Role of chromatin state in the reconstruction of cellular memory in plants

• Project Area: Integrative system of autonomous environmental signal recognition and memorization for plant plasticity
• Project/Area Number: 18H04790
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Utsunomiya University (2019); National Institute for Basic Biology (2018)
• Principal Investigator: 玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2018: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: クロマチンステート / 細胞記憶 / ヒストンバリアント / クロマチン構造 / 植物 / 植物細胞

Outline of Annual Research Achievements

1) H3.3およびそのシャペロンHIRAの自律分散型記憶に対する機能の解明
これまでに、H3.3およびHIRAが、H3K27me3を介して遺伝子発現を制御すること、また分化葉細胞の幹細胞化など細胞記憶の書き換えが必要な2つの異なる現象に機能することを明らかにしていた。細胞記憶の書き換えが必要な別の現象であるプロトプラストからの原糸体幹細胞形成について、hira遺伝子欠失株の表現型を観察した結果、野生型と比較してhira欠失株では原糸体幹細胞形成の割合が大幅に減少することを明らかにした。このことから、H3.3およびHIRAは細胞記憶の書き換えに機能するという仮説がさらに裏付けられた。
2) H3.3の下流に存在して細胞記憶制御を担う分子の同定
H3.3およびHIRAによりH3K27me3を介して抑制される因子の一つとして同定した転写因子SBPについて、分化葉細胞からの幹細胞化に加えて、茎頂部分の茎細胞、造精器、造卵器の成熟にともなう細胞伸長に機能することを明らかにしていた。SBPの下流遺伝子を同定するため、これらの組織を用いて野生株とSBP遺伝子四重欠失株のトランスクリプトーム比較を行った。その結果、Tubulin遺伝子が共通に発現変動する因子として得られた。このTubulin遺伝子の過剰発現株においては、分化葉細胞からの幹細胞化が著しく抑制されたことから、少なくとも幹細胞化に関するSBPの下流遺伝子はTubulinであることが分かった。
3) H3.3局在を解明する新規イメージング法の確立
H3.3-YFP株は細胞核における蛍光が特に強く、H3.3の局在観察だけでなく新規イメージング法の確立にも有用であることがわかった。この株を用いて、1枚の2次元画像から3次元情報を再生するディジタルホログラフィーを顕微鏡に適用した新規イメージング法を確立し、組織におけるH3.3-YFPの3次元局在を解明することに成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Freiburg/Helmholtz Center Munich/University Wuerzburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Freiburg/Helmholtz Center Munich(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural University(中国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Experimental Botany(チェコ)
• [Journal Article] Genomes of the Venus Flytrap and close relatives unveil the roots of plant carnivory (2020)
  • Author(s): Palfalvi G, Hackl T, Terhoeven N, Shibata TF, Nishiyama T, Ankenbrand M, Becker D, Foerster F, Freund M, Iosip A, Kreuzer I, Saul F, Kamida C, Fukushima K, Shigenobu S, Tamada Y, Adamec L, Hoshi Y, Ueda K, Winkelmann T, Fuchs J, Schubert I, Schwacke R, Al-Rasheid K, Schultz J, Hasebe M, Hedrich R
  • Journal Title: Current Biology Volume: in press Issue: 12 Pages: 2312-2320
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.051
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Digital holographic multimodal cross-sectional fluorescence and quantitative phase imaging system (2020)
  • Author(s): Kumar M, Quan X, Awatsuji Y, Tamada Y, Matoba O
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 7580-7580
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64028-x
  • NAID: 120006882492
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Common-path multimodal three-dimensional fluorescence and phase imaging system (2020)
  • Author(s): Kumar M, Quan X, Awatsuji Y, Cheng C, Hasebe M, Tamada Y, Matoba O
  • Journal Title: Journal of Biomedical Optics Volume: 25 Issue: 03 Pages: 032010-032010
  • DOI: 10.1117/1.jbo.25.3.032010
  • NAID: 120007017120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Physcomitrella STEMIN transcription factor induces stem cell formation with epigenetic reprogramming (2019)
  • Author(s): Masaki Ishikawa, Mio Morishita, Yohei Higuchi, Shunsuke Ichikawa, Takaaki Ishikawa, Tomoaki Nishiyama, Yukiko Kabeya, Yukiko, Yuji Hiwatashi, Tetsuya Kurata, Minoru Kubo, Shuji Shigenobu, Yosuke Tamada, Sato Yoshikatsu, Mitsuyasu Hasebe
