陸上植物の世代交代を制御するエピゲノム・遺伝子発現相関の解明

• Project Area: Correlative gene system: establishing next-generation genetics
• Project/Area Number: 24113521
• 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: 玉田 洋介 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (50579290)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2013: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2012: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: エピゲノム / 発生 / 遺伝子発現制御 / ライブイメージング / 植物

Research Abstract

陸上植物は、受精によって配偶体 (n) 世代から胞子体 (2n) 世代へと世代交代を行う。本研究では、クロマチン状態と遺伝子発現の相互作用を「エピゲノム・遺伝子発現相関」と名付け、陸上植物の受精による世代交代を制御するエピゲノム・遺伝子発現相関を解明することを目的とする。コケ植物ヒメツリガネゴケでは、抑制型クロマチン修飾H3K27me3の唯一の触媒酵素PpCLFの発現が受精によって消失する。それに端を発するエピゲノム・遺伝子発現相関を、①次世代シーケンサーを用いたトランスクリプトーム・エピゲノム解析、②胞子体の発生プログラムに機能する遺伝子（胞子体発生遺伝子）の同定と機能解析、③胞子体発生遺伝子とクロマチン修飾の卵細胞核4Dライブイメージング、によって解明することを試みた。
①ヒメツリガネゴケの配偶体世代におけるヒストン変異種H3.3のエピゲノムが、他の陸上植物の胞子体世代とは異なることを示唆する結果を得た。この結果と、前年度までに得られていたH3K4me3エピゲノムが胞子体の発生に寄与することを示す結果をまとめて、二報の論文を執筆中である。
②配偶体世代ではPpCLF/H3K27me3によって抑制され、PpCLFが消失した胞子体では脱抑制され発現する約100の胞子体発生遺伝子候補について、過剰発現体および欠失株を作出中である。これまでに、配偶体に過剰発現させると形態異常を生じる遺伝子として、Class I Knotted-like homeobox (KNOX1) 、KNOX2、Sporophyte development regulator1 (SDR1) 、SDR2を同定した。
③受精過程におけるクロマチン修飾の細胞核4Dライブイメージングを高確率で成功させる手法を確立した。また、造卵器細胞が卵細胞の精細な観察を妨げている問題を解決するため、造卵器から卵細胞を取り出して受精を行うin vitro受精系、および組織内部の精細な観察を行う補償光学顕微鏡の研究開発とそれを用いたライブイメージングの条件検討を行った。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] WOX13-like genes are required for reprogramming of leaf and protoplast cells into stem cells in the moss Physcomitrella patens. (2014)
  • Author(s): Keiko Sakakibara, Pascal Reisewitz, Tsuyoshi Aoyama, Thomas Friedrich, Sayuri Ando, Yoshikatsu Sato, Yosuke Tamada, Tomoaki Nishiyama, Yuji Hiwatashi, Tetsuya Kurata, Masaki Ishikawa, Hironori Deguchi, Stefan A. Rensing, Wolfgang Werr, Takashi Murata, Mitsuyasu Hasebe, Thomas Laux
  • Journal Title: Development Volume: 141 Issue: 8 Pages: 1660-1670
  • DOI: 10.1242/dev.097444
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical property analyses of plant cells for adaptive optics microscopy. (2014)
  • Author(s): Yosuke Tamada, Takashi Murata, Masayuki Hattori, Shin Oya, Yutaka Hayano, Yasuhiro Kamei, Mitsuyasu Hasebe
  • Journal Title: International Journal of Optomechatronics Volume: 8 Issue: 2 Pages: 89-99
  • DOI: 10.1080/15599612.2014.901455
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of the class IV HD-zip gene family in streptophytes. (2013)
  • Author(s): Christopher S. Zalewski, Sandra K. Floyd, Chihiro Furumizu, Keiko Sakakibara, Dennis W. Stevenson, John L. Bowman
  • Journal Title: Molecular Biology and Evolution Volume: 30 Issue: 10 Pages: 2347-2365
  • DOI: 10.1093/molbev/mst132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 蘚苔類の世代交代とその制御因子 (2013)
  • Author(s): 榊原恵子
  • Journal Title: 蘚苔類研究 Volume: 10 Pages: 393-397
• [Journal Article] 陸上化した植物たちがたどって来た道 (2013)
  • Author(s): 榊原恵子
  • Journal Title: 植物学会HP研究トピック 第10回 Volume: -
• [Journal Article] 陸上植物の世代交代の謎にせまる～遺伝子重複と機能分化による胞子体の劇的な形態進化～ (2013)
  • Author(s): 榊原恵子
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 51 Pages: 595-596
• [Journal Article] KNOX2 genes regulate the haploid-to-diploid morphological transition in land plants (2013)
  • Author(s): Sakakibara, K., Ando, S., Yip, H.K., Tamada, Y., Hiwatashi, Y., Murata, T., Deguchi, H., Hasebe, M., and Bowman, J.L.
