2020 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanisms of maintenance and regeneration of pluripotent stem cells
| Project Area | Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality |
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| Project/Area Number |
17H06477
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
梅田 正明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80221810)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
蓑田 亜希子 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, チームリーダー (40721569)
坪内 知美 基礎生物学研究所, 幹細胞生物学研究室, 准教授 (70754505)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 多能性幹細胞 / DNA損傷 / ゲノム恒常性 / クロマチン / ES細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
体細胞にDNA変異が蓄積するのを防ぐため、動物では重篤なDNA損傷を受けた細胞は細胞死を起こす。一方、植物の場合はDNA損傷に応答して幹細胞でのみ細胞死が起き、同時に幹細胞ニッチの細胞が分裂を活性化することにより、幹細胞を新たに補給する仕組みが備わっている。これまでの研究から、DNA損傷を受けた幹細胞では、オーキシンシグナルの低下がゲノムを不安定化させ、細胞死を誘導することが示唆されている。そこで、ゲノムの不安定化要因について様々なシロイヌナズナ変異体を用いて解析したところ、ヒストンの修飾やヌクレオソームへの取り込みが密接に関連していることを見出した。また、オーキシン処理による幹細胞死の抑制がこれらの変異体では見られないことから、オーキシンシグナルの下流でクロマチン構造が制御されることにより、幹細胞ゲノムの恒常性が維持されることが示唆された。一方、幹細胞再生に関しては、再生に必要なブラシノステロイドシグナルの活性化にホルモン受容体と転写因子間のフィードバック制御が重要な役割をもつことを見出した。また、この制御系は、細胞死を起こした細胞の周囲で細胞分裂が活性化する際にも機能していることが明らかとなった。
これまでの研究から、ES細胞ではDNA複製フォーク速度が低下し、複製開始点が密に分布していることが示唆されている。そこで、dNTP量を増大させ、人為的にDNA複製フォーク速度を上昇させたところ、複製フォークが停止しがちになり、複製完了が遅延することが明らかになった。すなわち、ES細胞ではDNA複製を滞りなく完了させるために複製開始点を密に維持している可能性が考えられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
植物ホルモンとクロマチン構造の関連性は、遺伝子発現制御に関係するもの以外、これまでほとんど報告されていない。したがって、本研究で見出したオーキシンによるゲノム安定性の制御メカニズムは全く新規なものであり、今後その分子機構まで解明できれば大きな成果となる。また、動物のES細胞でDNA複製が精緻に制御されていることが明らかとなった。これは、動植物間で多能性幹細胞を比較する際の新たな着目点と言え、領域研究の推進に大いに貢献するものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、オーキシンがどのようにヒストンの修飾やヌクレオソームへの取り込みに関与する因子を制御しているのかが重要な課題となる。すでにタンパク質分解やリン酸化など、いくつかの候補となる制御メカニズムが見えつつあるので、これらの可能性を一つ一つ検証していく。ブラシノステロイド受容体と転写因子間のフィードバック制御については、転写因子が結合するプロモーター上の配列に変異を導入した植物を作成中なので、この植物の表現型を観察することにより、幹細胞再生におけるフィードバック制御の生理的意義を解明する。
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