。このことから、ATXR6の基質特異性が低下することでH3.3もメチル化できるようになり、DNA倍加誘導に必要なクロマチン緩和が起きにくくなることでDNA倍加能を失うのではないかと考えられた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

CDKによるFAS1のリン酸化部位の同定については、組換えタンパク質の発現に難があり実験が滞っていたが、ATXR6の基質特異性については重要な知見を得ることができた。今後、細胞周期におけるATXR6の蓄積様式について解析する予定であるが、そのための植物材料などの準備も順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

細胞周期におけるATXR6の蓄積様式について解析し、DNA倍加との関連性を明らかにする。また、ATXR6のタンパク質蓄積を制御する候補因子として、E3ユビキチンリガーゼに着目して解析を進めていく。これらの研究を通じて、DNA倍加の誘導メカニズムについて細胞周期とクロマチン構造の視点から統合的な理解を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] GMI(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] CBM(スペイン)
• [Int'l Joint Research] GMI(オーストリア)
• [Journal Article] Tetraploidization promotes radial stem growth in poplars (2022)
  • Author(s): Umeda-Hara Chikage、Iwakawa Hidekazu、Ohtani Misato、Demura Taku、Matsumoto Tomoko、Kikuchi Jun、Murata Koji、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 3 Pages: 215-220
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.0716a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] R2R3-MYB transcription factor GEMMA CUP-ASSOCIATED MYB1 mediates the cytokinin signal to achieve proper organ development in Marchantia polymorpha (2022)
  • Author(s): Aki Shiori S.、Morimoto Tomoyo、Ohnishi Taiki、Oda Ayumi、Kato Hirotaka、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 21123-21123
  • DOI: 10.1038/s41598-022-25684-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of the Plant Cell Cycle in Response to Hormones and the Environment (2021)
  • Author(s): Shimotohno Akie、Aki Shiori S.、Takahashi Naoki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Annual Review of Plant Biology Volume: 72 Issue: 1 Pages: 72-78
  • DOI: 10.1146/annurev-arplant-080720-103739
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome Maintenance Mechanisms at the Chromatin Level (2021)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Shibata Atsushi、Umeda Masaaki
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10384-10384
  • DOI: 10.3390/ijms221910384
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alterations in hormonal signals spatially coordinate distinct responses to DNA double-strand breaks in Arabidopsis roots (2021)
  • Author(s): Takahashi Naoki、Inagaki Soichi、Nishimura Kohei、Sakakibara Hitoshi、Antoniadi Ioanna、Karady Michal、Ljung Karin、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 25
  • DOI: 10.1126/sciadv.abg0993
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒストンメチル化の制御によるDNA倍加の誘導機構 (2023)
  • Author(s): 賀鐘寛、正田晃子、Kar Yee Moo、岩田悠暉、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Control of DNA replication by histone methyltransferases ATXR5 and ATXR6 in Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Kar Yee Moo、正田晃子、真鍋はるか、高塚大知、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Genome maintenance strategies in plant stem cells (2022)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 14th International Congress of Cell Biology & 9th Asian Pacific Organization for Cell Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genome maintenance strategies in plant stem cells (2022)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: International Symposium on Plant Cell Cycle and DNA Damage Responses 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Proteolysis of histone methyltransferases controls cell cycle progression in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Kar Yee Moo、正田晃子、真鍋はるか、高塚大知、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物成長を制御する分子メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 第38回日本植物バイオテクノロジー学会大会
  • Invited
• [Remarks] 植物成長制御研究室ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/umeda/
• [Remarks] 梅田研ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/umeda/