細胞機能の自由なデザインを実現する革新的細胞の創出

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K22290
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 得平 茂樹 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (90548132)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2023-03-31
• Keywords: 細胞分化 / 細胞機能改変

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、多細胞性シアノバクテリアAnabaena sp. PCC 7120が形成する分化細胞の機能をゲノムレベルで改変する技術を開発し、外部から導入した代謝経路や人工的にデザインした遺伝子システムのみが機能する人工細胞分化システムの構築を目指す。本研究においては、mRNA中のACA配列を認識・切断するリボヌクレアーゼであるMazFを分化細胞特異的に発現させることで、分化細胞に元々存在するmRNAを分解し、さらにその細胞内でACA配列を持たない人工合成遺伝子を発現させ、細胞機能を入れ替える。これまでの研究により、分化細胞での遺伝子発現をより厳密かつ自在に操作する技術の開発が不可欠であることが明らかとなってきた。これまでに分化細胞での遺伝子発現制御に関わる転写因子DevHの機能解析を進めるなど、分化細胞特異的に遺伝子発現を制御する技術の開発に成功している。そこで本年度は、分化細胞での遺伝子発現を任意のタイミングでon/offする技術の開発に向け、テオフィリンriboswitch(TRS)による制御系の導入を進めた。TRSをもつ遺伝子では翻訳が阻害されているため遺伝子の発現が起こらないが、テオフィリンの添加により翻訳阻害が解除され発現が誘導される。現在、配列の異なる複数種類のTRSをAnabaenaに導入し、その翻訳阻害効率および解除後の発現量を調べ、本研究に最適なTRSの選定を進めている。また、遺伝子の欠損・導入の効率を向上させるために、CRISPR-Cpf1システムによる遺伝子改変技術の導入も進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究を進めていく中で、本研究の推進には遺伝子発現制御技術や遺伝子改変技術のさらなる開発が必要であることが明らかとなり、その技術の開発を進めている。

Strategy for Future Research Activity

現在開発を進めている遺伝子発現制御技術や遺伝子改変技術を利用して、細胞機能を自由に改変する技術を開発する。

Causes of Carryover

当初想定していたよりも遺伝子発現制御を厳密に行う必要があり、そのための技術開発が必要となった。その技術を適用して、次年度に本研究の目的を達成するために予算を繰り越した。また、国際学会を含め、参加予定であった学会がオンライン開催となったため、旅費の支出が当初見積もりよりも少なくなった。

Research Products

• [Journal Article] Excitation-energy transfer in heterocysts isolated from the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 as studied by time-resolved fluorescence spectroscopy (2022)
  • Author(s): Nagao Ryo、Yokono Makio、Ueno Yoshifumi、Nakajima Yoshiki、Suzuki Takehiro、Kato Ka-Ho、Tsuboshita Naoki、Dohmae Naoshi、Shen Jian-Ren、Ehira Shigeki、Akimoto Seiji
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1863 Pages: 148509～148509
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148509
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The two-component response regulator OrrA confers dehydration tolerance by regulating <i>anaKa</i> expression in the cyanobacterium <i>Anabaena</i> sp. strain PCC 7120 (2021)
  • Author(s): Kimura Satoshi、Sato Miho、Fan Xingyan、Ohmori Masayuki、Ehira Shigeki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1101/2021.08.03.454875
  • Open Access
• [Journal Article] 多細胞性シアノバクテリアによる物質生産 (2021)
  • Author(s): 得平 茂樹
  • Journal Title: 生物工学会誌 Volume: 99 Pages: 421～424
  • DOI: 10.34565/seibutsukogaku.99.8_421
• [Presentation] Functional analysis of an essential gene in cyanobacteria that is conserved among oxygen-evolving photosynthetic organisms (2022)
  • Author(s): 城取良樹、厚沢季美江、Egi Apdila Tritya、金子康子、粟井光一郎、得平茂樹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアNostoc sp. PCC7120におけるRuBisCO activase-like proteinの機能の解析 (2022)
  • Author(s): 林悠介、得平茂樹、蘆田弘樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] シアノバクテリアにおいて糸状体を構成する各細胞のサイズを不均一にする仕組み (2022)
  • Author(s): 加藤優一、得平茂樹
  • Organizer: 第16回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアAnabaena sp. strain PCC7120におけるヘテロシスト多糖層形成制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 原田真生、松岡聡、得平茂樹
  • Organizer: 第16回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 多細胞性シアノバクテリアにおいて栄養細胞集団の中から分化する細胞が選び出される仕組みの解析 (2022)
  • Author(s): 千村明日美、高鳥直士、得平茂樹
  • Organizer: 第16回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] OrrA, a principal regulator of dehydration stress response, is required for akinete formation in the multicellular cyanobacterium Anabaena variabilis ATCC 29413 (2022)
  • Author(s): Hida, S., Kimura, S., Sato, M., Fan, X., Kimijima, A., Ohmori, M., and Ehira, S.
  • Organizer: The 8th German-Japanese Binational Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional analysis of an essential gene in cyanobacteria that is conserved among oxygen-evolving photosynthetic organisms (2022)
  • Author(s): Shirotori, Y., Atsuzawa, K., Tritya E.A., Kaneko, Y., Awai, K., and Ehira, S.
  • Organizer: The 8th German-Japanese Binational Seminar
  • Int'l Joint Research