2022 Fiscal Year Annual Research Report
Replacement of mitochondrial genome with synthesized DNA
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21H02467
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
和田 健一 九州大学, 薬学研究院, 特任准教授 (20525919)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | ミトコンドリアゲノム / マイクロ流体デバイス / 合成DNA |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミトコンドリアゲノム（mtDNA）は約16.5kbの環状DNAであり，動物細胞における唯一の核外ゲノムである．エネルギー産生に関わる遺伝子群をコードしており，個体の生存に必須な極めて重要なゲノムであるが，実用的な改変技術が開発されていないためその機能解析の実施が大きく制限されている．本研究は真に自由自在なmtDNAの改変を可能にする合成DNAによるmtDNAの全置換の実現を目指しており，この目標を達成するために以下の3つの課題を設定した．すなわち，（1）外来mtDNA受容細胞の創出，（2）外来mtDNA受容細胞を用いた合成DNAに由来する自己複製子の構築，（3）合成mtDNAによる内在性mtDNA置換の実現とその機能解析，である．
研究計画の通り，昨年度に引き続き令和4年度は，課題（1）を中心に研究を実施した．具体的には，申請者の独自技術であるマイクロ流体デバイスを用いたホモプラズミックなmtDNA改変技術に基づいた外来mtDNA受容細胞の創出を進めた．しかし，このアプローチで求められるホモプラズミックなmtDNA変異細胞ライブラリーを構築することができなかった．一方で，これに並行して，新たなアプローチとして，異種間ハイブリッド作製による外来mtDNA受容細胞の創出を試みた．具体的には，異種間ハイブリッド作製に必要な各種細胞材料を準備し，ハイブリッド株の樹立，および，その機能解析を進めた．その結果，外来mtDNA受容細胞として機能するいくつかのハイブリッド株の候補を得ることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究2年目にあたる令和4年度は，マイクロ流体デバイスを用いた単一ミトコンドリア移植技術に基づいた外来mtDNA受容細胞の創出に取り組んだが，現在のところ，このアプローチによる外来mtDNA受容細胞の創出は達成できていない．その原因の一つとして，現在使用しているマイクロ流体デバイスのスループットの低さが考えられた．この問題に対して，課題実施者本人（代表研究者）が令和5年度に新規マイクロ流体デバイスの開発が可能な工学領域の研究室に移動したため，今後は高スループットな新規マイクロ流体デバイスの開発が可能になる見込みである．
一方で，研究実績の概要に期した通り，令和4年度ではマイクロ流体デバイスを用いた方法に加え，異種間ハイブリッド作製に基づいた新しいアプローチによる外来mtDNA受容細胞の創出を進めた．その結果，すでにいくつかのハイブリッド株が得られており，その中には外来mtDNA受容細胞として機能する有力な候補も含まれていた．これらの状況により，本研究課題は概ね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在のところ，研究計画前半の中核である外来mtDNA受容細胞の創出に至っていない．これを解決するために，当初の研究計画で提案した独自のマイクロ流体デバイスを用いた方法に加えて，異種間ハイブリッドを用いたアプローチを新たに加えた．今後は，この異なる二つのアプローチから外来mtDNA受容細胞の創出を目指す．
マイクロ流体デバイスを用いたアプローチにおいては，可能な限り大規模なホモプラズミックなmtDNA 変異細胞ライブラリーの構築が必要である．この課題に対して，マイクロ流体デバイス開発が可能な工学分野の研究室に異動したことで，高スループットな新規マイクロ流体デバイスの開発が可能になった．今後は，新規デバイスの開発を進めることでホモプラズミックなmtDNA 変異細胞ライブラリーの構築を実現し，外来mtDNA受容細胞の創出を目指す．
異種間ハイブリッドによるアプローチにおいては，これに必要な細胞材料の準備が既に完了している．この成果に基づいて，今後は可能な限り多数のハイブリッド株を得ること進める．既に，いくつかの外来mtDNA受容細胞として機能する異種間ハイブリッドの候補が得られているが，このハイブリッドの機能解析も進めていく．
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