Mechanisms of maintenance and regeneration of pluripotent stem cells

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 17H06477
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 梅田 正明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80221810)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蓑田 亜希子 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, チームリーダー (40721569) ; 坪内 知美 基礎生物学研究所, 幹細胞生物学研究室, 准教授 (70754505)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥212,810,000 (Direct Cost: ¥163,700,000、Indirect Cost: ¥49,110,000); Fiscal Year 2021: ¥46,800,000 (Direct Cost: ¥36,000,000、Indirect Cost: ¥10,800,000); Fiscal Year 2020: ¥46,800,000 (Direct Cost: ¥36,000,000、Indirect Cost: ¥10,800,000); Fiscal Year 2019: ¥46,800,000 (Direct Cost: ¥36,000,000、Indirect Cost: ¥10,800,000); Fiscal Year 2018: ¥46,800,000 (Direct Cost: ¥36,000,000、Indirect Cost: ¥10,800,000); Fiscal Year 2017: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
• Keywords: 幹細胞 / 多能性 / ゲノム恒常性 / クロマチン / 1細胞解析 / 多能性幹細胞 / DNA損傷 / ES細胞

Outline of Annual Research Achievements

体細胞にDNA変異が蓄積するのを防ぐため、動物では重篤なDNA損傷を受けた細胞は細胞死を起こす。一方、植物の場合はDNA損傷に応答して幹細胞でのみ細胞死が起き、同時に幹細胞ニッチの細胞が分裂を活性化することにより、幹細胞を新たに補給する仕組みが備わっている。これまでの研究から、DNA損傷を受けた幹細胞では、オーキシンシグナルの低下がゲノムを不安定化させ、細胞死を誘導することが示唆されている。そこで、ゲノムの不安定化要因について様々なシロイヌナズナ変異体を用いて解析したところ、ヒストンの修飾やヌクレオソームへの取り込みが密接に関連していることを見出した。また、オーキシン処理による幹細胞死の抑制がこれらの変異体では見られないことから、オーキシンシグナルの下流でクロマチン構造が制御されることにより、幹細胞ゲノムの恒常性が維持されることが示唆された。一方、幹細胞再生に関しては、再生に必要なブラシノステロイドシグナルの活性化にホルモン受容体と転写因子間のフィードバック制御が重要な役割をもつことを見出した。また、この制御系は、細胞死を起こした細胞の周囲で細胞分裂が活性化する際にも機能していることが明らかとなった。
これまでの研究から、ES細胞ではDNA複製フォーク速度が低下し、複製開始点が密に分布していることが示唆されている。そこで、dNTP量を増大させ、人為的にDNA複製フォーク速度を上昇させたところ、複製フォークが停止しがちになり、複製完了が遅延することが明らかになった。すなわち、ES細胞ではDNA複製を滞りなく完了させるために複製開始点を密に維持している可能性が考えられた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

植物ホルモンとクロマチン構造の関連性は、遺伝子発現制御に関係するもの以外、これまでほとんど報告されていない。したがって、本研究で見出したオーキシンによるゲノム安定性の制御メカニズムは全く新規なものであり、今後その分子機構まで解明できれば大きな成果となる。また、動物のES細胞でDNA複製が精緻に制御されていることが明らかとなった。これは、動植物間で多能性幹細胞を比較する際の新たな着目点と言え、領域研究の推進に大いに貢献するものである。

Strategy for Future Research Activity

今後は、オーキシンがどのようにヒストンの修飾やヌクレオソームへの取り込みに関与する因子を制御しているのかが重要な課題となる。すでにタンパク質分解やリン酸化など、いくつかの候補となる制御メカニズムが見えつつあるので、これらの可能性を一つ一つ検証していく。ブラシノステロイド受容体と転写因子間のフィードバック制御については、転写因子が結合するプロモーター上の配列に変異を導入した植物を作成中なので、この植物の表現型を観察することにより、幹細胞再生におけるフィードバック制御の生理的意義を解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CRAG(スペイン)
• [Int'l Joint Research] メリーランド大学(米国)
• [Int'l Joint Research] VIB(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Int'l Joint Research] CRAG(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ハンブルク大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Int'l Joint Research] CRAG(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ハンブルク大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Int'l Joint Research] CRAG(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ハンブルク大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] スウェーデン農業大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Journal Article] Plant stem cell research is uncovering the secrets of longevity and persistent growth (2021)
  • Author(s): Umeda Masaaki、Ikeuchi Momoko、Ishikawa Masaki、Ito Toshiro、Nishihama Ryuichi、Kyozuka Junko、Torii Keiko U.、Satake Akiko、Goshima Gohta、Sakakibara Hitoshi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: Online ahead of print Issue: 2 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1111/tpj.15184
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TheArabidopsisNRT1/PTR FAMILY protein NPF7.3/NRT1.5 is an indole-3-butyric acid transporter involved in root gravitropism (2020)
