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Comprehensive understanding of mechanisms underlying the piRNA pathway

Research Project

Project/Area Number 19H05466
Research Category

Grant-in-Aid for Specially Promoted Research

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Biological Sciences
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

塩見 美喜子  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20322745)

Project Period (FY) 2019-04-23 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥542,490,000 (Direct Cost: ¥417,300,000、Indirect Cost: ¥125,190,000)
Fiscal Year 2022: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000)
Fiscal Year 2021: ¥104,650,000 (Direct Cost: ¥80,500,000、Indirect Cost: ¥24,150,000)
Fiscal Year 2020: ¥104,650,000 (Direct Cost: ¥80,500,000、Indirect Cost: ¥24,150,000)
Fiscal Year 2019: ¥135,200,000 (Direct Cost: ¥104,000,000、Indirect Cost: ¥31,200,000)
KeywordspiRNA / トランスポゾン / PIWI / サイレンシング / 生殖 / RNAサイレンシング
Outline of Research at the Start

生殖組織特異的小分子RNAであるpiRNAはトランスポゾンの利己的転移を抑制することにより生殖ゲノムをDNA 損傷から守る。piRNAの機能欠失は生殖組織の発生・分化阻害、卵子・精子の形成不全、ひいては不妊を引き起こす。piRNAの発見以降、piRNA機構の動作原理を解明する研究は国内外で精力的に行われているが、全容解明には至っていない。そこで本研究ではこれまでに培った知識や手法、発想などを十分に生かした研究を展開することによってpiRNA研究の集大成に挑む。本研究の成果は、piRNA機構の統合的理解のみならず、生殖システムの包括的理解、自己・非自己の識別分子機構の理解、ひいては生殖医療へと繋がる。

Outline of Annual Research Achievements

本年度も5つの項目、[RP-1] 生殖系体細胞におけるpiRNA生合成機構の解明、[RP-2] 生殖細胞におけるpiRNA生合成機構の解明、[RP-3] 生殖系体細胞のpiRNAによる転写制御機構の解明、[RP-4] piRNA因子の立体構造解析、[RP-5] マウス胎児期生殖細胞におけるクロマチン動態の解析、を主項目とした。概要を以下に示す。[RP-1]主にミトコンドリア局在因子Minoに焦点を当てて解析を進めた。MinoはPiwiと結合しphased piRNA生成の足場となるという考察を得た。[RP-2] RNAヘリケースDDX43がSiwi-piRISC生成を促す因子であることを見出し、論文としてまとめ報告した(Murakami et al. 2021)。また、二次Siwi-piRISCの成熟化が液層凝集体(nuageの一種)で起こることを見出しAgo3 bodyと名付けた。Ago3 bodyの形成にはAgo3-piRISCとVretの両者が必要であることも明らかにした。本成果は論文としてまとめ報告した(Nishida et al. 2020)。[RP-3] OSC細胞でPiwiの制御を受ける大半のトランスポゾンはBrm依存的に転写が開始すること、また、Piwi補因子MaelがBrmに働きかけ、標的DNAからBrmとRNA Pol IIの量を減少させることによることが明らかとなった。本成果は論文として報告した(Onishi et al. 2020)。[RP-4]ショウジョウバエPiwi-piRISCをOSCから単離精製し、その立体構造を世界で初めて明らかにした。これに関しても論文としてまとめ報告した(Yamaguchi et al. 2020)。[RP-5]マウスPIWIメンバーMiwi2に結合すると思われる新規補因子が得られたため解析を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画に沿って研究計画を実行し、令和2年度は学術論文として6報を発表した。そのうち4報に関しては「6. 研究実績の概要」に示した通りである。そのほかの2報は共同研究として遂行した。当初の計画以上に進展している理由としては、がん抑制因子L(3)mbtの新規補因子を同定したことが挙げられる。我々は、本研究課題採択以前に、生殖細胞特異的に起こるpiRNA増幅機構の因子は、がん抑制因子L(3)mbtによって一括して制御されていることを見出した(Sumiyoshi et al. 2016)。本研究課題採択後は、その作用機序を理解することを目的として研究を進めたが、その過程においてL(3)mbtに特異的に結合する核局在型補因子を同定することに成功した。この新規因子の活性が無い条件下では、L(3)mbt活性が無い条件下と同様にpiRNA増幅機構に関わる因子が脱抑制されることを見出した。また、この新規因子(Lint-Oと命名)の遺伝学的解析を進めたところ、ショウジョウバエ脳においてL(3)mbtの場合と同様に、piRNA増幅因子の発現上昇が観察された(未発表)。一方、今のところL(3)mbt変異体とは異なり、Lint-O変異体において脳腫瘍化は見出されていない。OSCではL(3)mbtとLint-Oは協同してpiRNA増幅因子を制御するが、脳-つまり生殖組織外-のがん抑制という点に関しては、その協同の度合いが異なるのかもしれない。本研究を進めることによってL(3)mbt/Lint-Oがどの様な仕組みで異種組織において異なる標的遺伝子を制御するのかを理解することができると考える。また、がん研究にも寄与する可能性がある。ちなみにL(3)mbt欠損細胞は染色体の倍加を引き起こす。