  • Journal Title: Science Volume: 339 Issue: 6123 Pages: 1067-1070
  • DOI: 10.1126/science.1230082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コケ植物のエボデボから見えてきた胞子体の複雑化 (2013)
  • Author(s): 榊原 恵子
  • Journal Title: 生物の科学 遺伝 Volume: 1 Pages: 39-44
• [Journal Article] Reliable detection of epigenetic histone marks and nuclear proteins in tissue cryosections. (2012)
  • Author(s): Eberhart A
  • Journal Title: Chromosome Res Volume: 20 Issue: 7 Pages: 849-858
  • DOI: 10.1007/s10577-012-9318-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromosome-wide regulation of euchromatin-specific 5mC to 5hmC conversion in mouse ES cells and female human somatic cells. (2012)
  • Author(s): Kubiura M
  • Journal Title: Chromosome Res Volume: 20 Issue: 7 Pages: 837-848
  • DOI: 10.1007/s10577-012-9317-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 内在性蛋白質翻訳後修飾の生細胞計測 (2012)
  • Author(s): 木村 宏ら
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 52 Pages: 234-235
• [Presentation] Epigenome analysis of the cell-fate determination and transition. (2014)
  • Author(s): Yosuke Tamada, Tetsuya Kurata, Yuji Hiwatashi, Yukiko Kabeya, Tomoaki Nishiyama, Takashi Murata, Mitsuyasu Hasebe
  • Organizer: Symposium “Frontier of plant epigenome regulation” at the 55th annual meeting of the Japanese Society of Plant Physiologists
  • Place of Presentation: University of Toyama (Toyama, Toyama, Japan)
  • Invited
• [Presentation] 補償光学顕微鏡試作機の開発とそれを用いた高解像度観察の実際 (2014)
  • Author(s): 玉田洋介、服部雅之、大屋真、村田隆、野中茂紀、早野裕、亀井保博、長谷部光泰
  • Organizer: シンポジウム『すばる望遠鏡から顕微鏡へ：高解像・高感度観察を可能にする次世代補償光学系に向けて』
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
• [Presentation] 次世代天文補償光学装置の方向性と顕微鏡応用への展望 (2014)
  • Author(s): 大屋真、服部雅之、早野裕、玉田洋介、村田隆、野中茂紀、亀井保博、長谷部光泰
  • Organizer: シンポジウム『すばる望遠鏡から顕微鏡へ：高解像・高感度観察を可能にする次世代補償光学系に向けて』
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
• [Presentation] 補償光学システム入門 (2014)
  • Author(s): 早野裕、大屋真、服部雅之、玉田洋介、村田隆、野中茂紀、亀井保博、長谷部光泰
  • Organizer: シンポジウム『すばる望遠鏡から顕微鏡へ：高解像・高感度観察を可能にする次世代補償光学系に向けて』
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
• [Presentation] Development of adaptive optics microscopy to observe plant cells. (2013)
  • Author(s): Yosuke Tamada et al.
