| Project/Area Number |
21H04977
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Biological Sciences
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
工藤 洋 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (10291569)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
角谷 徹仁 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (20332174)
本庄 三恵 京都大学, 生態学研究センター, 准教授 (30450208)
藤 泰子 東京科学大学, 生命理工学院, 准教授 (10623978)
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| Project Period (FY) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥631,150,000 (Direct Cost: ¥485,500,000、Indirect Cost: ¥145,650,000)
Fiscal Year 2025: ¥120,380,000 (Direct Cost: ¥92,600,000、Indirect Cost: ¥27,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥119,730,000 (Direct Cost: ¥92,100,000、Indirect Cost: ¥27,630,000)
Fiscal Year 2023: ¥120,900,000 (Direct Cost: ¥93,000,000、Indirect Cost: ¥27,900,000)
Fiscal Year 2022: ¥124,280,000 (Direct Cost: ¥95,600,000、Indirect Cost: ¥28,680,000)
Fiscal Year 2021: ¥145,860,000 (Direct Cost: ¥112,200,000、Indirect Cost: ¥33,660,000)
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| Keywords | ヒストン修飾 / H3K27me3 / 長期環境応答 / エピジェネティクス / ハクサンハタザオ |
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| Outline of Research at the Start |
地球上の生態系が温暖化によって大きく変貌しつつある今、生態系のエネルギーフローの出発点にある植物の長期応答を理解することは急務である。生物の長期応答にはクロマチン記憶が主要な役割を果たすが、新たな課題は、長期クロマチン記憶における修飾間のクロストークを明らかにし、その生態機能を明らかにすることである。クロマチン記憶の環境応答におけるメカニズムと役割を明らかにする総合研究を実施する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
クロマチン長期記憶の環境応答におけるメカニズムと役割を理解するために、以下の研究を進めてきた。① H3K27me3介在型プロモーターの解析による新規メカニズムの解明、② 修飾間のクロストークとDNAトポロジーの役割の解明、③ 温度ミミックのターゲット解析、④ ウイルスで変化するクロマチン記憶の解析、⑤ 長期クロマチン記憶の温度依存性と生態機能の解明、⑥ 防御における季節ゲーティングの解明である。
2024年度には、全般で論文発表が進んだ。①では、長期低温応答性プロモーターを報告した（論文審査中）。②では、セントロメアのレトロトランスポゾンが温度に応答して脱抑制されることを見出し（論文準備中）、同様のレトロトランスポゾンがクロマチン因子の変異下で染色体分配に影響することを示した（Shimada et al 2024 Nature Plants）。また、レトロトランスポゾンがセントロメアのクロマチンを標的にして飛び込む際の制御機構を明らかにした（Tsukahara et al 2025 Nature）。さらに、DNAメチル化酵素DDM1について、H2A.Wを含むヌクレオソームやそこにDDM1を含ませた複合体の構造を解き、DNA柔軟性との関連を示した（Osakabe et al., 2024 Nature Communications）。④では、遺伝子発現に対する温度とウイルス感染の交互作用を特定した（Honjo et al. 2024 Plant & Cell Physiology）。⑤では、葉の寿命と老化関連遺伝子の季節性を明らかにし（Yumoto et al. 2024 Nature Communications）、葉緑体遺伝子の発現調節における生物時計と環境情報の統合を解析した（Nishio et al. 2024 PNAS）。⑥では、植物がクロマチン変化を伴う多段階の防御準備をしていることを示した（論文準備中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①～⑥の計画ともに、期待通りの成果が出ており、論文として発表した。概要で説明した発表済みの成果に加えて、①「H3K27me3介在型プロモーターの解析による新規メカニズムの解明」については、長期低温応答性的プロモーターのうちH3K27メチル化応答に効果を持つエンハンサー部位を特定した（論文準備中）。②「修飾間のクロストークとDNAトポロジーの役割の解明」については、H3K4me2蓄積に関わる変異体を用い、これがH3K27me3やH2AUbに影響することを示した（論文準備中）。また、自然条件下で2年間における多種類のヒストン修飾の動態解析を進め、ヘテロクロマチンを介した季節推移の重要性を示した（論文準備中）。③「温度ミミックのターゲット解析」については、温度ミミックペプチドの細胞内外での局在を明らかにし、温度ミミック遺伝子変異体の表現型解析、プロモーターに結合する因子の解析を進めた。④「ウイルスで変化するクロマチン記憶の解析」においては、野外条件におけるウイルス感染がもたらすクロマチン変化の解析を進め、さらに感染後の時間経過にともなうクロマチン変化を評価する準備を進めている。また、当初の予定を越えて、遺伝子発現におけるウイルス感染と生物的・物理的ストレスに対する交互作用の解析を進めた。⑤「長期クロマチン記憶の温度依存性と生態機能の解明」については、凍結耐性と高温耐性の季節変化におけるトレードオフの解析を進めた。また、屈性における環境応答の天候依存性を解析し、それが繁殖成功に直結することを示した（論文投稿中）。⑥「防御における季節ゲーティングの実証と生態機能の解明」については、新たに繁殖期特異的に発現が上昇する揮発性化合物の生合成遺伝子の解析を進めている。これらにより、当初予定していた範囲を越えてクロマチン記憶の生態機能が理解されることが期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
クロマチン記憶における修飾間クロストークの役割を解明するために、東京大学ではエピゲノム形成に関与する因子の変異体を用いた解析を進める。東京理科大学の藤泰子氏を分担に加え、クロマチン記憶におけるエピジェネティックメカニズム解明を加速する。京都大学ではシロイヌナズナとハクサンハタザオを用いた温度ストレス・ウイルス感染実験に加え、自然集団での研究を実施する。次年度は最終年度のため、学術論文としての成果発表を加速し、予定を越えた進捗を達成する。計画①については、新規に同定したエンハンサー様領域からノンコーディングRNAの働きを解析する。計画②については、長期クロマチン記憶として働くH3K9me・H2Aバリアント・H2Aユビキチン化・DNAメチル化に影響する変異体に加え、一部の遺伝子で抑制的に働くH3K4me2と他の修飾とのクロストークを解明する。角谷グループが独自におこなうシロイヌナズナの時系列解析と工藤グループの自然環境下での結果とを統合して理解をすすめる。計画③については、温度ミミックペプチドをコードする遺伝子のプロモーター解析により絞られた転写因子と幅広い温度応答との関係を調べる。計画④については、ハクサンハタザオ自然集団―カブモザイクウイルス持続感染系において、感染によりH3K27me3の蓄積が変化する遺伝子を自然条件下で特定したので、実験条件下で再現し、環境要因との交互作用を明らかにする。計画⑤については、高温・低温耐性の季節変化に関するクロマチン記憶についてのデータが得られたので、解析を進める。温度が最も高い時期と低い時期に着目したHi-C解析を新たに実施する。計画⑥については、みどりの香り生合成遺伝子において温度依存的にH3K27me3蓄積・除去がなされており、植物が多数の段階からなる防御準備態勢をとることが明らかとなった。他の防御システムにおける一般性の評価を行う。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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