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Mechanisms of maintenance and regeneration of pluripotent stem cells

Planned Research

Project AreaPrinciples 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 TypeSingle-year Grants
Review Section Biological Sciences
Research InstitutionNara 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 *help
¥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
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。

Report

(4 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report

Research Products

(69 results)

All 2021 2020 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (14 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 5 results) Presentation (40 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 19 results) Remarks (2 results)

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      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

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    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 117 Issue: 49 Pages: 31500-31509

    • DOI

      10.1073/pnas.2013305117

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      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

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    • Journal Title

      Plant Molecular Biology

      Volume: 103 Issue: 3 Pages: 321-340

    • DOI

      10.1007/s11103-020-00994-0

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      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

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      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

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      Aki Shiori S.、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
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      Plant Signaling & Behavior

      Volume: 14 Issue: 11 Pages: 1668232-1668232

    • DOI

      10.1080/15592324.2019.1668232

    • NAID

      120006731887

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      Umeda Masaaki、Aki Shiori S、Takahashi Naoki
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      Current Opinion in Plant Biology

      Volume: 51 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1016/j.pbi.2019.03.001

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      Hwang Ildoo、Umeda Masaaki
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      Current Opinion in Plant Biology

      Volume: 51 Pages: A1-A3

    • DOI

      10.1016/j.pbi.2019.09.006

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      Takatsuka Hirotomo、Umeda Masaaki
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    • DOI

      10.1080/15592324.2019.1578632

    • NAID

      120006731888

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    • Journal Title

      The Plant Journal

      Volume: - Issue: 3 Pages: 439-453

    • DOI

      10.1111/tpj.13866

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      Takatsuka Hirotomo、Higaki Takumi、Umeda Masaaki
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      Plant Physiology

      Volume: 178 Issue: 3 Pages: 1130-1141

    • DOI

      10.1104/pp.18.00557

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      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

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    • Organizer
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    • Organizer
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      髙橋直紀、梅田正明
    • Organizer
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    • Organizer
      Marchantia Workshop 2019
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    • Organizer
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      髙橋直紀、梅田正明
    • Organizer
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  • [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
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [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
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [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
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Control of chromatin structure along differentiation trajectories2018

    • Author(s)
      高塚大知、梅田正明
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Genome maintenance mechanisms in mammalian pluripotent stem cells2018

    • Author(s)
      上川泰直、坪内知美
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Maintenance of genome integrity in root stem cells2017

    • Author(s)
      梅田正明
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Maintenance of genome integrity in root stem cells2017

    • Author(s)
      梅田正明
    • Organizer
      Plant Cell and Developmental Biology: Approaches to Multiscale Biosystems
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • 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
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Toward understanding of cytokinin-mediated control of organogenesis2017

    • Author(s)
      安喜史織、梅田正明
    • Organizer
      Marchantia Workshop 2017: Renaissance of Marchantia polymorpha - the genome and beyond
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • 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
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Remarks] 梅田研ホームページ

    • URL

      https://bsw3.naist.jp/umeda/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report 2017 Annual Research Report
  • [Remarks] 坪内研ホームページ

    • URL

      http://www.nibb.ac.jp/stemcell/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report 2017 Annual Research Report

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Published: 2017-07-04   Modified: 2021-12-27  

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