2017 Fiscal Year Annual Research Report
Harnessing chloroplast inheritance
Publicly Offered Research
| Project Area | Determining the principles of the birth of new plant species: molecular elucidation of the lock-and-key systems in sexual reproduction |
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| Project/Area Number |
17H05840
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西村 芳樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (70444099)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 葉緑体DNA / 相同組換え / 母性遺伝 / 緑藻クラミドモナス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生殖をめぐる多様な現象群のうち、未だその分子機構や進化的意義が分からないものの一つに「葉緑体(cp)やミトコンドリア(mt)DNAの母性遺伝」がある。母性遺伝とは、葉緑体やミトコンドリアが持つ独自のDNA(cp/mtDNA)が母親のみから子孫に伝えられる現象のことであり、ヒトを含む動物から菌類、藻類、植物に至る幅広い生物種において普遍的に観察される。本研究では、これまで看過されてきたcp/mtDNA-タンパク質複合体（cp/mtヌクレオイド）の役割に注目した。Cp/mtヌクレオイドは、葉緑体やミトコンドリアの染色体ともいうべき構造体で、DNA複製、修復、転写、翻訳の要であるとされる。今回の研究の結果、我々は母性遺伝を撹乱するCpヌクレオイド遺伝子が突き止められた。
本研究では雌雄同型の配偶子で生殖をおこなう緑藻クラミドモナスにおいて、接合子形成は正常におこなわれるにもかかわらず葉緑体母性遺伝を含む接合子成熟過程がブロックされた変異体biparental(bp)31のトランスクリプトーム解析結果をもとに、接合子特異的に発現上昇する葉緑体核様体遺伝子群を中心とした逆遺伝学的な解析を進めた。各遺伝子について遺伝子破壊株を単離して母性遺伝撹乱の有無を調査したところ、とくに葉緑体DNA組換えに関わる遺伝子の欠損株において母性遺伝の撹乱（両性遺伝・父性遺伝）が検出され、厳密な母性遺伝の維持にはこれらの遺伝子が必須であることが明らかになってきた。母性遺伝においては雌由来の葉緑体DNAの選択的な増幅が一つの鍵となる。相同組換えによる葉緑体DNA増幅の制御が、母性遺伝を決定づける一つの重要因子なのだと思われる。今後、さらに詳細な分子機構について解析をおこなう予定である。
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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
母性遺伝の制御機構として、これまでオートファジーやミトコンドリアEndoGなどいくつか報告がなされている。これらの報告では、母性遺伝のみならず、発達過程も阻害され、ときに致死的影響があることから、発達阻害の二次的影響として母性遺伝の撹乱が引き起こされている可能性があると思われる。今回、クラミドモナスのオートファジー変異体（ATG8欠損株）は窒素飢餓条件に対し著しく感受性が高く死にやすくなったが、生き残った接合子やProgenyでは完全に正常な母性遺伝が確認されたことから、クラミドモナスにおける葉緑体母性遺伝がオートファジーによって制御されている可能性は否定された(Kajikawa et al., PCP 2019)。それに対し今回同定された葉緑体核様体遺伝子群の変異は、クラミドモナスの生育にはほとんど影響を与えず、母性遺伝のみが撹乱されることから、母性遺伝のより直接的な分子機構に迫ることができたと期待される。しかしながら、各遺伝子のより具体的な機能、すなわちこれらの遺伝子が相同組換えにどのように関わり、それがいかにして母性遺伝の選択性に寄与するのかについては、さらに詳細な解析が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
緑藻クラミドモナスの母性遺伝を決定づけるステップとして、１）接合直後における雄由来葉緑体DNAの選択的分解、２）接合胞子の発芽時における雌由来葉緑体DNAの選択的複製がある。今回同定された遺伝子欠損株について、どちらのステップが異常になっているのかを、まず詳細に解析する。１）のステップについては顕微鏡観察による雄由来葉緑体核様体の消失の有無を確認する。２）のステップについては葉緑体ゲノムを対象とした定量PCR解析、およびEdUによる新規合成DNAの選択的標識、biotin化、Avidin磁気ビーズによる濃縮をおこなうことで、雌雄いずれの葉緑体DNAが増幅されているのかを検証する実験系の確立を目指す。雌雄のゲノムを明確に識別するために、薬剤耐性遺伝子カセットaadAおよび葉緑体ゲノム全域にわたって多型（物理マーカー）が存在するChlamydomonas reinhardtiiとChlamydomonas smithiiの交配系を利用する。１）のステップに異常が観察された場合には、相同組換え関連タンパク質によって葉緑体DNAの構造が改変され、未知ヌクレアーゼに対する感受性が変化している可能性が考えられる。雌雄の葉緑体DNAについて、そのトポロジー変化を追跡するため、接合子からの葉緑体DNAの単離、S1ヌクレースへの感受性比較などを行う。２）のステップに異常が観察された場合には、接合子における雌由来葉緑体DNAの選択的複製が相同組換えによって制御されている可能性が示唆される。これについて、２次元電気泳動による葉緑体DNA構造の詳細な解析が必要となる。
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[Journal Article] Isolation and characterization of Chlamydomonas autophagy-related mutants in nutrient-deficient conditions.2019
Author(s)
Kajikawa, M., Yamauchi, M., Shinkawa, H., Tanaka, M., Hatano, K., Nishimura, Y., Kato, M., Fukuzawa, H.
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Journal Title
Plance Cell Physiol.
Volume: 60
Pages: 126-138
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Dynamic Network Structure of Chloroplast Nucleoids.2018
Author(s)
Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai, Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai.
Organizer
18th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
Int'l Joint Research
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