  • Author(s): Watanabe Shunsuke、Takahashi Naoki、Kanno Yuri、Suzuki Hiromi、Aoi Yuki、Takeda-Kamiya Noriko、Toyooka Kiminori、Kasahara Hiroyuki、Hayashi Ken-ichiro、Umeda Masaaki、Seo Mitsunori
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 49 Pages: 31500-31509
  • DOI: 10.1073/pnas.2013305117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CDKD-dependent activation of CDKA;1 controls microtubule dynamics and cytokinesis during meiosis (2020)
  • Author(s): Sofroni Kostika、Takatsuka Hirotomo、Yang Chao、Dissmeyer Nico、Komaki Shinichiro、Hamamura Yuki、Bottger Lev、Umeda Masaaki、Schnittger Arp
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 219 Issue: 8
  • DOI: 10.1083/jcb.201907016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1 acts as a regulator coordinating crosstalk between DNA damage response and immune response in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Yoshiyama Kaoru Okamoto、Aoshima Naoki、Takahashi Naoki、Sakamoto Tomoaki、Hiruma Kei、Saijo Yusuke、Hidema Jun、Umeda Masaaki、Kimura Seisuke
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: 103 Issue: 3 Pages: 321-340
  • DOI: 10.1007/s11103-020-00994-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A regulatory module controlling stress-induced cell cycle arrest in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Takahashi Naoki、Ogita Nobuo、Takahashi Tomonobu、Taniguchi Shoji、Tanaka Maho、Seki Motoaki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: eLife Volume: 8
  • DOI: 10.7554/elife.43944
  • NAID: 120006619181
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cytokinin signaling is essential for organ formation in Marchantia polymorpha (2019)
  • Author(s): Aki Shiori S、Mikami Tatsuya、Naramoto Satoshi、Nishihama Ryuichi、Ishizaki Kimitsune、Kojima Mikiko、Takebayashi Yumiko、Sakakibara Hitoshi、Kyozuka Junko、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Issue: 8 Pages: 1842-1854
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz100
  • NAID: 120006711216
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cytokinin signaling coordinates development of diverse organs in Marchantia polymorpha (2019)
  • Author(s): Aki Shiori S.、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 14 Issue: 11 Pages: 1668232-1668232
  • DOI: 10.1080/15592324.2019.1668232
  • NAID: 120006731887
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gap 2 phase: making the fundamental decision to divide or not (2019)
  • Author(s): Umeda Masaaki、Aki Shiori S、Takahashi Naoki
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 51 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2019.03.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Editorial overview: How plants transform signaling cues into changes in gene expression (2019)
  • Author(s): Hwang Ildoo、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 51 Pages: A1-A3
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2019.09.006
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] ABA inhibits root cell elongation through repressing the cytokinin signaling (2019)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 14 Issue: 3 Pages: e1578632-e1578632
  • DOI: 10.1080/15592324.2019.1578632
  • NAID: 120006731888
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identifying the target genes of SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1, a master transcription factor controlling DNA damage response in Arabidopsis. (2018)
  • Author(s): Ogita N, Okushima Y, Tokizawa M, Yamamoto YY, Tanaka M, Seki M, Makita Y, Matsui M, Okamoto-Yoshiyama K, Sakamoto T, Kurata T, Hiruma K, Saijo Y, Takahashi N, Umeda M.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: - Issue: 3 Pages: 439-453
  • DOI: 10.1111/tpj.13866
