Verifying the hypothesis of chromatin platform construction by boron in plants

Research Project

Project/Area Number	23K17997
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
Research Institution	Kanagawa University
Principal Investigator	坂本卓也神奈川大学, 理学部, 准教授 (40637691)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	浦口晋平北里大学, 薬学部, 講師 (20638837) 三輪京子北海道大学, 地球環境科学研究院, 准教授 (50570587)
Project Period (FY)	2023-06-30 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000) Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywords	ホウ素 / ヒストンアセチル化 / mintbody
Outline of Research at the Start	ホウ素（ホウ酸）にはin vitroでヒストン脱アセチル化酵素の阻害活性があり、植物組織においては、毒性レベルの過剰量のホウ素にヒストンアセチル化の亢進作用があることが見出されている。しかし、ホウ素によるヒストンアセチル化作用が植物の正常な生育において何らかの役割を持つのかは不明である。申請者は、植物の根組織におけるホウ素の分布とヒストンアセチル化レベルの類似性に着目し、ホウ素が各組織に適切な遺伝子発現制御をもたらすクロマチンプラットフォームの構築に寄与するとの仮説を立てた。本研究では、この仮説の検証を通じて、ホウ素の新たな生理機能の提唱に挑戦する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、植物の必須栄養元素である「ホウ素」が示すヒストンアセチル化の亢進作用に着目し、「ホウ素が各組織に適切な遺伝子発現制御をもたらすクロマチンプラットフォームの構築に寄与する」という仮説を検証する。そのために、①細胞および組織レベルでの細胞内ホウ素濃度とヒストンアセチル化レベルとの因果関係と、②各組織の発生・分化などに関与する遺伝子発現制御に、ホウ素によるヒストンアセチル化作用が直接的に寄与する可能性について検証する。初年度は、①に関連して比較的性質が均一なシロイヌナズナ培養細胞を用いて検証を行った。その結果、新たな知見として、ホウ素によるヒストンのアセチル化亢進作用には特異性があり、ヒストンの中でも特にヒストンH3のアセチル化に作用することが明らかとなった。また、組織レベルでの解析のために、ヒストンH3K9のアセチル化を検出するライブイメージングツールmintbodyの確立を試みた。現状では、シロイヌナズナの細胞内で、このmintbodyがヒストンアセチル化レベルの変化に応答することが確認されている。今後は、シロイヌナズナ培養細胞およびシロイヌナズナのmintbody発現個体を用いて、より詳細に細胞内ホウ素濃度とヒストンアセチル化レベルとの因果関係について検証していく。また、②に関連して、未分化状態からの発生・分化過程を追跡可能な植物の組織培養によるシュート再生系を用いて、発生・分化に必須なヒストンアセチル化にホウ素が寄与するかどうかの検証も行った。その結果、特定のホウ素濃度条件では、再生が促進される可能性が見出された。今後は、このときのゲノムワイドなヒストンアセチル化や遺伝子発現の状態も含めて、より詳細に、発生・分化に及ぼすホウ素の影響を検証していく。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 培養細胞や植物個体を生育する研究環境の構築に予想以上の時間がかかったことと、培養・栽培に用いる装置の故障があったことで、全体的に研究の進捗が遅れている。
Strategy for Future Research Activity	培養細胞においても、ホウ素投与によるヒストンアセチル化レベルの増加が観察されたことから、クロマチン免疫沈降シーケンス法を用いて、ホウ素投与によるヒストンアセチル化レベルの変化をゲノムワイドかつ詳細に解析する。同時に、ホウ素投与による遺伝子発現の変化をRNA-seq法で、そして細胞内ホウ素濃度を質量分析法で解析する。これにより、細胞レベルでのホウ素濃度とヒストンアセチル化レベル、及び遺伝子発現との関係性をゲノムワイドに検証する。また、シロイヌナズナの組織レベルでの解析も、ライブイメージングツールを利用して行う。mintbodyがヒストンアセチル化の解析に利用できる可能性が示唆されており、ホウ素投与後の根端組織における各細胞のヒストンアセチル化レベルを解析する。同時に、細胞内ホウ素濃度センサーを用いた組織内の各細胞のホウ素濃度の解析も試みる。また、組織培養によるシュート再生系において、シュート再生効率に与えるホウ素の影響をより詳細に解析する。具体的には、シュート再生に関与する遺伝子の、ホウ素投与による発現量やヒストンアセチル化レベルの解析を行う。