Imaging analyses of chromatin dynamics in plant regeneration

2020 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。初年度と2年度の解析により、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絞り込みを進めることができ、さらに詳細な分子メカニズムが明らかになった。特に、再生前段階で、H3K4me1、H3K4me2、H3K3me3のバランスによってプライミング現象が成立することが明らかになりつつある。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ChIPとイメージングを可能にするシステムを構築することに成功した。RNAPIISer2phのミントボディに関しては、ChIPとイメージングを組み合わせた論文原稿を作成して論文発表をすることができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

植物プライミング現象の分子メカニズムが明らかになりつつあり、その成果の一部を論文発表できたから。

Strategy for Future Research Activity

初年度と2年度の解析により明らかになった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について、H3K4me1、H3K4me2、H3K3me3の動態を明らかにして論文発表することを目標に研究を推進していく予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Experimental Botany/Masaryk University(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: Institute of Experimental Botany/Masaryk University
• [Int'l Joint Research] Zurich University(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Zurich University
• [Journal Article] Thiazoline-related innate fear stimuli orchestrate hypothermia and anti-hypoxia via sensory TRPA1 activation (2021)
  • Author(s): Tomohiko Matsuo, Tomoko Isosaka, Yuichiro Hayashi, Lijun Tang, Akihiro Doi, Aiko Yasuda, Mikio Hayashi, Chia-Ying Lee, Liqin Cao, Natsumaro Kutsuna, Sachihiro Matsunaga, Takeshi Matsuda, Ikuko Yao, Mitsuyoshi Setou, Dai Kanagawa, Koichiro Higasa, Masahito Ikawa, Qinghua Liu, Reiko Kobayakawa, Ko Kobayakawa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 2074-2074
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22205-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SQAP, an acyl sulfoquinovosyl derivative, suppresses expression of histone deacetylase and induces cell death of cancer cells under hypoxic conditions (2021)
  • Author(s): Kawakubo, H., Kamisuki, S., Suzuki, K., Carbonell, J. I., Saito, S., Murata, H., Tanabe, A., Hongo, A., Murakami, H., Matsunaga, S., Sakaguchi, K., Sahara, H., Sugawara, F. and Kuramochi, K.
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 85 Pages: 85, 91
  • DOI: 10.1093/bbb/zbaa015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Next Generation Sequence-based Technologies for Analyzing DNA Strand Breaks (2021)
  • Author(s): Fujiwara, Y., Matsunaga, S. and Sakamoto, T.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 86 Pages: 3, 9
  • DOI: 10.1508/cytologia.86.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Common architectures in cyanobacteria Prochlorococcus cells visualized by X-ray diffraction imaging using X-ray free electron laser (2021)
  • Author(s): Kobayashi, A., Takayama, Y., Hirakawa, T., Okajima, K., Oide, M., Oroguchi, T., Inui, Y., Yamamoto., M., Matsunaga, S. and Nakasako M.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 3877, 3891
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83401-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A live imaging system to analyze spatiotemporal dynamics of RNA polymerase II modification in Arabidopsis thaliana. (2021)
  • Author(s): Shibuta, M. K., Sakamoto, T., Yamaoka, T., Yoshikawa, M., Kasamatsu, S., Yagi, N., Fujimoto, S., Suzuki, T., Uchino, S., Sato, Y., Kimura, H. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Commun. Biol Volume: - Pages: in press
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] The formation of perinucleolar bodies is important for normal leaf development and requires the zinc‐finger DNA‐binding motif in Arabidopsis ASYMMETRIC LEAVES2 (2020)
  • Author(s): Luo, L., Ando, S., Sakamoto, Y., Suzuki, T., Takahashi, H., Ishibashi, N., Kojima, S., Kurihara, D., Higashiyama, T., Yamamoto, K. T., Matsunaga, S., Machida, C., Sasabe, M., and Machida, Y.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 101 Pages: 1118, 1134
  • DOI: 10.1111/tpj.14579
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two combinatorial patterns of telomere histone marks in plants with canonical and non-canonical telomere repeats. (2020)
  • Author(s): Adamusova, K., Khosravi, S., Fujimoto, S., Houben, A., Matsunaga, S., Fajkus, J. and Fojtova, M.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 102 Pages: 678, 687
  • DOI: 10.1111/tpj.14653
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subnuclear gene positioning through lamina association affects copper tolerance. (2020)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Sato, M., Sato, Y., Harada, A., Suzuki, T., Goto, C., Tamura, K., Toyooka, K., Kimura, H., Ohkawa, Y., Hara-Nishimura, I., Takagi, S. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Nature communications Volume: 11 Pages: 5914
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19621-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of extracellular vesicles in the regenerating caudal fin blastema of zebrafish using in vivo electroporation. (2020)
  • Author(s): Ohgo, S., Sakamoto, T., Nakajima,W., Matsunaga, S. and Wada, N.
  • Journal Title: Biochemical and biophysical research communications Volume: 533 Pages: 1371, 1377
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.10.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitotic Karyotype of the Primitive Red Alga Cyanidioschyzon merolae 10D (2020)
  • Author(s): Kuroiwa, T., Yagisawa, F., Fujiwara, T., Inui, Y., Matsunaga, T. M., Kato, S., Matsunaga, S., Nagata, N., Imoto, Y. and Kuroiwa, H.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 85 Pages: 107, 113
  • DOI: 10.1508/cytologia.85.107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of BRAHMA and Its Interacting Partners in Plant Chromatin Remodeling (2020)
  • Author(s): Nishioka, S., Sakamoto, T. and Matsunaga, S.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 85 Pages: 263, 267
  • DOI: 10.1508/cytologia.85.263
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] エピジェネティック・プライミングによる植物再生制御 (2020)
  • Author(s): 三浦理奈、松永幸大
  • Journal Title: ケミカルエンジニヤリング Volume: 65 Pages: 405, 409
• [Journal Article] 遺伝子発現変化を伴わない潜在的分子メカニズム“エピジェネティック・プライミング”による植物再生 (2020)
  • Author(s): 松永幸大
  • Journal Title: Plant Morphology Volume: 32 Pages: 53, 57
  • DOI: 10.5685/plmorphol.32.53
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シロイヌナズナの核膜孔複合体はセントロメア配置制御を行う (2021)
  • Author(s): 伊藤 ななみ、坂本 卓也、坂本 勇貴、松永 幸大
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会
• [Presentation] γ線照射によるシュート再生能向上機構の解析 (2021)
  • Author(s): 東海林朋佳、坂本勇貴、鈴木孝征、坂本卓也、松永幸大
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会
• [Presentation] 植物の再生能力の獲得に関与するエピジェネティック制御因子の機能解析 (2021)
  • Author(s): 三浦理奈、坂本卓也、澁田未央、大矢恵代、稲垣宗一、鈴木穣、角谷徹二、松永幸大
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会
• [Presentation] 植物の核膜孔複合体はセントロメア配置制御を行う (2020)
  • Author(s): 伊藤 ななみ、坂本 卓也、坂本 勇貴、松永 幸大
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
• [Remarks] 松永研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/matsunaga_lab/
• [Remarks] 環境記憶
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/plantmemory/
• [Remarks] クロマチン・ダイナミクスから植物の生きざまを知る
  • URL: https://interview.plant-resilience.jp/sachihiro_matsunaga/