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Actin reorganization triggers rapid cell elongation in roots (2018)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Higaki Takumi、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 178 Issue: 3 Pages: 1130-1141
  • DOI: 10.1104/pp.18.00557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Arabidopsis R1R2R3-Myb proteins are essential for inhibiting cell division in response to DNA damage (2017)
  • Author(s): Chen Poyu、Takatsuka Hirotomo、Takahashi Naoki、Kurata Rie、Fukao Yoichiro、Kobayashi Kosuke、Ito Masaki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 635-635
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00676-4
  • NAID: 120006354238
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA損傷に応答したシロイヌナズナの根の幹細胞再生に関する解析 (2021)
  • Author(s): 吹田宗樹、高橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] DNA損傷応答におけるインドール酪酸輸送の役割の解明 (2021)
  • Author(s): 高橋直紀、吉國早希、梅田正明
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] オーキシンを介したヘテロクロマチン形成の制御機構 (2021)
  • Author(s): 安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] DNA損傷に応答した細胞周期停止の制御機構の解明 (2021)
  • Author(s): 細谷美遥、高橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Role of cell cycle regulation in cell fate determination (2020)
  • Author(s): 杉山輝樹、梅田正明
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] DNA損傷に応答した根の成長抑制におけるサイトカイニン合成の役割 (2020)
  • Author(s): 高橋直紀、Ioanna Antoniadi、Michal Karady、Karin Ljung、梅田正明
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Regulation of DNA replication in mammalian pluripotent stem cells (2020)
  • Author(s): Yasunao Kamikawa、Akino Matsumoto、Tomomi Tsubouchi
  • Organizer: JSDB Online Meeting
• [Presentation] DNA損傷に応答したANAC044/085によるG2期停止機構 (2020)
  • Author(s): 森夏実、高橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] DNA損傷応答を制御するヒストン脱アセチル化酵素の機能解析 (2020)
  • Author(s): 辻幸、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Regulatory mechanism of stem cell maintenance in Arabidopsis roots (2020)
  • Author(s): 髙橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] クロマチン制御によるゲノム恒常性維持機構 (2020)
  • Author(s): 安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Genome maintenance strategies in stem cells (2019)
  • Author(s): 梅田正明、安喜史織、高橋直紀
  • Organizer: International Symposium: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ストレスに応答した細胞分裂制御 (2019)
  • Author(s): 髙橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
  • Invited
• [Presentation] The developmental role of cytokinins in Marchantia polymorpha (2019)
  • Author(s): Shiori S. Aki, Tatsuya Mikami, Satoshi Naramoto, Ryuichi Nishihama, Kimitsune Ishizaki, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Hitoshi Sakakibara, Junko Kyozuka, Takayuki Kohchi, Masaaki Umeda
  • Organizer: Marchantia Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A regulatory module controlling cell cycle arrest in response to multiple stresses (2019)
  • Author(s): 梅田正明、髙橋直紀
  • Organizer: Plant Cell & Developmental Biology: Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genotoxic stress inhibits root growth by enhancing cytokinin biosynthesis above the meristem (2019)
  • Author(s): 髙橋直紀、梅田正明
  • Organizer: Plant Cell & Developmental Biology: Cold Spring Harbor Conferences Asia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gene regulatory networks in root nodule symbiosis (2019)
  • Author(s): Kai Battenberg, Tsuneo Hakoyama, Atsuko Hirota, Akihiro Yamazaki, Shiori Aki, Masaaki Umeda, Thomas Kelly, Nicola Hetherington, Aki Minoda
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] Genome maintenance strategies in stem cells (2019)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] DNA損傷に応答した細胞周期停止を制御する転写因子複合体の同定 (2019)
