Elucidation of cellular environment-sensing mechanism involving upstream ORFs and its application to genome breeding

• Project/Area Number: 19H02917
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Onouchi Hitoshi 北海道大学, 農学研究院, 教授 (50322839)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 上流ORF / リボソーム / ストレス応答 / 新生鎖 / uORF / 環境応答 / 栄養応答

Outline of Research at the Start

mRNA の 5′非翻訳領域に上流ORF (uORF) と呼ばれる小さな ORF が存在し、そこにコードされるペプチドが自身を翻訳したリボソームの機能に影響を与えることによって翻訳を制御する場合がある。研究代表者はこれまでに植物において、ストレス、栄養状態、細胞分化状態など様々な細胞内環境に応答した翻訳制御に関与する uORF ペプチドを見出した。本研究は、uORFペプチドが細胞内環境を感知してリボソーム機能を制御する未知の機構を明らかにすることを目的とする。さらに、作物において翻訳を抑制する uORF をゲノム編集を用いて破壊することにより、有用な形質を持つ作物の作出を目指す。

Outline of Final Research Achievements

Upstream open reading frames (uORFs) are elements found in the 5'-untranslated regions of eukaryotic transcripts that can affect translation of the downstream protein-coding sequences. In this study, we discovered that during translation of the uORF of an Arabidopsis gene, the translation complex containing the uORF-encoded nascent peptide directly senses magnesium to cause ribosome stalling, thereby repressing translation of the protein-coding sequence. Our results demonstrated that this magnesium-responsive translational regulation contributes to maintaining magnesium homeostasis in plant cells. Additionally, we identified a non-AUG-initiated uORF involved in the feedback regulation of the expression of a key enzyme of polyamine biosynthesis in plants.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、マグネシウムやポリアミンの細胞内濃度を感知して恒常性を維持するための新たな機構が発見された。マグネシウムは植物の生育に必要な多量要素の一つであり、ポリアミンは植物の環境ストレス耐性に関与することが知られている。したがって、本研究の発見は植物生理学や分子生物学の分野に学術的なインパクトを与えるだけでなく、将来的には栄養欠乏環境やストレス環境における作物の生育改善などの応用につながることが期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Upstream open reading frame-mediated upregulation of ANAC082 expression in response to nucleolar stress in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Sasaki S, Murakami T, Yasumuro M, Makita A, Oi Y, Hiragori Y, Watanabe S, Kudo R, Hayashi N, Ohbayashi I, Sugiyama M, Yamashita Y, Naito S, Onouchi H
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 40 Issue: 1 Pages: 21-30
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.1215a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2023-03-25
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome-wide identification of Arabidopsis non-AUG-initiated upstream ORFs with evolutionarily conserved regulatory sequences that control protein expression levels (2022)
  • Author(s): Hiragori Yuta、Takahashi Hiro、Karino Taihei、Kaido Atsushi、Hayashi Noriya、Sasaki Shun、Nakao Kodai、Motomura Taichiro、Yamashita Yui、Naito Satoshi、Onouchi Hitoshi
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: 111 Issue: 1-2 Pages: 37-55
  • DOI: 10.1007/s11103-022-01309-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exhaustive identification of conserved upstream open reading frames with potential translational regulatory functions from animal genomes (2020)
  • Author(s): Takahashi Hiro、Miyaki Shido、Onouchi Hitoshi、Motomura Taichiro、Idesako Nobuo、Takahashi Anna、Murase Masataka、Fukuyoshi Shuichi、Endo Toshinori、Satou Kenji、Naito Satoshi、Itoh Motoyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 16289-16289
