Chromatin potential underlying the cellular reprogramming triggered by DNA damage

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 19H05274
• 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: Utsunomiya University
• Principal Investigator: 玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: DNA損傷 / クロマチン / 幹細胞化 / エピゲノム / 生細胞イメージング / 補償光学 / ホログラフィー

Outline of Research at the Start

DNAの損傷は細胞の生存やゲノムの安定性に負の影響を及ぼす。しかしながら、我々は予期せぬことに、DNA損傷が分化細胞の幹細胞化を誘導しうることをヒメツリガネゴケにおいて発見した。そこで、DNA損傷が幹細胞化を誘導するメカニズムを解明することを本研究の目的とする。DNA損傷がクロマチンに影響を与え、その結果幹細胞化遺伝子を含む多数の遺伝子の発現が誘導されることで、幹細胞化が起こるという仮説を立て、それを確かめるために、DNA損傷誘導後のクロマチン動態を生細胞イメージングおよび分子生物学的手法によって解明する。

Outline of Annual Research Achievements

幹細胞化を誘導するためのDNA損傷によって細胞が死に、それが傷害刺激となって幹細胞化が誘導された可能性を完全に排除するために、死細胞の細胞核を標識する蛍光色素propidium iodideにて植物体を標識しながら、DNA損傷による幹細胞化の全過程を観察する系を構築した。この系を用いた観察の結果、DNA損傷による幹細胞化過程のほとんどの場合において細胞死は観察されなかった。このことから、細胞死に伴う傷害刺激によらず、DNA損傷が幹細胞化を誘導することを実証した。この結果をNature Plants誌に報告し、少なくとも83件のプレス報道（国内新聞9件、国内ウェブ新聞50件、国際ウェブ新聞21件、専門誌紹介3件）があった。また、DNA損傷によって幹細胞化する一部の葉細胞におけるエピゲノムを解明するためにはシングルセル解析が効果的である。ヒメツリガネゴケ葉のように個別の細胞が単離できない組織に対しては、多数の細胞核を単離して解析する単一細胞核解析が有効であることが近年報告されている。単一細胞核解析に向けたインタクトな細胞核の大量単離実験を進めた。
DNA損傷による幹細胞化の過程における定量深部細胞核イメージングを実現するため、光の乱れを計測し補正することで高解像深部観察を行う補償光学の研究を北見工業大学や国立天文台と共同で進めた。点光源がなくとも画像の相関によって光の乱れを計測する画像相関法を補償光学に適用し、さらに得られた画像についてストレール比などのパラメータを比較することで、蛍光像と明視野像の両方における高解像イメージングを実証し、論文にて発表した。また、神戸大学と共同で、3次元に分布する蛍光と位相の両方をシングルショットで計測するデジタルホログラフィーや、3枚の画像から計測する強度輸送方程式を用いたイメージングを生細胞観察に適用することに成功し、複数の論文にて発表した。