  • Organizer: The 10th NIBB-EMBL Symposium 2013 Quantitative Bioimaging
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 2013-03-17
• [Presentation] Optical property analyses of plant cell for adaptive optics microscopy. (2013)
  • Author(s): Yosuke Tamada, Takashi Murata, Masayuki Hattori, Shin Oya, Yutaka Hayano, Yasuhiro Kamei, Mitsuyasu Hasebe
  • Organizer: International Symposium on Optomechatronic Technologies
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Invited
• [Presentation] 天体観測に用いる補償光学を応用したライブイメージングの新展開 (2013)
  • Author(s): 玉田洋介
  • Organizer: 定量生物学の会第６回年会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府大阪市）
  • Invited
• [Presentation] 天体観測に用いる補償光学を応用した新規細胞観察手法の開発 (2013)
  • Author(s): 玉田洋介
  • Organizer: 第２回NINS Colloquium
  • Place of Presentation: ヤマハリゾートつま恋（静岡県掛川市）
• [Presentation] 高解像度観察を可能にする補償光学 ～すばる望遠鏡の技術から顕微鏡技術へ～ (2013)
  • Author(s): 服部雅之、玉田洋介、早野裕、亀井保博
  • Organizer: 第204回生物科学セミナー
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
• [Presentation] すばる望遠鏡から顕微鏡へ：高解像度観察を可能にする補償光学の新展開 (2013)
  • Author(s): 服部雅之、玉田洋介
  • Organizer: 第120回KARCコロキウム
  • Place of Presentation: 未来ICT研究所（兵庫県神戸市）
• [Presentation] 天体観測に用いる補償光学を応用した新規ライブイメージング手法の開発 (2013)
  • Author(s): 玉田洋介、服部雅之、大屋真、村田隆、亀井保博、早野裕、長谷部光泰
  • Organizer: 日本遺伝学会第85回大会
  • Place of Presentation: 慶応大学（神奈川県横浜市）
• [Presentation] ヒストン翻訳後修飾の生細胞動態可視化プローブの開発 (2012)
  • Author(s): 木村 宏
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 博多
  • Year and Date: 2012-12-14
• [Presentation] ヒストン修飾動態制御の単一細胞解析 (2012)
  • Author(s): 木村 宏
  • Organizer: 第35回日本分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 博多
  • Year and Date: 2012-12-11
• [Presentation] クロマチン修飾と非コードRNA が制御するエコロジカル・エピジェネティクス (2012)
  • Author(s): 玉田 洋介
  • Organizer: 第44回種生物学シンポジウム
  • Place of Presentation: 高島
  • Year and Date: 2012-12-07
  • Invited
• [Presentation] HIRA complex regulates H3K27me3 and transcription in the moss Physcomitrella patens. (2012)
  • Author(s): Yosuke Tamada et al.
  • Organizer: The 4th NIBB-MPIPZ-TLL Symposium Arabidopsis and Emerging Model Systems
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 2012-11-19
• [Presentation] Studies for development of adaptive optics microscope toward observation of a plant cell. (2012)
  • Author(s): Masayuki Hattori et al.
  • Organizer: 2012 University of Carifornia Center for Adaptive Optics Fall Science Retreat and Workshops
  • Place of Presentation: Lake Arrowhead, CA
  • Year and Date: 2012-11-01
• [Presentation] Observation and simulation of the deflection of light through the plant cell. (2012)
  • Author(s): Yosuke Tamada et al.
  • Organizer: 2012 University of Carifornia Center for Adaptive Optics Fall Science Retreat and Workshops
  • Place of Presentation: Lake Arrowhead, CA
  • Year and Date: 2012-11-01
• [Presentation] ヒメツリガネゴケからみる陸上植物の発生進化 (2012)
  • Author(s): 榊原 恵子
  • Organizer: 日本植物学会第76回大会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2012-09-15
• [Presentation] Physcomitrella WOX genes are necessary for the formation of stem cells from differentiated leaf cells. (2012)
  • Author(s): Keiko Sakakibara et al.
  • Organizer: Moss 2012
  • Place of Presentation: New York, NY
  • Year and Date: 2012-06-16
• [Presentation] H3.3 chaperon complex HIRA functions in regulating H3K27me3 modification. (2012)
  • Author(s): Yosuke Tamada et al.
  • Organizer: International Symposium on Epigenetic Regulation in Higher Plants
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2012-04-19
  • Invited
• [Presentation] Physcomitrella WOX genes are necessary for the formation of stem cells from differentiated leaf cells. (2012)
  • Author(s): Keiko Sakakibara et al.
  • Organizer: Third Marchantia workshop
  • Place of Presentation: Aso
• [Remarks] 基礎生物学研究所 ウェブサイト （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 研究室ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/
• [Remarks] 基礎生物学研究所（生物進化研究部門） ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/sections/evolutionary_biology_and_biodiversity/hasebe/
• [Remarks] 生物進化研究部門 ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 補償光学系及び光学装置 (2013)
  • Inventor(s): 服部雅之、玉田洋介、村田隆、亀井保博、長谷部光泰、早野裕、大屋真
  • Industrial Property Rights Holder: 同左、および自然科学研究機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-195943
  • Filing Date: 2013-09-20