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, ユニットリーダー (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 2020)
• 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開始することにより、幹細胞を新たに補給する仕組みが備わっている。そこで、本研究では植物における幹細胞の細胞死と再生の機構、および動植物における幹細胞ゲノムの恒常性維持機構を明らかにし、植物幹細胞の維持に働く制御基盤を理解する。
これまでの研究から、DNA損傷に応答して植物幹細胞が細胞死を起こす際に、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、シロイヌナズナの根において、DNA損傷に応答してオーキシンシグナルを低下させる要因を探索した結果、サイトカイニン合成遺伝子の発現誘導が根の移行領域でのサイトカイニンシグナルを活性化させ、オーキシンの頂端側への移行を阻害していることを見出した。一方、根端の幹細胞の再生に関しては、ブラシノステロイド受容体の下流で働く転写因子がQC細胞の分裂を活性化し、さらにブラシノステロイド受容体遺伝子の発現誘導にも関与していることが明らかになったので、プロモーター上での結合部位について解析を行っている。
ES細胞において、S期を通じてDNA複製装置の進行速度が遅いこと、またそれは細胞内のdNTP量が低いためであることを見出した。そこで、人為的にdNTP量を増加させたところ、複製未完了領域が増えていること、また複製開始点間の距離が広がることがわかった。これらの結果から、ES細胞では複製開始点の数を増やすことによって複製完了精度を高めている可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

DNA損傷に応答してオーキシンシグナルを抑制するメカニズムとして、根の移行領域におけるサイトカイニンシグナルの活性化が細胞非自律的に幹細胞のオーキシンシグナルを低下させることを見出したので、幹細胞のゲノム恒常性維持機構として全く新規な概念を提示することができた。また、動物細胞において、DNA複製開始点の数の制御が多能性と関連することを見出したのは大きな成果である。

Strategy for Future Research Activity

ブラシノステロイド受容体遺伝子のプロモーターに、下流転写因子が結合する部位の変異を導入し、形質転換植物を使ってDNA損傷に応答したQC細胞分裂の表現型を観察する。これにより、この正のフィードバックがDNA損傷に応答した幹細胞再生にどのように関わっているか検証する。また、QC細胞分裂と幹細胞死の相互作用についても解析を進める。さらに、ES細胞においてdNTP量を検出できるセンサーを開発し、dNTP量を低く保つメカニズムや、DNA複製制御との関連性について解析する。

Research Products

• [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] 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 Cell Physiol. Volume: 60 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 Signal. Behav. Volume: 14 Pages: 1668232-1668232
  • DOI: 10.1080/15592324.2019.1668232
  • 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: Curr Opin Plant Biol 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
  • 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
  • DOI: 10.1080/15592324.2019.1578632
  • 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: - Pages: 439-453
  • DOI: 10.1111/tpj.13866
  • NAID: 120006411144
  • 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 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 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/