Clarification of molecular basis for high mutation frequency induced by heavy ion beams

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K06622
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43050:Genome biology-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology (2021-2023); Institute of Physical and Chemical Research (2019-2020)
• Principal Investigator: Ishii Kotaro 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 主任研究員 (50632965)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 風間 裕介 福井県立大学, 生物資源学部, 教授 (80442945)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 重イオンビーム / DNA修復 / 線エネルギー付与 / 植物

Outline of Final Research Achievements

A heavy ion beam is a type of ionizing radiation. The energy imparted by the radiation to the surroundings per unit length in the direction of travel is referred to as linear energy transfer (LET; keV/μm). In Arabidopsis dry seed, the mutation rate reaches a maximum at LET = 30 keV/μm, and at 290 keV/μm, large-scale chromosome rearrangements such as deletions and duplications are induced. The objective of this study was to investigate the biological factors influencing the maximum mutation rate and the maximum size of deletions. Regarding the maximum mutation rate, the RPA1E gene, one of the DNA repair enzymes, has been identified as a potential candidate. The distribution of essential genes in the genome was also found to be a factor in determining the upper limit of deletion size.

Free Research Field

植物遺伝学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

重イオンビーム照射では、その物理学的パラメーターであるLETを選択することで、植物に誘発できる突然変異の種類と規模を選択することができる。塩基置換などの小さい変異であれば小さいLETを、多くの遺伝子を含む巨大欠失や染色体レベルでの再編成であれば大きなLETを選択すれば良い。一方で、突然変異は、傷つけられたDNAを生物が修復する過程で生じるため、照射技術のさらなる高度化のためには生物学的なパラメーターを解明する必要がある。本研究では、欠失サイズの制御には必須遺伝子の分布を考慮する必要があることを明らかにした。これは、欠失規模のさらなるテーラーメード化を可能にする発見と言える。