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Exploring the molecular mechanism of cell cycle-mediated solid–liquid phase transition of chloroplast nucleoids

Publicly Offered Research

Project AreaGenome modality: understanding physical properties of the genome
Project/Area Number 21H05748
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

西村 芳樹  京都大学, 理学研究科, 助教 (70444099)

Project Period (FY) 2021-09-10 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywords葉緑体DNA / 葉緑体DNA ligase / DNA supercoil / Stochastic inheritance / 葉緑体核様体 / 相転移 / DNA ligase / 核様体 / DNA超らせん / 細胞周期
Outline of Research at the Start

葉緑体核様体は、通常は「固体」の球状構造をとるが、葉緑体分裂に先立って「液体」に変化して葉緑体全体に均等に拡散し、葉緑体分裂完了後、ふたたび「固体」に戻る。本研究では、葉緑体核様体の形態・分裂異常を示すHolliday junction 解離酵素の欠損株や、葉緑体型のDNA ligaseやSMCの解析を糸口とし、その細胞周期による制御機構を明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では葉緑体核様体の球状構造の制御機構をDNA supercoilという観点から明らかにすることに成功した。葉緑体は、かつて独立した生を営んでいた藍色細菌の近縁種が真核生物の祖先に取り込まれ、共生関係を確立することで現在の姿になったと考えられている。その証拠の一つとして、葉緑体がもつ独自のゲノム(葉緑体ゲノム)の存在が挙げられる。葉緑体ゲノムには、光合成や葉緑体生合成に必須な遺伝子群がコードされており、その安定な遺伝は植物細胞における死活問題である。我々はこれまでに、葉緑体核様体が葉緑体分裂に先立って拡散し、分裂完了後速やかに球状構造を再構築することを明らかにした。これは、1つの葉緑体あたり80コピーある葉緑体DNAを、分裂前に拡散させることで娘葉緑体への均等分配を実現する戦略の顕れであると考えられた。一つの細胞のなかで、細胞核染色体は一旦染色体として纏められた後に娘細胞へと受け渡される。それに対し、まず葉緑体全体に拡散させてしまうという、全く異なる戦略で娘細胞への均等分配という共通のゴールを達成している点は興味深いが、その分子機構は明らかでなかった。本研究ではさらに、葉緑体DNAに一本鎖切断部位を蓄積する葉緑体DNA ligaseにおける葉緑体核様体の観察、Supercoilに選択的に結合するGapRタンパク質を応用することで、この葉緑体核様体の形態変化がDNA supercoilの制御に基づいていることを示した。さらに領域内共同研究の結果として、数理学的にもこのモデルが支持された。現在、この成果の論文を準備中である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 5 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] A conserved RWP-RK transcription factor VSR1 controls gametic differentiation in volvocine algae2023

    • Author(s)
      Geng Sa、Hamaji Takashi、Ferris Patrick J.、Gao Minglu、Nishimura Yoshiki、Umen James
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Issue: 29

    • DOI

      10.1073/pnas.2305099120

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 葉緑体DNAとの同時観察から、炭酸固定装置ピレノイドの構築機構に迫る2023

    • Author(s)
      金澤晴樹、田草川真理、川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第13回日本光合成学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] SMC様タンパク質の機能から迫る、ピレノイド構築における葉緑体核様体の役割2023

    • Author(s)
      金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第17回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] クラミドモナスの炭酸固定加速装置ピレノイドの構造形成における葉緑体DNAの役割の解析2023

    • Author(s)
      金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] BUMPS 法によって解く葉緑体 DSB 修復機構2023

    • Author(s)
      川島愛音、西村芳樹
    • Organizer
      第17回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] BUMPS 法で導入した葉緑体DSB は速やかに除去される2023

    • Author(s)
      川島愛音,金澤晴樹,鹿内利治,西村芳樹
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Transmission of chloroplast nucleoids is regulated by DNA supercoils during cell division.2023

    • Author(s)
      Nishimura, Y., Takusagawa, M., Yokota, H., Kobayashi, Y., Hamaji, T., Shikanai, T.,,,2023,2023,1,1
    • Organizer
      The 20th international conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 葉緑体 DNA 修復機構の時空間的理解に向けて2023

    • Author(s)
      川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第16回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] An Establishment of Novel Technique for cpDNA Specific DSBs Induction2023

    • Author(s)
      川島愛音、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第64回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Topology-dependent dynamics of chloroplast DNA in Chlamydomonas during cell division2023

    • Author(s)
      Yokota, H. and Nishimura, Y.
    • Organizer
      International Conference on Biological Physics 2023
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 葉緑体DNA結合タンパク質MFP1はチラコイド膜上でどのような因子と相互作用するのか2023

    • Author(s)
      野戸康生、西村芳樹、藤井翔
    • Organizer
      第64回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 葉緑体核様体はピレノイドと相互作用するか2023

    • Author(s)
      金澤晴樹、川島愛音、田草川真理、鹿内利治、西村芳樹
    • Organizer
      第16回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Exploring the Role of Chloroplast Nucleoids in the Maintenance of Pyrenoid, a Phase-separated Structure2023

    • Author(s)
      Kanazawa,H., Takusagawa,M., Kawashima, A., Shikanai, T. and Nishimura, Y.
    • Organizer
      第64回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 葉緑体 DNA の修復機構を探る2022

    • Author(s)
      川島愛音、西村芳樹
    • Organizer
      第15回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Deciphering the dynamism of chloroplast nucleoids.2022

    • Author(s)
      Nishimura, Y.
    • Organizer
      Gordon Research Conference Mitochondria and Chloroplast
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Enzymes controlling the inheritance of chloroplast DNA.2022

    • Author(s)
      Nishimura, Y.
    • Organizer
      Metalloenzymes 窶? cofactor assembly, catalytic mechanism and redox partners
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Exploring the role of chloroplast nucleoids in the maintenance of the pyrenoid, a phase-separated structure in chloroplasts2022

    • Author(s)
      Kanazawa,H., Takusagawa,M., Kawashima, A., Shikanai, T. and Nishimura, Y.
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Book] Chapter 7, Organelle Heredity2023

    • Author(s)
      Sunjoo Joo, Yusuke Kobayashi, Jae-Hyeok Lee and Yoshiki Nishimura
    • Total Pages
      33
    • Publisher
      Academic Press
    • ISBN
      9780128224571
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-10-22   Modified: 2024-12-25  

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