Strategy for Future Research Activity

[RP-1] Gaszは、これまでの我々の解析からGaszはArmiに結合することによってpiRNA成熟化反応の足場として機能することが判明したが、これにDaedがどのように関わるかを理解する。ショウジョウバエ以外の生物はDaedホモログを持たない。つまり、Gaszが単体で機能するのであるが、その生物学的意義を探る。[RP-2] Qin欠損によって脱抑制されるトランスポゾンはウイルス様の顆粒を形成するが、この顆粒に含まれる分子を同定する。これまでの研究からL(3)mbtに特異的に結合する核局在因子を同定することに成功した。この新規因子が欠失した条件下では、L(3)mbtの欠失条件下と同様にpiRNA増幅因子が脱抑制されることも見出した。L(3)mbtとこの新規L(3)mbt結合因子を含む複合体を単離精製し、それに含まれるその他の因子を同定するとともにその機能解析を進める。新規因子の遺伝学的解析も進める。[RP-3] Gtsf1の解析をさらに進める。ショウジョウバエはGtsf1ホモログを4つ発現するが、これら各々のホモログは特定のPiwiホモログと共に機能する可能性がある。これを検証すると共に、そのような結果が得られた場合には、その機能的意義を理解する。[RP-4] 数多くあるpiRNA因子の中からまずはSoYb/Vret複合体の解析を進める。OSCから免疫沈降によって回収すると共に、並行してリコンビナントタンパク質の精製も試みる。また、piRNAに結合していないPIWIメンバーの構造は未だ未解明であるため、それを進める。[RP-5] Miwi2結合型新規候補因子が得られたため、その機能解析を進める。今後はこれらを主テーマとして研究を推進する。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(6 results)
  • 2021 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report

Research Products

(41 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 13 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Hamster PIWI proteins bind to piRNAs with stage-specific size variations during oocyte maturation2021

    • Author(s)
      Kyoko Ishino, Hidetoshi Hasuwa, Jun Yoshimura, Yuka W Iwasaki, Hidenori Nishihara, Naomi M Seki, Yasubumi Sakakibara, Atsushi Toyoda, Takehiko Itoh, Mikiko C Siomi, Shinichi Morishita, Haruhiko Siomi, et al.
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 49 Pages: 2700-2720

    • DOI

      10.1093/nar/gkab059

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] DEAD‐box polypeptide 43 facilitates piRNA amplification by actively liberating RNA from Ago3‐piRISC2021

    • Author(s)
      Murakami Ryo、Sumiyoshi Tetsutaro、Negishi Lumi、Siomi Mikiko C
    • Journal Title

      EMBO reports

      Volume: 22

    • DOI

      10.15252/embr.202051313

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Piwi suppresses transcription of Brahma-dependent transposons via Maelstrom in ovarian somatic cells2020

    • Author(s)
      Onishi R, Sato K, Murano K, Negishi L, Siomi H, Siomi MC.
    • Journal Title

      Sci. Adv.

      Volume: 6

    • DOI

      10.1126/sciadv.aaz7420

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Siwi levels reversibly regulate secondary piRISC biogenesis by affecting Ago3 body morphology in Bombyxmori2020

    • Author(s)
      Nishida KM, Sakakibara K, Sumiyoshi T, Yamazaki H, Mannen T, Kawamura T, Kodama T, Siomi MC.
    • Journal Title

      EMBO J.

      Volume: 39

    • DOI

      10.15252/embj.2020105130

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Mi-2 nucleosome remodeler and the Rpd3 histone deacetylase are involved in piRNA-guided heterochromatin formation2020

    • Author(s)
      Mugat B, Nicot S, Chavez CV, Jourdan C, Sato K, Basyuk E, Juge F, Siomi MC, Pelisson A, Chambeyron S.
    • Journal Title

      Nature Com.