  • Author(s): 高橋知伸、荻田伸夫、谷口昌司、高橋直紀、梅田正明
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会
• [Presentation] ストレスに応答した細胞周期停止の制御機構の解明 (2019)
  • Author(s): 高橋直紀、荻田伸夫、高橋知伸、谷口昌司、梅田正明
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会
• [Presentation] DNA damage activates two distinct signaling pathways controlling DNA repair and cell cycle arrest (2018)
  • Author(s): 高橋直紀、荻田伸夫、梅田正明
  • Organizer: Plant Genome Stability and Change 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of stem cell division by fine-tuning cyclin-dependent kinase activity (2018)
  • Author(s): 杉山輝樹、高塚大知、梅田正明
  • Organizer: Auxin and Cytokinin in Plant Development
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA damage responses in Arabidopsis roots (2018)
  • Author(s): 梅田正明、荻田伸夫、高橋直紀
  • Organizer: 日本遺伝学会第90回大会
  • Invited
• [Presentation] 植物のストレスに応答した細胞周期停止の分子機構 (2018)
  • Author(s): 高橋直紀、荻田伸夫、梅田正明
  • Organizer: 日本遺伝学会第90回大会
• [Presentation] Developing a single-cell bioinformatics analysis pipeline: Application of single-cell RNA-Seq to plant tissues (2018)
  • Author(s): S. Thomas Kelly, Nicola A. Hetherington, Shiori Aki, Haruka Yabukami, Kai Battenberg, Makoto Hayashi, Masaaki Umeda, Akiko Minoda
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 植物ホルモンによるクロマチン構造変化を介したゲノム恒常性維持機構 (2018)
  • Author(s): 安喜史織、Aida Nazlyn Binti Nazari、高橋直紀、高塚大知、梅田正明
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 多能性幹細胞におけるDNA複製ストレス応答 (2018)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: 日本遺伝学会第90回大会
  • Invited
• [Presentation] Unique regulation of dNTP production in mammalian pluripotent stem cells (2018)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: EMBO Workshop on DNA Replication, Chromosome Segregation and Fate Decisions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多能性幹細胞におけるDNA複製完了のメカニズム (2018)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 複製フォーク動態を介した多能性幹細胞におけるゲノム安定性維持機構 (2018)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] ゼニゴケにおけるサイトカイニンレスポンスレギュレーターの機能解析 (2018)
  • Author(s): 安喜史織、三神達也、西浜竜一、小嶋美紀子、竹林裕美子、榊原均、河内孝之、梅田正明
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] CDK阻害因子による幹細胞維持機構の解明 (2018)
  • Author(s): 杉山輝樹、野口博史、高塚大知、梅田正明
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ANAC044およびANAC085はDNA損傷による細胞周期停止に必要である (2018)
  • Author(s): 高橋直紀、荻田伸夫、高橋知伸、谷口昌司、梅田正明
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Control of chromatin structure along differentiation trajectories (2018)
  • Author(s): 高塚大知、梅田正明
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Genome maintenance mechanisms in mammalian pluripotent stem cells (2018)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Maintenance of genome integrity in root stem cells (2017)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Maintenance of genome integrity in root stem cells (2017)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: Plant Cell and Developmental Biology: Approaches to Multiscale Biosystems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 植物幹細胞の神秘を探る (2017)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 植物科学シンポジウム2017：植物科学のバイオ農業への展開
  • Invited
• [Presentation] Toward understanding of cytokinin-mediated control of organogenesis (2017)
  • Author(s): 安喜史織、梅田正明
  • Organizer: Marchantia Workshop 2017: Renaissance of Marchantia polymorpha - the genome and beyond
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多能性細胞におけるDNA複製とゲノム恒常性 (2017)
  • Author(s): 上川泰直、坪内知美
  • Organizer: 第40回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 梅田研ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/umeda/
• [Remarks] 坪内研ホームページ
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/stemcell/