内部共生による宿主-オルガネラ間の遺伝子発現協調機構の成立

• Project Area: "Matryoshka"-type evolution of eukaryotes
• Project/Area Number: 26117707
• 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: Chiba University
• Principal Investigator: 華岡 光正 千葉大学, 園芸学研究科, 准教授 (30508122)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2015: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2014: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 細胞内共生 / 葉緑体 / 光応答 / プラスチドシグナル / 遺伝子発現制御

Outline of Annual Research Achievements

葉緑体は原始シアノバクテリアの細胞内共生によって誕生したと考えられているが、共生関係の成立に際して、光合成機能を維持し守るためには、核と葉緑体間で光に応答した遺伝子発現を協調させることが宿主・共生体の両者にとって必須であったと考えられる。本研究では、内部共生起源に近い葉緑体を持つ原始紅藻Cyanidioschyzon merolae（シゾン）を用いて、葉緑体ではたらくヒスチジンキナーゼ（CmHIK）による宿主遺伝子の調節機構を明らかにすることで、核とオルガネラ間の遺伝子発現協調機構の成立を理解することを目的とした。
これまでの研究から、暗条件で活性化し転写を抑制するCmHIKを薬剤Signermycin Bによって阻害すると、暗条件にもかかわらずCMK296Cなど一部の核コード光応答遺伝子の発現が誘導され、CmHIKに依存した葉緑体から核への光情報伝達経路の存在が示唆されたため、今年度においてはこの情報伝達経路の詳細について検討を行った。まず、ストレスなど細胞内の様々なシグナルを核に伝える働きをもつMAPKに着目し、明条件下でMAPK活性を促進・阻害する処理を行ったところ、CMK296Cの発現量がそれぞれ誘導・抑制されることが分かった。また、レトログレードシグナルの1つと考えられているテトラピロール中間体のヘムを暗条件下で添加したところ、同じくCMK296Cの発現が誘導された。これらの結果から、CmHIKにより葉緑体で認識された光情報は、MAPKやヘムを介して核に伝達され、特定の転写因子によりターゲット遺伝子の発現を調節している可能性が示唆された。このように、宿主細胞が従来より持っていた細胞内シグナル伝達経路の上流にオルガネラ由来の情報を「入力」することが、共生関係の成立において重要なステップであるという新しい考え方を提案することができた。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Abscisic acid participates in the control of cell-cycle initiation through heme homeostasis in the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae. (2016)
  • Author(s): Yuki Kobayashi, Hiroyuki Ando, Mitsumasa Hanaoka, and Kan Tanaka
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: in press Issue: 5 Pages: 953-960
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw054
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete genome sequence of cyanobacterium Geminocystis sp. NIES-3709 that harbors phycoerythrin-rich phycobilisome (2015)
  • Author(s): Yuu Hirose, Mitsunori Katayama, Yoshiyuki Ohtsubo, Naomi Misawa, Erica Iioka, Wataru Suda, Kenshiro Oshima, Mitsumasa Hanaoka, Kan Tanaka, Toshihiko Eki, Masahiko Ikeuchi, Yo Kikuchi, Makoto Ishida, and Masahira Hattori
  • Journal Title: Genome Announcement Volume: 3 Issue: 2 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1128/genomea.00385-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete genome sequence of cyanobacterium Geminocystis sp. NIES-3708, which performs type II complementary chromatic acclimation (2015)
  • Author(s): Yuu Hirose, Mitsunori Katayama, Yoshiyuki Ohtsubo, Naomi Misawa, Erica Iioka, Wataru Suda, Kenshiro Oshima, Mitsumasa Hanaoka, Kan Tanaka, Toshihiko Eki, Masahiko Ikeuchi, Yo Kikuchi, Makoto Ishida, and Masahira Hattori
  • Journal Title: Genome Announcement Volume: 3 Issue: 3 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1128/genomea.00357-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 共生によるレトログレードシグナリングの成立と進化 (2015)
  • Author(s): 華岡光正
  • Journal Title: 生物科学 Volume: 66 Pages: 208-212
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The circadian regulation of photosynthesis. (2014)
  • Author(s): Dodd AN, Kusakina J, Hall A, Gould PD, Hanaoka M.
  • Journal Title: Photosynth Res. Volume: 119 Issue: 1-2 Pages: 181-190
  • DOI: 10.1007/s11120-013-9811-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sense transgene-induced post-transcriptional gene silencing in tobacco compromises the splicing of endogenous counterpart genes. (2014)
  • Author(s): Shin MR, Natsuume M, Matsumoto T, Hanaoka M, Imai M, Iijima K, Oka S, Adachi E, Kodama H.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 9 Issue: 2 Pages: e87869-e87869
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0087869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overproduction of stromal ferredoxin:NADPH oxidoreductase in H2O2-accumulating Brassica napus leaf protoplasts (2014)