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Issue: 7 Pages: 681-690
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0464-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-cell transcriptome analysis of Physcomitrella leaf cells during reprogramming using microcapillary manipulation (2019)
  • Author(s): Minoru Kubo, Tomoaki Nishiyama, Yosuke Tamada, Ryosuke Sano, Masaki Ishikawa, Takashi Murata, Akihiro Imai, Daniel Lang, Taku Demura, Ralf Reski, Mitsuyasu Hasebe
  • Journal Title: Nucleic Acid Research Volume: in press Issue: 9 Pages: 4539-4553
  • DOI: 10.1093/nar/gkz181
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of histone H3.3 chaperone HIRA in cellular memory of Physcomitrella patens (2019)
  • Author(s): Tamada Y, Cheng C, Kabeya Y, Hasebe M
  • Organizer: Frontiers in plant environmental response research: local signaling, long-distance communication and memory for developmental plasticity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seeking for fundamental role of H3K27me3 and H3.3 in land plants (2019)
  • Author(s): Tamada Y
  • Organizer: The 3rd meeting of the Plant Epigenetics Consortium in Japan
  • Invited
• [Presentation] Role of the histone variant in the regulation of cellular memory (2019)
  • Author(s): Yosuke Tamada
  • Organizer: International Symposium “How to inherit and rewrite cellular memory in plants” at The 60th Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA damage induces cellular reprogramming of differentiated cells to stem cells in the moss Physcomitrella patens (2018)
  • Author(s): Nan Gu, Yosuke Tamada, Akihiro Imai, Gergo Palfalvi, Shuji Shigenobu, Masaki Ishikawa, Chunli Chen, Mitsuyasu Hasebe
  • Organizer: International Symposium “Genome Maintenance Strategies of Plants: Secret to Long Life” at The 90th Annual Meeting of the Genetic Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒメツリガネゴケにおけるヒストンバリアントH3.3とH3.3シャペロンHIRAの機能解析 (2018)
  • Author(s): 玉田 洋介、程 朝陽、壁谷 幸子、西山 智明、長谷部 光泰
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] ヒストンH3.3シャペロンHIRAはヒストン修飾の制御を介して幹細胞化を促進する (2018)
  • Author(s): 玉田 洋介、壁谷 幸子、長谷部 光泰
  • Organizer: 第１回再生学異分野融合研究会
• [Remarks] 宇都宮大学 地域創生科学研究科 光工学プログラム
  • URL: https://www.utsunomiya-u.ac.jp/grdc/agricultural/light_engineering.html
• [Remarks] 宇都宮大学 工学部 物質環境化学コース
  • URL: http://www.eng.utsunomiya-u.ac.jp/course/material-and-environmental-chemistry-course/
• [Remarks] 日本光学会 研究グループ
  • URL: http://myosj.or.jp/group/
• [Remarks] 植物科学の最前線（BSJ-Review）「生命科学の次なるパラダイムシフトに向かって」
  • URL: https://bsj.or.jp/jpn/general/bsj-review-10th/BSJ-review_10th_Tamada.pdf
• [Remarks] 基礎生物学研究所 ウェブサイト（生物進化研究部門）
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/sections/evolutionary_biology_and_biodiversity/hasebe/
• [Remarks] 基礎生物学研究所 生物進化研究部門 ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/
• [Remarks] レーザー学会学術講演会第39回年次大会 プログラム委員
  • URL: https://lsj-nenkai.net/comittiee/program_exective/
• [Remarks] The 5th Biomedical Imaging and Sensing Conference
  • URL: https://spie.org/TSL/conferencedetails/biomedical-imaging-and-sensing-conference
• [Funded Workshop] International Symposium “How to inherit and rewrite cellular memory in plants” at The 60th Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists (2019)