Harnessing the uniparental inheritance of chloroplasts

• Project Area: Determining the principles of the birth of new plant species: molecular elucidation of the lock-and-key systems in sexual reproduction
• Project/Area Number: 19H04861
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000); Fiscal Year 2020: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 葉緑体DNA / 母性遺伝 / 有性生殖 / 緑藻 / 葉緑体ゲノム / ミトコンドリアゲノム

Outline of Research at the Start

母性遺伝とは、葉緑体やミトコンドリアが持つ独自のDNA(cp/mtDNA)が母親のみから子孫に伝えられる現象のことであり、ヒトを含む動物から菌類、藻類、植物に至る幅広い生物種において普遍的に観察される。本研究では、これまで看過されてきたcp/mtDNA-タンパク質複合体（cp/mtヌクレオイド）の母性遺伝における役割に注目する。Cp/mtヌクレオイドは、葉緑体やミトコンドリアの染色体ともいうべき構造体で、DNA複製、修復、転写、翻訳の要であるとされる。我々は、母性遺伝におけるCpヌクレオイド遺伝子の詳細な役割を追跡することで、母性遺伝の分子機構の根幹に迫ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

生殖をめぐる多様な現象群の一つに「母性遺伝」がある。母性遺伝とは、葉緑体(cp)やミトコンドリア(mt)が持つ独自のDNA (cp/mtDNA)が母親のみから子孫に伝えられる現象のことであり、多くの場合、雌雄のcp/mtDNAのうち片方のみを排除することで実現するが、そのメカニズムをめぐる議論は未だ決着していない。母性遺伝を含む緑藻クラミドモナスの生殖プログラムは雌雄の配偶子それぞれがもつ転写因子(GSP1-GSM1)が、鍵と鍵穴のようにヘテロ二量体を形成することで開始される。GSP1-GSM1制御下にある遺伝子群の中で、我々は葉緑体核様体タンパク質RecAに注目した。RecAはDNA相同組換えに関わるタンパク質であり、ssDNAに結合して鎖侵入を促進する。RECA欠損株に葉緑体DNAのマーカーを導入し母性遺伝を解析したところ、とくにRECA欠損株を雌として接合させた場合にleakyな父性遺伝が確認された。接合直後の接合子における雄葉緑体核様体の消失はほぼ正常に観察されたことから、雌葉緑体核様体の保護、および雄葉緑体核様体の破壊にRecAが関与する可能性は低い。一方、接合胞子の減数分裂における雌雄のcpDNAの挙動を性特異的qPCR解析により追跡したところ、野生株で観察される雌cpDNAの特異的増幅が、RECA欠損株では観察されなかった。葉緑体において相同組換えは、DNA複製開始機構としても重要と考えられており、RecAを介した相同組換えを起点とする雌cpDNAの優先的複製により、母性遺伝が保障されている可能性が示唆された。また、担子菌類クリプトコッカスをもちいたmtDNA片親遺伝の解析では、片親mtDNAの選択的分解の後、DNAを失ったミトコンドリアがオートファジーにより除去されることが明らかになった（Nishimura et al., Sci. Rep 2020)。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロックフェラー大学/デューク大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Journal Article] HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG-box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in <i>Chlamydomonas reinhardtii</i> (2021)
  • Author(s): Takusagawa Mari、Kobayashi Yusuke、Fukao Yoichiro、Hidaka Kumi、Endo Masayuki、Sugiyama Hiroshi、Hamaji Takashi、Kato Yoshinobu、Miyakawa Isamu、Misumi Osami、Shikanai Toshiharu、Nishimura Yoshiki
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 20 Pages: 463-475
  • DOI: 10.1073/pnas.2021053118
  • NAID: 120007035840
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The pentatricopeptide repeat protein PGR3 is required for the translation of petL and ndhG by binding their 5'UTRs. (2021)
  • Author(s): Higashi, H., Kato, Y., Fujita, T., Iwasaki, S., Nakamura, M., Nishimura, Y., Takenaka, M., Shikanai, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol in press Volume: -
• [Journal Article] HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii. (2021)
  • Author(s): Takusagawa, M., Kobayashi, Y., Fukao, Y., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H., Hamaji, T., Kato, Y., Miyakawa, I., Misumi, O., Shikanai, T., Nishimura, Y.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: -
  • NAID: 120007035840
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] マイクロ流体デバイスが捉えた葉緑体核様体分裂の瞬間 (2021)
  • Author(s): 上村嘉誉、西村芳樹
  • Journal Title: Plant Morphology Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 色素体核様体の構造と分裂機構 (2021)
  • Author(s): 西村芳樹、田草川真理
  • Journal Title: BSJ review Volume: 12 Pages: 1-10
• [Journal Article] Three genomes in the algal genus Volvox reveal the fate of a haploid sex-determining region after a transition to homothallism (2021)
