傷害に応答した幹細胞新生におけるヒストン修飾変化の作動原理

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 20H04892
• 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: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 石川 雅樹 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (00586894)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: ヒメツリガネゴケ / 転写因子 / ヒストン修飾 / DNA損傷 / 幹細胞 / リプログラミング / DNA修復 / オーキシン / DNA損傷・修復

Outline of Research at the Start

陸上植物は、傷害刺激に応答して分化細胞から幹細胞を新生させ、新しい器官や個体を再生させることがある。しかしながら、どのようにして傷害刺激が分化状態を維持しているクロマチン修飾を変化させ幹細胞を新生させるのか、その分子機構は謎である。ヒメツリガネゴケのSTEMIN1転写因子は、傷害刺激に応答して発現するだけでなく、人為的に発現させるだけで葉細胞を幹細胞へと変化させる。本研究では、傷害刺激によるSTEMIN1遺伝子の発現制御、および、STEMIN1によるクロマチン修飾変化を引き起こす分子機構を明らかにすることで、傷害誘導性の幹細胞新生におけるクロマチン修飾変化を作動させる分子基盤の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

ヒメツリガネゴケのSTEMIN1転写因子は傷害刺激に応答して発現し、葉細胞を幹細胞化させる。本研究では傷害によるSTEMIN1遺伝子発現制御機構、およびSTEMIN1によるクロマチン修飾変化を作動させる分子機構を明らかにするため、本年度では以下の研究を行なった。
（１）DNA塩基除去修復に関わるXRCC1遺伝子を欠失させると、STEMIN1発現誘導による幹細胞化が有意に遅れる。そこでDNA修復とクロマチン修飾の関係を調べるため、XRCC1遺伝子を欠失させたSTEMIN1発現誘導株を使ったChIP-seqおよびRNA-seq解析を計画した。その予備実験として、STEMIN1標的遺伝子の一つCYCD遺伝子のH3K27me3修飾レベルとその遺伝子発現レベルの変化ついて調べたところ、想定に反して、野生型にSTEMIN1を発現誘導したときの転写抑制に機能するヒストンH3（H3K27me3）修飾レベル、遺伝子発現レベルの変化に違いがなかった。そこで、STEMIN1による幹細胞化の機能解析に焦点をあてるため、(3)の実験に集中した。
（２）改良したR2D2オーキシンセンサーラインを用いて、ヒメツリガネゴケの切断葉のオーキシンレベル変化を調べたところ、幹細胞化する細胞でオーキシンレベルが一過的に減少し、原糸体細胞になると、そのレベルが回復することが分かった。
（３）STEMIN1転写因子は、直接の標的遺伝子上にあるH3K27me3修飾を細胞分裂前に減少させ、これらの遺伝子発現を誘導し、分化細胞から幹細胞へと変化させる。そこで、STEMIN1と結合する因子を近位ビオチン化ラベル法を用いて探索したところ、複数のヒストン修飾変化を制御する因子の同定に成功した。今後、これらの因子とSTEMIN1の関係を明らかにすることで、幹細胞化におけるH3K27me3修飾変化の分子機構解明に繋がることが期待される。

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] Univ.of Copenhagen(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural Univ.(中国)
• [Int'l Joint Research] Acad. Sci. of Czech Republic(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural Univ.(中国)
• [Int'l Joint Research] Acad. Sci. of Czech Republic(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Univ. of Copenhagen(デンマーク)
• [Journal Article] A PSTAIRE-type cyclin-dependent kinase controls light responses in land plants (2022)
  • Author(s): Bao Liang、Inoue Natsumi、Ishikawa Masaki、Gotoh Eiji、Teh Ooi-Kock、Higa Takeshi、Morimoto Tomoro、Ginanjar Eggie Febrianto、Harashima Hirofumi、Noda Natsumi、Watahiki Masaaki、Hiwatashi Yuji、Sekine Masami、Hasebe Mitsuyasu、Wada Masamitsu、Fujita Tomomichi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 4 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1126/sciadv.abk2116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular mechanisms of reprogramming of differentiated cells into stem cells in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • Author(s): Ishikawa Masaki、Hasebe Mitsuyasu
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 65 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2021.102123
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Overexpression of ATG8/LC3 enhances wound-induced somatic reprogramming in Physcomitrium patens (2021)
  • Author(s): Kanne Jakob V.、Ishikawa Masaki、Bressendorff Simon、Ansbol Jeppe、Hasebe Mitsuyasu、Rodriguez Eleazar、Petersen Morten
  • Journal Title: Autophagy Volume: Online ahead of print Issue: 6 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1975913
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plant stem cell research is uncovering the secrets of longevity and persistent growth (2021)
  • Author(s): Umeda Masaaki、Ikeuchi Momoko、Ishikawa Masaki、Ito Toshiro、Nishihama Ryuichi、Kyozuka Junko、Torii Keiko U.、Satake Akiko、Goshima Gohta、Sakakibara Hitoshi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: Online ahead of print Issue: 2 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1111/tpj.15184
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] 植物の分化細胞を幹細胞へと変化させるSTEMIN転写因子とクロマチン修飾変化 (2020)
  • Author(s): 石川雅樹
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 78 Pages: 240-241
• [Presentation] Cellular reprogramming into stem cells as an adaptation to land environments in Physcomitrium patens (2022)
  • Author(s): Masaki Ishikawa and Mitsuyasu Hasebe
  • Organizer: PLANT & ANIMAL GENOME XXIX
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms underlying stem cell formation in the moss Physcomitrium patens (2021)
  • Author(s): Masaki Ishikawa
  • Organizer: Secrets of stem cells underlying longevity and persistent growth
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 陸上植物の幹細胞新生を制御する分子機構 (2021)
  • Author(s): 石川雅樹
  • Organizer: 第14回 日本エピジェネティクス研究会年会
  • Invited
• [Presentation] 器官再生の鍵を握るエピゲノムの再構築 (2020)
  • Author(s): 石川雅樹、青山剛士、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会 オンライン
  • Invited
• [Presentation] Molecular mechanisms underlying stem cell formation in plants. (2020)
  • Author(s): Masaki Ishikawa
  • Organizer: The JSDB online trial meeting
  • Invited
• [Presentation] Toward characterising the functional role of PpXRCC1 in Physcomitrella cellular reprogramming (2020)
  • Author(s): Villers, R.M.D., Ishikawa, M., Hasebe, M
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会 オンライン
• [Presentation] ABCB14 regulates local cell growth in Physcomitrella patens (2020)
  • Author(s): Zhang, L., Aoyama, T., Murata, T., Kosetsu, K., Kabeya, Y., Ishikawa, M., Hasebe, M
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会 オンライン
• [Presentation] ヒメツリガネゴケの茎葉体における細胞分裂軸制御機構の解析 (2020)
  • Author(s): 幸節健、堀内雄太、玉田洋介、石川雅樹、壁谷幸子、小藤累美子、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会 オンライン
• [Presentation] GRAS 転写因子によるヒ メツリガネゴケ葉原基の細胞分裂軸制御 (2020)
  • Author(s): 堀内雄太, 藤原彩香, 藤本直也, 中村亮, 吉田彩子, 幸節健, 壁谷幸子, 石川雅樹, 玉田洋介, 藤本仰一、長谷部光泰、小藤累美子
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会 オンライン
• [Remarks] 基礎生物学研究所 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 長谷部研究室
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/