2019 Fiscal Year Annual Research Report
Harnessing the uniparental inheritance of chloroplasts
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 |
19H04861
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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) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 葉緑体DNA / 母性遺伝 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生殖をめぐる多様な現象群のひとつに「母性遺伝」があげられる。母性遺伝とは、葉緑体(cp)やミトコンドリア(mt)がもつ独自の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、ヒトを含む動物や菌類、植物に至る幅広い生物種において普遍的に観察される。母性遺伝は、雌と雄由来のcp/mtDNAを明確に識別し、一方のみを排除することで実現すると考えらえるが、その分子機構は未解明である。本研究では、葉緑体やミトコンドリアがもつ染色体ともいうべき構造「核様体」に注目し、その配偶子形成過程や接合子成熟にともなう修飾や構造変化という観点から母性遺伝における雌雄識別機構（鍵と鍵穴）の根幹に迫ることを目的とした。
クラミドモナスの接合子成熟プログラムは、鍵と鍵穴の関係にある雌性配偶子特異的なGamete specific plus (GSP1)と雄性配偶子特異的なGamete specific minus (GSM)1という二つの転写因子が接合子でヘテロダイマーを形成することで開始される。我々はGSP1遺伝子欠損株のRNAseq解析をもとに、GSP1-GSM1制御下にある遺伝子のうち母性遺伝に関わりうる候補遺伝子について逆遺伝学的解析をおこなってきた。そのなかで今回我々はRecAが、接合胞子におけるメスcpDNAの優先的な複製を引き起こし、母性遺伝を保障しているという新しい可能性を見出した（論文準備中）。
またミトコンドリア母性遺伝について、担子菌類クリプトコッカスをもちいた研究から、オスミトコンドリア核様体の破壊とメスミトコンドリア核様体の選択的増幅の観察に成功した（Nishimura et al., Sci Rep 2020)。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまで母性遺伝は、もっぱらオスの葉緑体やミトコンドリアDNAの分解によって引き起こされると考えられてきた。しかし今回の解析の結果、メスの葉緑体DNAの優先的複製が母性遺伝の保障において重要であり、さらに相同組換えの開始因子であるRecAがその優先的複製を担っていることが明らかになった。以上の結果は今後の母性遺伝機構の研究の方向性を左右する重要なものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回の発見は、これまでオスの葉緑体DNAやミトコンドリアDNAの分解に注目してきた研究の流れに対し、一石を投ずるものである。広く認められるためにはより説得力のあるデータが必要だと推定される。とくにRecAが媒介して行われるDNA複製機構として、rolling circle型DNA複製やrecombination mediated replicationなどが考えられるが、クラミドモナスにおいてこれらの機構の存在を証明するためには、パルスフィールド電気泳動法をもちいた詳細な解析が必要である。パルスフィールド電気泳動によるDNA複製機構の解析は、ミトコンドリアDNAを対象として行われてきたが、葉緑体DNAはミトコンドリアDNAより長く複雑な構造をとっているといわれているため、ミトコンドリアDNAの解析手法がそのまま応用できるわけではなく、慎重な実験条件の検討が必要になると思われる。
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[Journal Article] The pentatricopeptide repeat protein PGR3 is required for the translation of petL and ndhG by binding their 5'UTRs.2021
Author(s)
Higashi, H., Kato, Y., Fujita, T., Iwasaki, S., Nakamura, M., Nishimura, Y., Takenaka, M., Shikanai, T.
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Journal Title
Plant Cell Physiol in press
Volume: -
Pages: -
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[Journal Article] HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii.2021
Author(s)
Takusagawa, M., Kobayashi, Y., Fukao, Y., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H., Hamaji, T., Kato, Y., Miyakawa, I., Misumi, O., Shikanai, T., Nishimura, Y.
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Journal Title
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed
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[Journal Article] Three genomes in the algal genus Volvox reveal the fate of a haploid sex-determining region after a transition to homothallism2021
Author(s)
Yamamoto, K., Hamaji, T., Kawai-Toyooka, H., Matsuzaki, R., Takahashi, F., Nishimura, Y., Kawachi, M., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Umen, J.G., Toyoda, A., Nozaki, H.
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Journal Title
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
Volume: -
Pages: -
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