      Volume: 11 Pages: 108-120

    • DOI

      10.1038/s41467-020-16635-5

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Crystal structure of Drosophila Piwi2020

    • Author(s)
      Yamaguchi S. Oe A, Nishida KM, Yamashita K, Kajiya A, Hirano S, Matsumoto N, Dohmae N, Ishitani R, Saito K, Siomi H, Nishimasu H, Siomi MC. Nureki O.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-13

    • DOI

      10.1038/s41467-020-14687-1

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The piRNA pathway in <i>Drosophila</i> ovarian germ and somatic cells2020

    • Author(s)
      SATO Kaoru、SIOMI Mikiko C.
    • Journal Title

      Proc. Jpn. Acad., Ser. B

      Volume: 96 Issue: 1 Pages: 32-42

    • DOI

      10.2183/pjab.96.003

    • NAID

      130007783757

    • ISSN
      0386-2208, 1349-2896
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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Armitage determines Piwi-piRISC processing from precursor formation and quality control to inter-organelle translocation2020

    • Author(s)
      Yamashiro H, Negishi M, Kinoshita T, Ishizu H, Ohtani H, Siomi MC.
    • Journal Title

      EMBO Report

      Volume: 21 Issue: 2

    • DOI

      10.15252/embr.201948769

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Assembly and Function of Gonad-Specific Non-Membranous Organelles in Drosophila piRNA Biogenesis2019

    • Author(s)
      Hirakata Shigeki、Siomi Mikiko C.
    • Journal Title

      Non-Coding RNA

      Volume: 5 Pages: 52-52

    • DOI

      10.3390/ncrna5040052

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  • [Journal Article] Essential roles of Windei and nuclear monoubiquitination of Eggless/SETDB1 in transposon silencing2019

    • Author(s)
      Osumi K, Sato K, Murano K, Siomi H, Siomi MC.
    • Journal Title

      EMBO Report

      Volume: 20 Issue: 12

    • DOI

      10.15252/embr.201948296

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  • [Journal Article] Nuclear RNA cxport factor variant initiates piRNA-guided co-transcriptional silencing2019

    • Author(s)
      Murano K, Iwasaki YW, Ishizu H, Mashiko A, Shibuya A, kondo S, Adachi S, Suzuki S, Saito K, Natsume T, Siomi MC, Siomi H
    • Journal Title

      EMBO J

      Volume: 印刷中 Issue: 17 Pages: 1-20

    • DOI

      10.15252/embj.2019102870

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Distinct and Collaborative Functions of Yb and Armitage in Transposon-Targeting piRNA Biogenesis.2019

    • Author(s)
      Ishizu H, Kinoshita T, Hirakata S, Komatsuzaki C, Siomi MC.
    • Journal Title

      Cell Report

      Volume: 27 Issue: 6 Pages: 1822-1835

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2019.04.029

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Requirements for multivalent Yb body assembly in transposon silencing in Drosophila.2019

    • Author(s)
      Hirakata S, Ishizu H, Fujita A, Tomoe Y, Siomi MC.
    • Journal Title

      EMBO Rep.

      Volume: 印刷中 Issue: 7

    • DOI

      10.15252/embr.201947708

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 1.Characterization of DEAD-box RNA helicase Vasa in LLPS-mediated nuage formation in ovarian germ cells.2020

    • Author(s)
      Yamazaki H, Murakami R, Kuriyama S, Kajiya A, and Siomi MC.
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会(MBSJ)
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 2.Siwi levels reversibly regulate secondary piRISC biogenesis by affecting Ago3 body morphology in Bombyx mori.2020

    • Author(s)
      Nishida KM, Sakakibara K, Sumiyoshi T, Yamazaki H, Mannen T, Kawamura T, Kodama T, and Siomi MC.
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会(MBSJ)
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 3.Elucidation of transcriptional regulatory mechanism of piRNA factors by tumor suppressor gene lethal(3) malignant brain tumor.2020

    • Author(s)
      山本瞳、山中総一郎、佐藤薫、吉種光、深田吉孝、塩見美喜子
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会(MBSJ)
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 4.Piwi suppresses transcription of Brahma-dependent transposons via Maelstrom in ovarian somatic cells2020

    • Author(s)
      大西遼、佐藤薫、村野健作、根岸瑠美、塩見春彦、塩見美喜子
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会(MBSJ)
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Analysis of processing mechanism of piRNA precursors in piRNA biogenesis in Drosophila2020

    • Author(s)
      Haruna Yamashiro, Mayu Negishi, Tatsuki Kinoshita, Hirotsugu Ishizu, Mikiko C. Siomi
    • Organizer
      Noncoding RNA:Mechanism,Function and Therapies
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  • [Presentation] Piwi suppresses transcription of Brahma-dependent transposons via Maelstrom in the piRNA pathway2020

    • Author(s)
      Ryo Onishi, Kaoru Sato, Kensaku Murano, Lumi Negishi,Haruhiko Siomi, Mikiko C. Siomi
    • Organizer
      Noncoding RNA:Mechanism,Function and Therapies
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Analysis of processing mechanism of piRNA precursors in piRNA biogenesis in Drosophila2020