  • Author(s): Rajesh Tewari, Mamoru Satoh, Sayaka Kado, Kohei Mishina, Misato Anma, Kazuhiko Enami, Mitsumasa Hanaoka and Masami Watanabe
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: 86 Issue: 6 Pages: 627-639
  • DOI: 10.1007/s11103-014-0252-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Functional analysis of ABA in Cyanidioschyzon merolae. (2016)
  • Author(s): Yuki Kobayashi, Hiroyuki Ando, Mitsumasa Hanaoka and Kan Tanaka
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（岩手県盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] 細胞紅藻シゾンの葉緑体光応答に関わるCmHIKの機能解析 (2016)
  • Author(s): 小倉駿佑、安藤洸幸、佐藤大地、渡辺智、藤井岳、今村壮輔、田中寛、五十嵐雅之、内海龍太郎、華岡光正
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（岩手県盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンにおける葉緑体から核への光情報伝達 (2016)
  • Author(s): 大原ひかる、安藤洸幸、恵良厚子、宮城島進也、五十嵐雅之、内海龍太郎、田中寛、華岡光正
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（岩手県盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] 紅藻Cyanidioschyzon merolaeにおけるアブシジン酸の機能 (2015)
  • Author(s): 小林勇気、安藤洸幸、華岡光正、田中寛
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会・第88回日本生化学会大会合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸国際展示場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-03
• [Presentation] Establishment of coordinated gene expression between the nucleus and the organelle. (2015)
  • Author(s): Hikaru Ohara, Hiroyuki Ando, Atsuko Era, Shin-ya Miyagishima, Masayuki Igarashi, Ryutaro, Utsumi, Kan Tanaka, and Mitsumasa Hanaoka
  • Organizer: 2nd International Symposium "Matryoshka-type Evolution of Eukaryotic Cells"
  • Place of Presentation: 筑波大学会館（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-10-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単細胞紅藻C. merolaeの光応答転写制御における葉緑体の関与 (2015)
  • Author(s): 大原ひかる、安藤洸幸、恵良厚子、宮城島進也、五十嵐雅之、内海龍太郎、田中寛、華岡光正
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-09-07
• [Presentation] 紅藻C. merolaeにおける光に依存した核遺伝子の転写誘導の解析 (2015)
  • Author(s): 大原ひかる、安藤洸幸、恵良厚子、宮城島進也、五十嵐雅之、内海龍太郎、田中寛、華岡光正
  • Organizer: 第6回光合成学会・シンポジウム
  • Place of Presentation: 岡山国際交流センター（岡山県岡山市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Presentation] Functional analysis of ABA in red algae (2015)
  • Author(s): Yuki Kobayashi, Hiroyuki Ando, Mitsumasa Hanaoka and Kan Tanaka
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都世田谷区）
  • Year and Date: 2015-03-16
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンにおける葉緑体に依存した核遺伝子の光誘導転写制御 (2015)
  • Author(s): 大原ひかる、安藤洸幸、小倉駿佑、藤井岳、今村壮輔、田中寛、恵良厚子、宮城島進也、五十嵐雅之、内海龍太郎、華岡光正
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都世田谷区）
  • Year and Date: 2015-03-16
• [Presentation] Light sensing in chloroplasts (2015)
  • Author(s): Mitsumasa Hanaoka
  • Organizer: Tokyo Tech-HHU Dusseldorf Joint Symposium on Photosynthesis as a New Chemical Resource
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都港区）
  • Year and Date: 2015-03-05
  • Invited
• [Presentation] Redox status regulates chloroplast transcription in the red algae Cyanidioschyzon merolae. (2015)
  • Author(s): Gaku Fujii, Sousuke Imamura, Keisuke Tarohara, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori, Mitsumasa Hanaoka and Kan Tanaka
  • Organizer: Tokyo Tech-HHU Dusseldorf Joint Symposium on Photosynthesis as a New Chemical Resource
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都港区）
  • Year and Date: 2015-03-04
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンにおけるプラスチドシグナルを介した核遺伝子の転写制御 (2014)
  • Author(s): 安藤洸幸、大原ひかる、小倉駿佑、藤井岳、今村壮輔、田中寛、恵良厚子、宮城島進也、五十嵐雅之、内海龍太郎、華岡光正
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-27
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンにおける葉緑体に依存した光応答転写制御 (2014)
  • Author(s): 安藤洸幸、小倉駿佑、大原ひかる、藤井岳、今村壮輔、田中寛、五十嵐雅之、内海龍太郎、華岡光正
  • Organizer: 日本植物学会第78回大会
  • Place of Presentation: 明治大学（神奈川県川崎市）
  • Year and Date: 2014-09-13