  • Author(s): Yamamoto, K., Hamaji, T., Kawai-Toyooka, H., Matsuzaki, R., Takahashi, F., Nishimura, Y., Kawachi, M., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Umen, J.G., Toyoda, A., Nozaki, H.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: -
• [Journal Article] Step-wise elimination of α-mitochondrial nucleoids and mitochondrial structure as a basis for the strict uniparental inheritance in Cryptococcus neoformans (2020)
  • Author(s): Nishimura Yoshiki、Shikanai Toshiharu、Kawamoto Susumu、Toh-e Akio
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2468-2468
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59277-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic Motion of Chloroplast Nucleoids Captured by the Microfluidic System (2020)
  • Author(s): Kamimura Yoshitaka、Kobayashi Yusuke、Nishimura Yoshiki
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 85 Issue: 3 Pages: 177-178
  • DOI: 10.1508/cytologia.85.177
  • NAID: 130007907372
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Holliday Junction Resolvase MOC1 Maintains Plastid and Mitochondrial Genome Integrity in Algae and Bryophytes (2020)
  • Author(s): Kobayashi Yusuke、Odahara Masaki、Sekine Yasuhiko、Hamaji Takashi、Fujiwara Sumire、Nishimura Yoshiki、Miyagishima Shin-ya
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 184 Issue: 4 Pages: 1870-1883
  • DOI: 10.1104/pp.20.00763
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A non-photosynthetic green alga illuminates the reductive evolution of plastid electron transport systems (2020)
  • Author(s): Kayama Motoki、Chen Jun-Feng、Nakada Takashi、Nishimura Yoshiki、Shikanai Toshiharu、Azuma Tomonori、Miyashita Hideaki、Takaichi Shinichi、Kashiyama Yuichiro、Kamikawa Ryoma
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1186/s12915-020-00853-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 葉緑体核様体のダイナミクスを司るもの (2020)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: シンポジウム「葉緑体学事始 ～植物研究が開拓する「細胞とオルガネラの間」の新境地をめざして～」日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] マイクロ流体デバイスで捉えた葉緑体核様体のダイナミズム (2020)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: シンポジウム「異分野融合が推進するイメージング研究」 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] 核様体の膜アンカーは葉緑体分化時の核様体の分散に必要である (2020)
  • Author(s): 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 葉緑体核様体分裂のダイナミズムを捉える (2020)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: 第４３回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体がもつ「染色体」のダイナミズム (2020)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: 名古屋大学 GTRオンライン植物科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体核様体にみられる光応答反応 ～光分散・暗集合反応～ (2020)
  • Author(s): 石原静圭、坂下幸汰、石田悠介、木森義隆、西村芳樹、小林優介、西村いくこ、岩渕功誠
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Anchoring of nucleoids to the thylakoid membrane is essential for distribution of plastid DNA during chloroplast development. (2020)
  • Author(s): Sho Fujii, Toshiharu Shikanai, Yoshiki Nishimura.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Chloroplast DNA ligase controls the shape of chloroplast nucleoids through the modulation fo DNA supercoils. (2020)
  • Author(s): Nishimura, Y., Hamaji, T., Kobayashi, Y., Takusagawa, M., Shikanai, T.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体核様体の伝達戦略 (2020)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: 第14回クラミドモナス研究会
  • Invited
• [Remarks] 京都大学大学院理学研究科 植物分子遺伝学研究室／西村グループ
• [Remarks] https://sites.google.com/view/shikanailab/
• [Remarks] 植物分子遺伝学研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/shikanailab/research/nishimura-group