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] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine(中国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Experimental Botany(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Universitat Jaume I(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine(中国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Experimental Botany(チェコ)
• [Journal Article] Multi-physical parameter cross-sectional imaging of quantitative phase and fluorescence by integrated multimodal microscopy (2021)
  • Author(s): Sudheesh K Rajput, Osamu Matoba, Manoj Kumar, Xiangyu Quan, Yasuhiro Awatsuji, Yosuke Tamada, Enrique Tajahuerce
  • Journal Title: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Volume: in press
  • NAID: 120007038630
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multimodal microscopy: Fast acquisition of quantitative phase and fluorescence imaging in 3D space (2021)
  • Author(s): Xiangyu Quan, Manoj Kumar, Sudheesh K Rajput, Yosuke Tamada, Yasuhiro Awatsuji, Osamu Matoba
  • Journal Title: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Volume: 27 Issue: 4 Pages: 6800911-6800911
  • DOI: 10.1109/jstqe.2020.3038403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-shot common-path off-axis digital holography: applications inbioimaging and optical metrology [Invited] (2020)
  • Author(s): Kumar Manoj、Matoba Osamu、Quan Xiangyu、Rajput Sudheesh K.、Awatsuji Yasuhiro、Tamada Yosuke
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 60 Issue: 4 Pages: A195-A195
  • DOI: 10.1364/ao.404208
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Imaging performance of microscopy adaptive-optics system using scene-based wavefront sensing (2020)
  • Author(s): Ashida Yusuke、Honma Yusuke、Miura Noriaki、Shibuya Takatoshi、Kikuchi Hayao、Tamada Yosuke、Kamei Yasuhiro、Matsuda Atsushi、Hattori Masayuki
  • Journal Title: Journal of Biomedical Optics Volume: 25 Issue: 12 Pages: 123707-123707
  • DOI: 10.1117/1.jbo.25.12.123707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-shot common-path off-axis dual-wavelength digital holographic microscopy (2020)
  • Author(s): Manoj Kumar, Xiangyu Quan, Yasuhiro Awatsuji, Yosuke Tamada, Osamu Matoba
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 59 Issue: 24 Pages: 7144-7152
  • DOI: 10.1364/ao.395001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DNA damage triggers reprogramming of differentiated cells into stem cells in Physcomitrella (2020)
  • Author(s): Gu Nan、Tamada Yosuke、Imai Akihiro、Palfalvi Gergo、Kabeya Yukiko、Shigenobu Shuji、Ishikawa Masaki、Angelis Karel J.、Chen Chunli、Hasebe Mitsuyasu
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 6 Issue: 9 Pages: 1098-1105
  • DOI: 10.1038/s41477-020-0745-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 細胞壁によって固定された植物細胞における単一細胞解析 (2020)
  • Author(s): 玉田 洋介, 久保 稔
  • Journal Title: 細胞 Volume: 52 Pages: 777-780
• [Journal Article] ディジタルホログラフィ瞬時多次元イメージング (2020)
  • Author(s): 的場 修, Manoj Kumar, 全 香玉, 粟辻 安浩, 玉田 洋介
  • Journal Title: Optics design: 光設計研究グループ機関誌 Volume: 69 Pages: 28-34
• [Journal Article] ディジタルホログラフィ瞬時マルチモーダルイメージングとその応用 (2020)
  • Author(s): 的場 修, Manoj Kumar, 全 香玉, 粟辻 安浩, 玉田 洋介
  • Journal Title: 検査技術 Volume: 25 Pages: 21-26
  • NAID: 40022291308
• [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] Low-cost multi-modal microscope using Raspberry Pi (2020)
  • Author(s): Watanabe W, Maruyama R, Arimoto H, Tamada Y
  • Journal Title: Optik Volume: 212 Pages: 164713-164713
  • DOI: 10.1016/j.ijleo.2020.164713
  • Peer Reviewed
• [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] Functional and expressional analyses of apple FLC-like in relation to dormancy progress and flower bud development (2019)
  • Author(s): Nishiyama S, Matsushita MC, Yamane H, Honda C, Okada K, Tamada Y, Moriya S, Tao R
  • Journal Title: Tree Physiology Volume: tpz111 Issue: 4 Pages: 562-570
  • DOI: 10.1093/treephys/tpz111
  • NAID: 120007041694
  • Peer Reviewed
• [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] 空間光変調器を用いた生細胞イメージング (2019)
  • Author(s): 玉田 洋介、小倉 裕介、亀井 保博、服部 雅之
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 5 Pages: 188-192
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 組織深部の生細胞における超解像観察を可能にする補償光学 (2019)
  • Author(s): 玉田 洋介、三浦 則明、服部 雅之
  • Journal Title: 光アライアンス Volume: 8 Pages: 31-35
• [Presentation] 光渦を利用した高感度波面センシングの数値シミュレーション (2020)
  • Author(s): 須藤 星路, 村上 尚史, 早野 裕, 服部 雅之, 玉田 洋介, 秋山 毅志, 稲垣 滋
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2020
• [Presentation] 補償光学顕微鏡を用いた作物の生細胞イメージング (2020)
  • Author(s): 初見 洲人, 服部 雅之, 黒倉 健, 児玉 豊, 早野 裕, 山本 裕紹, 玉田 洋介
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2020
• [Presentation] サブ回折限界照明顕微法による三次元イメージングの検討 (2020)
  • Author(s): 山田 理己, 小倉 裕介, 西村 隆宏, 玉田 洋介, 村田 隆, 谷田 純
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2020
• [Presentation] 顕微鏡用AO用差分型波面センシングのための領域抽出処理の導入 (2020)
  • Author(s): 菊池 駿, 三浦 則明, 蘆田 悠輔, 澁谷 隆俊, 玉田 洋介, 松田 厚志, 服部 雅之
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2020
• [Presentation] オンリーワンの研究者を目指して (2020)
  • Author(s): 玉田 洋介
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] 天文技術補償光学を用いて生命の深部を生きたまま観察し操作する (2020)
  • Author(s): 玉田 洋介
  • Organizer: 第45回光学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Stable multimodal three-dimensional imaging (2020)
  • Author(s): Manoj Kumar, Osamu Matoba, Xiangyu Quan, Yosuke Tamada, Yasuhiro Awatsuji
  • Organizer: 3D Image Acquisition and Display: Technology, Perception and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement of signal-to-noise ratio in super resolution imaging using subdiffraction limited spots by additional digital signal processing (2020)
  • Author(s): Riki Yamada, Yusuke Ogura, Takahiro Nishimura, Yosuke Tamada, Takashi Murata, Jun Tanida
  • Organizer: Biomedical Imaging and Sensing Conference 2020（コロナウイルス感染症拡大防止のため予稿発表を持って口頭発表と代えることとなった）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Live-cell imaging to illuminate the mechanism underlying high stem-cell formation ability in plants (2020)
  • Author(s): Yosuke Tamada
  • Organizer: Biomedical Imaging and Sensing Conference 2020（コロナウイルス感染症拡大防止のため予稿発表を持って口頭発表と代えることとなった）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生体深部の超解像観察へ：生細胞による光の乱れを補正する補償光学顕微鏡 (2020)
  • Author(s): 玉田 洋介, 三浦 則明, 服部 雅之
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第76回学術講演会（紙上開催）
  • Invited
• [Presentation] Non-interferometric 3D fluorescence imaging for bio-applications (2020)
  • Author(s): Osamu Matoba, Sudheesh K. Rajput, Manoj Kumar, Xiangyu Quan, Yosuke Tamada, Yasuhiro Awatsuji, Enrique Tajahuerce
  • Organizer: SPIE Defense + Commercial Sensing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生細胞蛍光イメージングにおける光の乱れの理解とその克服 (2020)
  • Author(s): 玉田洋介
  • Organizer: 第67回応用物理学会春期学術講演会
  • Invited
• [Presentation] レーザーガイド補償光学による生細胞深部イメージング (2020)
  • Author(s): 玉田洋介、三浦則明、服部雅之
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
  • Invited
• [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] 宇都宮大学 オプティクス教育研究センター (CORE)
  • URL: https://uu-core.com/
• [Remarks] 宇都宮大学 ロボティクス・工農技術研究所 (REAL)
  • URL: https://ja-jp.facebook.com/REAL.Utsunomiya/
• [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