発現量揺らぎ－適応系により探索する発現変動の適応－進化への影響

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 20H04870
• 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: Okayama University
• Principal Investigator: 守屋 央朗 岡山大学, 環境生命科学学域, 准教授 (60500808)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 酵母 / 過剰発現 / 適応 / 揺らぎ / 制約 / ストレス環境 / 適応進化

Outline of Research at the Start

細胞内のタンパク質には、発現量の変動が適応度に強い影響を与えるものと、発現量を多少変動させても適応度に影響を与えないものがある。本研究では、申請者らが開発した発現量揺らぎ－適応をハイスループット化させた実験系により、発現量の制約は環境により変わるのか、発現量揺らぎは適応－進化に寄与するのか、発現変動による適応はどのようなメカニズムにより達成されるのかを追求する。

Outline of Annual Research Achievements

生体は自身の遺伝子を使い環境の変化に対応しつつ生命活動を維持している。短期間の環境変動－環境ストレスには自身の遺伝子セットを使って細胞内環境を適応させるが、長期にわたるシビアな環境ストレスが継続すると、遺伝子構造を変化させて（進化して）適応することもある。しかし、どのような遺伝子がこの進化適応を起こしやすいのか／起こしにくいのかはほとんど分かっていない。

本研究は出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）を真核細胞のモデルとして、発現量揺らぎ－適応系（ADOPT：Autonomous Dosage Optimization using Plasmid with Two-micron origine）を独自に開発し、出芽酵母の持つ6000の遺伝子の発現量を自由に変化させられるシステムを構築し、どのような性質をもつ遺伝子の発現変動が進化適応に寄与するのかを調査することを目的とした。特に、強いストレス環境下で適応的に働く遺伝子の同定を主たる目的とした。

これまでの４年間の研究によりADOPT系が完成し、最大1ヶ月以内に100検体以上を調査可能なハイスループットな実験系にすることができた。多数のストレス環境において発現量変動が適応的に働く遺伝子（GOFA：Gene whose Overexpression is Functionally Adaptive）を取得したところ、これらの多くは細胞の根幹的機能に関わるものではなく環境との相互作用に関わる遺伝子群であった。またGOFAの機能はストレスに対応するのに必要ではあり自然界では存在するが、実験室環境では欠損している要素と強く関連することがわかった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)
• [Journal Article] Massive expression of cysteine-containing proteins causes abnormal elongation of yeast cells by perturbing the proteasome (2022)
  • Author(s): Namba Shotaro、Kato Hisaaki、Shigenobu Shuji、Makino Takashi、Moriya Hisao
  • Journal Title: G3 Genes|Genomes|Genetics Volume: - Issue: 6
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkac106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of uncharacterized proteins potentially localized to mitochondria (UPMs) in <scp> <i>Saccharomyces cerevisiae</i> </scp> using a fluorescent protein unstable in the cytoplasm (2021)
  • Author(s): Horiuchi Satoshi、Namba Shotaro、Saeki Nozomu、Satoh Ayano、Moriya Hisao
  • Journal Title: Yeast Volume: 39 Issue: 5 Pages: 303-311
  • DOI: 10.1002/yea.3685
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparative gene analysis focused on silica cell wall formation: Identification of diatom-specific SET domain protein methyltransferases (2020)
  • Author(s): Nemoto, M., Iwaki, S., Moriya, H., Monden, Y., Tamura, T., Inagaki, K., Mayama, S. and Obuse K.
  • Journal Title: Marine Biotechnology Volume: － Issue: 4 Pages: 551-563
  • DOI: 10.1007/s10126-020-09976-1
  • NAID: 120007045009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] N-terminal deletion of Swi3 created by the deletion of a dubious ORF YJL175W mitigates protein burden effect in S. cerevisiae (2020)
  • Author(s): Saeki Nozomu、Eguchi Yuichi、Kintaka Reiko、Makanae Koji、Shichino Yuichi、Iwasaki Shintaro、Kanno Manabu、Kimura Nobutada、Moriya Hisao
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 9500-9500
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66307-z
  • NAID: 120006883501
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploring the Complexity of Protein-Level Dosage Compensation that Fine-Tunes Stoichiometry of Multiprotein Complexes (2020)
  • Author(s): Ishikawa Koji、Ishihara Akari、Moriya Hisao
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 16 Issue: 10 Pages: e1009091-e1009091
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1009091
  • NAID: 120006937515
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic profiling of protein burden and nuclear export overload. (2020)
  • Author(s): Kintaka R, Makanae K, Namba S, Kato H, Kito K, Ohnuki S, Ohya Y, Andrews BJ, Boone C, Moriya H.
  • Journal Title: Elife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.54080
  • NAID: 120006941058
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 過剰発現が適応的に働く遺伝子の体系的同定 (2020)
  • Author(s): 守屋央朗、佐伯望
  • Organizer: 日本進化学会第22回オンライン大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] システインを含むタンパク質の過剰発現は出芽酵母の形態異常をもたらす (2020)
  • Author(s): 加藤寿明、守屋央朗
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第53回研究報告会
• [Presentation] 多コピー化が高塩ストレス下で適応的にはたらく遺伝子の体系的探索 (2020)
  • Author(s): 佐伯望、守屋央朗
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第53回研究報告会
• [Presentation] 3XGFPの過剰発現が引き起こす増殖阻害現象 (2020)
  • Author(s): 難波匠太郎、金高令子、守屋央朗
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第53回研究報告会
• [Presentation] 高塩ストレス下で多コピー化が適応的に機能する出芽酵母遺伝子の体系的探索 (2020)
  • Author(s): 佐伯望、守屋央朗
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 出芽酵母のデノボ遺伝子の機能解析 (2020)
  • Author(s): 守屋央朗
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 岡山大学異分野融合先端研究コア・システム細胞学研究室
  • URL: https://tenure5.vbl.okayama-u.ac.jp/HMlab/
• [Remarks] 酵母とシステムバイオロジー（ブログ）
  • URL: https://tenure5.vbl.okayama-u.ac.jp/HM_blog/