2020 Fiscal Year Research-status Report

ヒトミトコンドリアDNAホモプラスミー化の分子基盤に関する研究

Research Project

Project/Area Number	17K07294
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	凌楓国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 専任研究員 (70281665)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ミトコンドリア / ミトコンドリアDNA / ホモプラスミー / ヘテロプラスミー / ローリングサーク型複製 / コンカテマー / 過酸化水素 / 活性酸素種(ROS)
Outline of Annual Research Achievements	出芽酵母において相同対合タンパク質Mhr1は二本鎖DNA切断の加工から生じた露出の3’単鎖 DNAと複製開始点で相補する二本鎖環状DNAとの相同対合反応を促進し、ヘテロ二本鎖DNAを形成することでミトコンドリア(mt)DNAのローリングサークル型複製を開始する。酵母とヒト細胞において、新規合成のmtDNAはコンカテマーである。現在、組換え酵素主導のローリングサークル型mtDNA複製は真核生物のmtDNA複製の中心的な機構であり、最初かつ最も重要な複製機構として認識されている。出芽酵母において過酸化水素(ROS)がローリングサークル型複製を活性化することと、ヒト細胞においてもROSが環状mtDNAに損傷を与え、ローリングサークル型複製を活性化し、ヘテロプラスミーからホモプラスミーへの復帰を促進することが明らかにされた。しかし、ROSによって活性化されるローリングサークル型mtDNA複製が生体内においてどの段階において機能するかについて依然不明である。本年度においてiPS細胞を体細胞に誘導し、iPS細胞の分化の指標としてmtDNAコピー数が5倍ほど増えたところ、mtDNAの対立遺伝子が分離し、双峰分布を示すことを見出した。この結果から分化の段階で、ローリングサークル型複製が起きることが示唆された。細胞分化の段階においてROSが欠かせないという既知のこことを踏まえて、我々提唱してきたROSによって活性化される組換え酵素主導のローリングサークル型mtDNA複製が細胞分化の段階に機能することが明らかとなった。また、ホモプラスミーに向けてヘテロプラスミーの細胞のmtDNAをリッセトする固有のシステムが細胞にあることが示唆された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 自身が見出したmtDNA複製、修復、分配の中心的な役割を担っている機構が細胞分化において機能することを見出した。極最近、ヒトmtDNAはヘテロプラスミーの状態にあることが報告された。これはヒト細胞だけでなく哺乳類動物細胞はmtDNAがヘテロプラスミーの状態にあることを連想させる。細胞レベルで実験結果の再現性を追求する際、変動するヘテロプラスミーの状態を考慮しながらヘテロプラスミーの細胞における変異mtDNAの割合を算出しておかないと実験結果の再現性が得られないと思います。mtDNAホモプラスミー化に関する研究の意義が見えてきた。
Strategy for Future Research Activity	出芽酵母においてmtDNA組換え酵素Mhr1の活性増強で過酸化水素(ROS)がローリングサークル型複製を活性化することができる。ミトコンドリアDNA (mtDNA)の欠失で呼吸機能が喪失する子孫細胞が増えることをmtDNA組換え酵素の活性増強で mtDNA欠失阻止することができる。そこでヒト細胞においてMhr1のヒトホモログを発現させ、mtDNA欠失変異によるヘテロプラスミー化の進行が止められるかどうかについて単細胞レベルで調べる。もROSが環状mtDNAに損傷を与え、ローリングサークル型複製を活性化し、ヘテロプラスミーからホモプラスミーへの復帰を促進することが明らかにされた。