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73307-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comprehensive genome-wide identification of angiosperm upstream ORFs with peptide sequences conserved in various taxonomic ranges using a novel pipeline, ESUCA (2020)
  • Author(s): Takahashi Hiro、Hayashi Noriya、Hiragori Yuta、Sasaki Shun、Motomura Taichiro、Yamashita Yui、Naito Satoshi、Takahashi Anna、Fuse Kazuyuki、Satou Kenji、Endo Toshinori、Kojima Shoko、Onouchi Hitoshi
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 21 Issue: 1 Pages: 260-260
  • DOI: 10.1186/s12864-020-6662-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reverse genetics-based biochemical studies of the ribosomal exit tunnel constriction region in eukaryotic ribosome stalling: spatial allocation of the regulatory nascent peptide at the constriction. (2020)
  • Author(s): Seidai Takamatsu, Yubun Ohashi, Noriyuki Onoue, Yoko Tajima, Tomoya Imamichi, Shinya Yonezawa, Kyoko Morimoto, Hitoshi Onouchi, Yui Yamashita, Satoshi Naito
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 48 Issue: 4 Pages: 1985-1999
  • DOI: 10.1093/nar/gkz1190
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 非 AUG 開始型上流 ORF と RNA 二次構造による翻訳制御を介したポリアミン合成のフィードバ ック機構 (2023)
  • Author(s): 平郡雄太、安室美陽、海藤篤、狩野泰平、山下由衣、内藤哲、尾之内均
  • Organizer: 第64回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナのポリアミン合成酵素遺伝子の非AUG開始型uORFを介した翻訳制御 (2022)
  • Author(s): 平郡雄太, 安室美陽, 林憲哉, 佐々木駿, 山下由衣, 内藤哲, 尾之内均
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナの２つの機能性タンパク質をコードする核コードmRNAの翻訳制御機構 (2022)
  • Author(s): 中尾晃大, 垣内俊哉, 伊藤正樹, 野本友司, 高橋広夫, 山下由衣, 内藤哲, 尾之内均
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナS1bZIP遺伝子グループにおけるショ糖に応答した転写後制御の解析 (2022)
  • Author(s): 本多悠吾, 菅原収吾, 尾之内均, 内藤哲, 山下由衣
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物における小胞体ストレス応答を司る翻訳停滞の分子機構とその特異性 (2022)
  • Author(s): 今道朋哉, 楠本奈央, 高松世大, 本多悠吾, 村岡栞, 尾之内均, 内藤哲, 山下由衣
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 植物間で保存され翻訳調節に関与する非AUG開始型uORFのゲノムワイドな探索 (2021)
  • Author(s): 平郡雄太，高橋広夫，林憲哉，佐々木駿，山下由衣，内藤哲，尾之内均
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物間で保存された翻訳調節に関与する非AUG型uORFのゲノムワイド探索 (2020)
  • Author(s): 平郡雄太，高橋広夫，林憲哉，佐々木駿，山下由衣，内藤哲，尾之内均
  • Organizer: 第42回分子生物学会年会
• [Presentation] 植物間で保存された翻訳調節に関与する非AUG型uORFのゲノムワイド探索 (2020)
  • Author(s): 平郡雄太，高橋広夫，林憲哉，佐々木駿，山下由衣，内藤哲，尾之内均
  • Organizer: 第61回植物生理学会年会
• [Presentation] 上流 ORF の新生ペプチドを含む翻訳複合体が細胞内のマグネシウム濃度を感知して翻訳を制御する (2019)
  • Author(s): 林憲哉, 佐々木駿, 平郡雄太, Zhihang Feng, 藤原徹, 渡部敏裕, 町田幸大, 今高寛晃,高橋広夫, 山下由依, 内藤哲, 尾之内均
  • Organizer: 第61回植物生理学会年会
• [Presentation] Development of bioinformatics methods and their applications: from plant to medical sciences (2019)
  • Author(s): Takahashi H., Machida C., Muto M., Kojima S., Itoh M., Onouchi H., and Sasaki H
  • Organizer: International Conference for Leading and Young Medical Scientists - IC-LYMS 2019 -
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] マグネシウム耐性植物、マグネシウム耐性植物の製造方法、マグネシウム耐性植物の栽培方法、及び遺伝子 (2021)
  • Inventor(s): 尾之内均、林憲哉、海藤篤
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人北海道大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021