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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Mechanisms of maintenance and regeneration of pluripotent stem cells

Planned Research

Project AreaPrinciples of pluripotent stem cells underlying plant vitality
Project/Area Number 17H06477
Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

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)

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)
Project Period (FY) 2017-06-30 – 2022-03-31
Keywords多能性幹細胞 / DNA損傷 / ゲノム恒常性 / クロマチン / ES細胞
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。

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。

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。

  • Research Products

    (17 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] CRAG(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      CRAG
  • [Int'l Joint Research] メリーランド大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      メリーランド大学
  • [Int'l Joint Research] VIB(ベルギー)

    • Country Name
      BELGIUM
    • Counterpart Institution
      VIB
  • [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      サセックス大学
  • [Journal Article] Plant stem cell research is uncovering the secrets of longevity and persistent growth2021

    • 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: 106 Pages: 326~335

    • DOI

      10.1111/tpj.15184

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The Arabidopsis NRT1/PTR FAMILY protein NPF7.3/NRT1.5 is an indole-3-butyric acid transporter involved in root gravitropism2020

    • Author(s)
      Watanabe Shunsuke、Takahashi Naoki、Kanno Yuri、Suzuki Hiromi、Aoi Yuki、Takeda-Kamiya Noriko、Toyooka Kiminori、Kasahara Hiroyuki、Hayashi Ken-ichiro、Umeda Masaaki、Seo Mitsunori
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 117 Pages: 31500~31509

    • DOI

      10.1073/pnas.2013305117

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] CDKD-dependent activation of CDKA;1 controls microtubule dynamics and cytokinesis during meiosis2020

    • Author(s)
      Sofroni Kostika、Takatsuka Hirotomo、Yang Chao、Dissmeyer Nico、Komaki Shinichiro、Hamamura Yuki、Bottger Lev、Umeda Masaaki、Schnittger Arp
    • Journal Title

      Journal of Cell Biology

      Volume: 219 Pages: e201907016

    • DOI

      10.1083/jcb.201907016

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1 acts as a regulator coordinating crosstalk between DNA damage response and immune response in Arabidopsis thaliana2020

    • Author(s)
      Yoshiyama Kaoru Okamoto、Aoshima Naoki、Takahashi Naoki、Sakamoto Tomoaki、Hiruma Kei、Saijo Yusuke、Hidema Jun、Umeda Masaaki、Kimura Seisuke
    • Journal Title

      Plant Molecular Biology

      Volume: 103 Pages: 321~340

    • DOI

      10.1007/s11103-020-00994-0

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] DNA損傷に応答したシロイヌナズナの根の幹細胞再生に関する解析2021

    • Author(s)
      吹田宗樹、高橋直紀、梅田正明
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] DNA損傷応答におけるインドール酪酸輸送の役割の解明2021

    • Author(s)
      高橋直紀、吉國早希、梅田正明
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] オーキシンを介したヘテロクロマチン形成の制御機構2021

    • Author(s)
      安喜史織、梅田正明
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] DNA損傷に応答した細胞周期停止の制御機構の解明2021

    • Author(s)
      細谷美遥、高橋直紀、梅田正明
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] Role of cell cycle regulation in cell fate determination2020

    • Author(s)
      杉山輝樹、梅田正明
    • Organizer
      日本植物学会第84回大会
    • Invited
  • [Presentation] DNA損傷に応答した根の成長抑制におけるサイトカイニン合成の役割2020

    • Author(s)
      高橋直紀、Ioanna Antoniadi、Michal Karady、Karin Ljung、梅田正明
    • Organizer
      日本植物学会第84回大会
  • [Presentation] Regulation of DNA replication in mammalian pluripotent stem cells2020

    • Author(s)
      Yasunao Kamikawa、Akino Matsumoto、Tomomi Tsubouchi
    • Organizer
      JSDB Online Meeting
  • [Remarks] 梅田研ホームページ

    • URL

      https://bsw3.naist.jp/umeda/

  • [Remarks] 坪内研ホームページ

    • URL

      http://www.nibb.ac.jp/stemcell/

URL: 

Published: 2021-12-27  

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