    • Author(s)
      Tatsuki Kinoshita, Hirotsugu Ishizu, Shigeki Hirakata, Limi Negishi, Mikiko C. Siomi
    • Organizer
      Noncoding RNA:Mechanism,Function and Therapies
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 第一次piRNA生成経路におけるQinの分子機能解析2020

    • Author(s)
      西田知訓、鍛治屋麻子、宮田祐実、岩崎由香、塩見春彦、塩見美喜子
    • Organizer
      先端モデル動物支援プラットフォーム
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  • [Presentation] piRNA Biogenesis and functions in Drosophila2019

    • Author(s)
      Mikiko C. Siomi
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      【ISEV2019】International Society for Extracellular Vesicles
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] piRNA Biogenesis and functions in Drosophila2019

    • Author(s)
      Mikiko C. Siomi
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] piRNA Biogenesis and functions in Drosophila2019

    • Author(s)
      Mikiko C. Siomi
    • Organizer
      The RNA Localization and Local Translation Conferrence
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Analysis of ping-pong dependent piRNA biogenesis2019

    • Author(s)
      住吉哲太朗、榊原和洋、西田知訓、塩見美喜子
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      第11回日本RNAi研究会
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  • [Presentation] Analysis of processing mechanism of piRNA precursors in piRNA biogenesis in Drosophila2019

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      木下達貴、山城はるな、根岸茉由、石津大嗣、塩見美喜子
    • Organizer
      第11回日本RNAi研究会
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  • [Presentation] ショウジョウバエ卵巣においてYb bodyはゲノムをトランスポゾンから保護する2019

    • Author(s)
      平形樹生、石津大嗣、藤田あおい、巴裕美子、塩見美喜子
    • Organizer
      AdAMS若手支援技術講習会
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  • [Presentation] Functional analysis of Gtsf1 in the Piwi-piRISC-mediated transcriptional silencing2019

    • Author(s)
      Horikoshi Mina, Onishi Ryo, Mikiko C. Siomi
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      RNAフロンティアミーティング2019
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  • [Presentation] piRNA前駆体のオルガネラ間輸送機構の解明2019

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      根岸茉由、山城はるな、塩見美喜子
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      RNAフロンティアミーティング2019
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  • [Presentation] カイコpiRNA生合成経路におけるQin及びSpn-Eの機能解析2019

    • Author(s)
      鍛治屋麻子、西田知訓、宮田祐実、吉種光、深田吉孝、塩見美喜子
    • Organizer
      RNAフロンティアミーティング2019
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  • [Presentation] Molecular function of Qin in piRNA biogenesis in silkworm ovarian germ cells2019

    • Author(s)
      Kazumichi Nishida, Yumi Miyata, Asako Kajiya, Yuka W. Iwasaki, Haruhiko Siomi, Mikiko C. Siomi
    • Organizer
      Japanese-Russian Symposium on piRNA Silencing
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  • [Presentation] PiwiはMaelstromを介してBrm依存的なトランスポゾンの転写を抑制する2019

    • Author(s)
      大西遼、佐藤薫、村野健作、堀越美菜、根岸瑠美、塩見春彦、塩見美喜子
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  • [Presentation] piRNA biogenesis and function2019

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      Mikiko C. Siomi
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      EMBO Member's Meeting2019
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  • [Presentation] Molecular mechanism underlying inter-organelle translocation of piRNA precursor2019

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      Haruna Yamashiro, Mayu Negishi, Tatsuki Kinoshita, Hirotsugu Ishizu, Mikiko C. Siomi
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      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] RNAヘリカーゼBmVasaによるnuage形成機構の解明2019

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      栗山渉吾、村上僚、塩見美喜子
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      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] カイコpiRNA生合成経路におけるQinの機能解析2019

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      西田知訓、宮田祐実、鍛治屋麻子、岩崎由香、塩見春彦、塩見美喜子
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      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] ショウジョウバエpiRNA経路におけるYb bodyの機能と形成機構2019

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      平形樹生、石津大嗣、藤田あおい、巴裕美子、塩見美喜子
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      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] カイコpiRNA因子GTSFに対する抗体作製とそれを用いた生化学的解析2019

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      住吉哲太朗、Walter Bronkhorst、Rene Ketting、西田知訓、塩見美喜子
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      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] カイコ卵巣由来生殖細胞のpiRNA生合成機構におけるPapiリン酸化修飾の生物学的意義2019

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      山田紘実、西田知訓、根岸瑠美、塩見美喜子
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      第42回日本分子生物学会年会
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      http://www-siomilab.biochem.s.u-tokyo.ac.jp/index.html

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Published: 2019-05-29   Modified: 2022-07-01  

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