Imaging analyses of chromatin dynamics in plant regeneration

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H03259
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松永 幸大 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40323448)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: イメージング / ヒストン修飾 / 再生 / エピジェネティックス

Outline of Annual Research Achievements

申請者は、植物の強力な再分化能力を制御する遺伝子プライミング現象を発見した。植物のシュート再生前のカルスの段階で、ヒストンH3のリジン残基の脱メチル化によりプライミング遺伝子群が転写スタンバイになりシュート形成時に一気に遺伝子発現がONになることが明らかになった。これはクロマチン構造変換により遺伝子発現が三次元的に制御されていると推測された。そこで、クロマチン構造変換に連動する遺伝子発現をRNAポリメラーゼのリン酸化をライブイメージングして解析するほか、申請者が開発した独自のディープイメージングや遺伝子座特異的クロマチン可視化技術を用いて、多細胞塊のカルスを研究材料にして解析することにより、より詳細な植物のプライミング現象の分子メカニズムを明らかにすることを目的とする。初年度はプライミング遺伝子の同定を行った。その結果、ヒストン脱メチル化とメチ ル化のバランスからプライミング遺伝子の同定を進めることができた。特に、再生前段階で、H3K4me1、 H3K4me2、H3K3me3のバランスがプライミング現象の成立に寄与することがわかりだした。このため、引き続きRNA-seqとChIP-seqのデータをもとに、イメージング解析を進めていくためのベクターコンストラクトを開始した。また、RNAPIISer2phやH3K4me3を認識するモノクローナル抗体の 一部であるミントボディを使用したイメージングを可能にするベクターコンストラクトを完成させて、形質転換体の作製も進めた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

