従来の想定に無かった全く新しい茎頂幹細胞維持機構と多能性獲得機構の研究

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 20H04883
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 打田 直行 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 教授 (40467692)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 幹細胞 / 低分子化合物 / 分化多能性 / 化合物

Outline of Research at the Start

多くの植物の地上部の全てを生み出す源は、茎の先端に位置する茎頂分裂組織の内部に一生を通じて多能性を持ったまま維持される茎頂幹細胞である。この茎頂幹細胞は、植物の永続的で旺盛な生命力の根源の大きな１つとして、植物研究者の興味を魅き続けてきた。本提案では、この茎頂幹細胞の「維持」と「多能性の獲得」のそれぞれの仕組みに関して、遺伝学とケミカルバイオロジーに基づく独自の知見を踏まえて、従来の想定になかった全く新しい観点の提唱と理解を目的とした研究を実施する。

Outline of Annual Research Achievements

植物の組織や器官を生み出す源は、植物体内で分化多能性を持ったまま維持される幹細胞である。一方で、この多能性幹細胞は傷害や外部からの植物ホルモン類の添加によって既存の分化済み組織から新たに生じることも知られている。そこで、本研究では、その分化多能性幹細胞を含む新生組織であるカルスを人為的に作り出す手法として従来から用いられてきたホルモン類の添加を行わずとも、単に植物体に添加するだけで分化多能性細胞塊を生み出す独自化合物（9D）を用いて、分化多能性獲得の新たな分子機構を開拓することを目指してきた。今年度に9Dの作用機序に関する解析をさらに進めた結果、9Dの添加で形成される細胞塊には、地上部・地下部・維管束のそれぞれの幹細胞のマーカー遺伝子が同時に発現することを見出した。この9D添加で生まれる細胞塊は、地上部再生用の高濃度のサイトカイニンを含む培地に移植すると地上部を再生した。また、9Dは、オーキシンアゴニストとしての直接的なオーキシン作用は持たないものの、「ゆっくりと」オーキシン応答を引き起こすことを見出した。オーキシンの生合成やシグナル伝達に関わる変異体や阻害剤を用いた実験の結果、このゆっくりと生じるオーキシン応答の誘導は内生のオーキシンによるシグナル伝達を介していることがわかった。さらに、9Dの添加直後のサンプルを用いたRNA-seq解析から、9Dの作用にはストレス応答に関わるタンパク質の働きが関わっていることが示唆され、実際にそのタンパク質の働きを阻害すると、9Dによるゆっくりとしたオーキシン応答も分化多能性細胞塊の形成も起こらなかった。

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] テキサス 大学(米国)
• [Int'l Joint Research] テキサス大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ハインリッヒハイリ大学(ドイツ)
• [Journal Article] A peptide pair coordinates regular ovule initiation patterns with seed number and fruit size. (2020)
  • Author(s): Kawamoto N, Pino Del Carpio D, Hofmann A, Mizuta Y, Kurihara D, Higashiyama T, Uchida N, Torii KU, Colombo L, Groth G, Simon R
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 30 Issue: 22 Pages: 4352-4361
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.08.050
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Induction of Multichotomous Branching by CLAVATA Peptide in Marchantia polymorpha (2020)
  • Author(s): Hirakawa Yuki、Fujimoto Toko、Ishida Sakiko、Uchida Naoyuki、Sawa Shinichiro、Kiyosue Tomohiro、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Bowman John L.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 30 Issue: 19 Pages: 3833-3840
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.07.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A super-sensitive auxin-inducible degron system with an engineered auxin-TIR1 pair. (2020)
  • Author(s): Kohei Nishimura , Ryotaro Yamada , Shinya Hagihara , Rie Iwasaki , Naoyuki Uchida , Takumi Kamura , Koji Takahashi , Keiko U Torii , Tatsuo Fukagawa
  • Journal Title: Nucleic acids research Volume: 48 Issue: 18 Pages: e108-e108
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa748
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Manipulation of plant hormone responses and its application to rapid depletion of target proteins in animal cells (2020)
  • Author(s): Uchida N
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 シンポジウム「Accelerating life sciences and drug discovery through whole-animal chemical biology」