イメージング解析できる形質転換体が取得できたから。

Strategy for Future Research Activity

再生前段階で、H3K4me1、 H3K4me2、H3K3me3のバランスがプライミング現象の成立に寄与することがわかりだしたため、3種類のヒストン修飾のバランスが植物再生を制御するという作業仮説を立てた。この作業仮説を検証するために、研究を進めていく。また、RNAPIISer2phやH3K4me3を認識するモノクローナル抗体の 一部であるミントボディを使用したイメージングを可能にするベクターコンストラクトを完成させて、形質転換体の作製したことから、このイメージングラインの解析も進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: チューリッヒ大学
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア工科大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア工科大学
• [Journal Article] The Progression of Xylem Vessel Cell Differentiation is Dependent on the Activity Level of VND7 in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Hirai, R., Higaki, T., Takenaka, Y., Sakamoto, Y., Hasegawa, J., Matsunaga, S., Demura, T. and Ohtani, M
  • Journal Title: Plants Volume: 9 Pages: 39
  • DOI: 10.3390/plants9010039
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deep Imaging Analysis in VISUAL Reveals the Role of YABBY Genes in Vascular Stem Cell Fate Determination. (2020)
  • Author(s): Nurani, A. M., Ozawa, Y., Furuya, T., Sakamoto, Y., Ebine, K., Matsunaga, S., Ueda, T., Fukuda, H. and Kondo, Y.
  • Journal Title: Plant & cell physiology Volume: 61 Pages: 255, 264
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lysine-specific demethylase epigenetically regulates human and plant phenomena. (2019)
  • Author(s): Toyoda, Y , Matsunaga, S
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 84 Pages: 295, 298
  • DOI: 10.1508/cytologia.84.295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Seasonal and diurnal regulation of flowering via an epigenetic mechanism in Arabidopsis thaliana. (2019)
  • Author(s): Shibuta, K. M , Matsunaga, S
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 84 Pages: 3, 8
  • DOI: 10.1508/cytologia.84.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Homologous pairing activities of Arabidopsis thaliana RAD51 and DMC1. (2019)
  • Author(s): Kobayashi, W , Liu, E , Ishii, H , Matsunaga, S , Schlogelhofer, P , Kurumizaka, H
  • Journal Title: JOURNAL OF BIOCHEMISTRY Volume: 165 Pages: 289, 295
  • DOI: 10.1093/jb/mvy105
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Acetic Acid Treatment Enhances Drought Avoidance in Cassava (Manihot esculenta Crantz) (2019)
  • Author(s): Utsumi, Y., Utsumi, C., Tanaka, M., Ha, C.V., Takahashi, S., Matsui, A., Matsunaga, T. M., Matsunaga, S., Kanno, Y., Seo, M., Okamoto, Y., Moriya, E. and Seki, M.
  • Journal Title: FRONTIERS IN PLANT SCIENCE Volume: 10 Pages: 521, 532
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00521
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plant condensin II is required for the correct spatial relationship between centromeres and rDNA arrays. Nucleus (2019)
  • Author(s): Sakamoto, T., Sugiyama, T., Yamashita, T. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: NUCLEUS-PHILA Volume: 10 Pages: 116, 125
  • DOI: 10.1080/19491034.2019.1616507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The 26S proteasome is required for the maintenance of root apical meristem by modulating auxin and cytokinin responses under high-boron stress (2019)
  • Author(s): Sakamoto, T., Sotta, N., Suzuki, T., Fujiwara, T. and Matsunaga, S
  • Journal Title: FRONTIERS IN PLANT SCIENCE Volume: 10 Pages: 590, 602
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00590
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 2A Peptides Contribute to the Co-Expression of Proteins for Imaging and Genome Editing. (2019)
  • Author(s): Shibuta, M. K., Matsuoka, M. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 84 Pages: 107, 111
  • DOI: 10.1508/cytologia.84.107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Abnormal leaf development of rpt5a mutant under zinc deficiency reveals important role of DNA damage alleviation for normal leaf development. (2019)
  • Author(s): Sotta, N., Sakamoto, T., Matsunaga, S., and Fujiwara, T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 9369
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44789-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The SMC5/6 Complex Subunit NSE4A Is Involved in DNA Damage Repair and Seed Development. (2019)
  • Author(s): Diaz, M , Pecinkova P , Nowicka, A , Baroux, C , Sakamoto, T , Gandha, P. Y , Jerabkova, H , Matsunaga, S , Grossniklaus, U , Pecinka, A
  • Journal Title: PLANT CELL Volume: 31 Pages: 1579, 1597
  • DOI: 10.1105/tpc.18.00043
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of DNA Repair Foci in Root Cells of Arabidopsis in Response to DNA Damage (2019)
  • Author(s): Hirakawa, T. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 990, 999
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intracellular localization of histone deacetylase HDA6 in plants (2019)
  • Author(s): Kurita, K., Sakamoto, Y., Naruse, S., Matsunaga, T. M., Arata, H., Higashiyama, T., Habu, Y., Utsumi, Y., Utsumi, C., Tanaka, M., Takahashi, S., Kim, J. M., Seki, M., Sakamoto, T. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 132 Pages: 629, 640
  • DOI: 10.1007/s10265-019-01124-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] LSD1-LIKE1-Mediated H3K4me2 Demethylation Is Required for Homologous Recombination Repair (2019)
  • Author(s): Hirakawa, T., Kuwata, K., Gallego, M. E., White, C. I., Nomoto, M., Tada, Y. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 181 Pages: 499, 509
  • DOI: 10.1104/pp.19.00530
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Primed histone demethylation regulates shoot regenerative competency (2019)
  • Author(s): Ishihara, H., Sugimoto, K., Tarr, P. T, Temman, H., Kadokura, S., Inui, Y., Sakamoto, T., Sasaki, T., Aida, M., Suzuki, T., Inagaki, S., Morohashi, K., Seki, M., Kakutani, T., Meyerowitz, E. M. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 1786, 1800
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09386-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cyanidioschyzon merolae aurora kinase phosphorylates evolutionarily conserved sites on its target to regulate mitochondrial division (2019)
  • Author(s): S. Kato , E. Okamura , T. Matsunaga , M. Nakayama , Y. Kawanishi , T. Ichinose , A. Iwane , T. Sakamoto , Y. Imoto , M. Ohnuma , Y. Nomura , H. Nakagami , H. Kuroiwa , T. Kuroiwa , S. Matsunaga
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Pages: 477,
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0714-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pyrenocine A induces monopolar spindle formation and suppresses proliferation of cancer cells (2019)
  • Author(s): Y. Myobatake , S. Kamisuki , S. Tsukuda , T. Higashi , T.i Chinen , K. Takemoto , M. Hachisuka , Y. Suzuki , M. Takei , Y. Tsurukawa , H. Maekawa , T. Takeuchi , T. M. Matsunaga , H. Sahara , T. Usui , S. Matsunaga , F. Sugawara
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Volume: 27 Pages: 115149, 115149
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2019.115149
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Nuclear lamina protein CRWN regulates gene positioning of a copper transport family gene locus (2019)
  • Author(s): Yuki Sakamoto、Mayuko Sato、Takamasa Suzuki、Kiminori Toyooka、Shingo Takagi、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Elucidation of chromosome structure and epigenetic mechanism of gene regulation in primitive red alga Cyanidioschyzon merolae (2019)
  • Author(s): Minami Nakayama、Takuya Sakamoto、Tomoko Matsunaga、Miyako Kitagawa、Kan Tanaka、Tokiaki Takemura、Takamasa Suzuki、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Histone demethylase LDL1 promotes homologous recombination repair via demethylation of H3K4me2 (2019)
  • Author(s): Takeshi Hirakawa、Keiko Kuwata、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Analysis of relationship between maintenance of heat stress memory and chromosome higher order structure (2019)
  • Author(s): Yui Fujiwara、Takuya Sakamoto、Yuki Sakamoto、Nobutoshi Yamaguchi、Toshiro Ito、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Chromatin remodeling factors are required for de-novo shoot regeneration in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Mariana Diaz、Kaoru Sugimoto、Takuya Sakamoto、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Histone demethylation is involved in gene priming for plant regeneration (2019)
  • Author(s): Sachihiro Matsunaga、Hiroya Ishihara、Haruka Tenman、Satoshi Kadokura、Soichi Inagaki、Yayoi Inui、Takuya Sakamoto、Takamasa Suzuki、Kengo Morohashi、Tetsuji Kakutani、Kaoru Sugimoto
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] ASHH2 Regulates Arabidopsis callus formation and shoot regeneration through photosynthesis/light and glucose metabolism pathways (2019)
  • Author(s): Ryosuke Makino、Kaoru Sugimoto、Yuki Katsuyama、Hiroya Ishihara、Satoshi Kadokura、Takamasa Suzuki、Takuya Sakamoto、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Visualization of histone modification using live-imaging tool in plant (2019)
  • Author(s): Megumi Matsuoka、Takuya Sakamoto、Mio Shibuta、Noriyoshi Yagi、Hiroshi Kimura、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Transcriptome analysis reveals dynamic expression changes during tuberous root formation in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Sakiko Nishioka、Takuya Sakamoto、Takamasa Suzuki、Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] Analysis of relationship between maintenance of heat stress memory and chromosome higher order structure (2019)
  • Author(s): Sayuri Ando, Takumi Ogawa, Shoko Kojima, Yuki Sakamoto, Sachihiro Matsunaga, Yasunori Machida, and Chiyoko Machida
  • Organizer: Taiwan-Japan 2019 Plant Biology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナの新規染色体構造構築制御因子の探索 (2019)
  • Author(s): 坂本卓也, 坂本勇貴, 御子侑香, 伊藤ななみ, 松永幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける条件特異的な塊根様組織形成メカニズムの解析 (2019)
  • Author(s): 西岡咲子, 坂本卓也, 鈴木孝征, 安江啓人, 諸橋賢吾, 松永幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] 植物核ラミナ CRWN は核内の遺伝子配置に関与する (2019)
  • Author(s): 坂本勇貴, 高木慎吾, 松永幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] Primed histone demethylation regulates shoot regenerative competency. (2019)
  • Author(s): 松永 幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] 茎頂組織における体細胞胚形成の解析 (2019)
  • Author(s): 伊藤ななみ, 角倉慧, 杉本薫, 坂本卓也, 鈴木 孝征, 松永幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] 植物の根の DNA 損傷応答に与える光の影響の解析 (2019)
  • Author(s): 藤原維, 坂本卓也, 松永幸大
  • Organizer: 日本植物形態学会
• [Presentation] 遺伝子プライミングによる再生メカニズム (2019)
  • Author(s): 松永 幸大，松岡 慈，澁田 未央，石原 弘也，天満 春花，角倉 慧，稲垣宗一，乾 弥生，鈴木 孝征，諸橋 賢吾，角谷 徹仁，杉本 薫，坂本 卓也
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] シロイヌナズナの新規染色体構造構築制御因子の解析 (2019)
  • Author(s): 坂本 卓也，坂本 勇貴，御子 侑香，伊藤 ななみ，松永 幸大
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] シロイヌナズナ茎頂組織における体細胞胚形成の解析 (2019)
  • Author(s): 伊藤 ななみ，角倉 慧，杉本 薫，鈴木 孝征，松永 幸大
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] シロイヌナズナ 19S プロテアソーム変異体における塊根様組織形成を制御する因子の探索 (2019)
  • Author(s): 西岡 咲子，坂本 卓也，鈴木 孝征，諸橋 賢吾，安江 啓人，松永 幸大
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] DNA 損傷応答に与える光の影響の解析 (2019)
  • Author(s): 藤原 維，坂本 卓也，松永 幸大
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] 核ラミナタンパク質 CRWN が環境応答遺伝子の発現を制御するメカニズムの解析 (2019)
  • Author(s): 坂本 勇貴，佐藤 繭子，豊岡 公徳，佐藤 良勝，高木 慎吾，松永 幸大
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] 植物における新奇核膜内膜局在タンパク質の同定 (2019)
  • Author(s): 渡邉水音、坂本勇貴、坂本卓也、松永幸大
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] シロイヌナズナの間期セントロメア配置制御に核膜孔複合体が関与する (2019)
  • Author(s): 御子侑香、坂本卓也、伊藤ななみ、坂本勇貴、松永幸大
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] Involvements of nuclear pore complex proteins in the regulation of spatial arrangement of chromatin domains in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Takuya Sakamoto、Yuka Oko、 Nanami Ito、Yuki Sakamoto、 Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: SEB conference on Imapct of chromatin domains on plant phenotypes"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FASCIATA1 is required for de-novo shoot regeneration in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Mariana Diaz、Takuya Sakamoto、 Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: SEB conference on Imapct of chromatin domains on plant phenotypes"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Live imaging system to tracking post-translational modification dynamics in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Mio K. Shibuta, Megumi Matsuoka, Mayu Yoshikawa, Kazuki Kurita, Tamako Yamaoka, Takuya Sakamoto, Hiroshi Kimura, Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: IMPACT OF CHROMATIN DOMAINS ON PLANT PHENOTYPES
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 松永研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/matsunaga_lab/