DNA倍加誘導に必要なクロマチン制御系の解明

• Project/Area Number: 21H04715
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• 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)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,340,000 (Direct Cost: ¥31,800,000、Indirect Cost: ¥9,540,000); Fiscal Year 2024: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2023: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2022: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: DNA倍加 / クロマチン / ヒストン / DNA複製

Outline of Research at the Start

DNA倍加は一つ一つの細胞の中でDNA量が倍々に増えていく現象である。それに伴い細胞・器官サイズが大きくなるため、地球上の植物バイオマス生産に大きく貢献している。しかし、植物の中にはDNA倍加を全く起こさない種も存在し、何がDNA倍加能を決める要因となっているかは未だ不明である。本研究ではDNA倍加の誘導メカニズムをクロマチンの視点から明らかにし、植物体でDNA倍加を誘発するための基礎的知見を得る。

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナのヒストンメチル化酵素ATXR5, ATXR6は、ヒストンH3.1に対する基質特異性をもち、27番目のリジンをモノメチル化する（H3K27me1）ことが報告されている。このヒストン修飾は、セントロメア周辺のヘテロクロマチン形成に重要な働きをもつ。これまでの研究から、H3K27me1を介したヘテロクロマチン形成の抑制がDNA倍加誘導及びDNA倍加能の発現と関連する可能性が示唆されている。そこで、まず細胞周期におけるATXR5/6のタンパク質蓄積様式について、GFPマーカー遺伝子を導入したシロイヌナスナを用いて観察した。PCNAマーカーの細胞内局在を指標として細胞周期ステージ、特にS期前期と後期を判別した。根端分裂組織の細胞を観察した結果、ATXR5/6-GFPはどちらもS期前期から後期に向かう過程で急激にタンパク質レベルが減少することが明らかになった。S期後期でセントロメア周辺領域のDNA複製が行われることを考えると、この結果は、ATXR5/6タンパク質の消長がS期におけるDNA複製の順序を決定付ける重要な要因である可能性を示唆している。
次に、ATXR5/6のタンパク質蓄積を制御する候補因子として、E3ユビキチンリガーゼに着目した解析を進めた。当研究室では、すでにATXR5/6のタンパク質分解に関わる候補因子を見出しているので、その因子の細胞周期における蓄積様式について上と同様な解析を行った。その結果、ATXR5/6とは相補的な蓄積パターンを示すことが明らかになった。そこで、この因子の変異体を用いてATXR5/6の蓄積を観察する実験を行ったが、ヘテロ変異体しか得られない因子なので、この観察から野生型植物との差異を見出すことはできなかった。現在、ヘテロ変異体よりも更に発現量が落ちた植物体を作成すべく、RNAiコンストラクトを導入した系統の作出を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞周期におけるATXR5/6の蓄積パターンの解析は順調に進み、特にS期において非常にダイナミックな蓄積変動を示すことが明らかになった。しかし、E3ユビキチンリガーゼの変異体はヘテロ個体しか得られないため、それがATXR5/6の分解に関わるか否かは未だ証明できておらず、今後の課題である。

Strategy for Future Research Activity

ATXR5/6がS期におけるDNA複製順序の制御に関与する可能性が示唆されたので、今後はatxr5/6変異体におけるDNA複製の様態を顕微鏡レベル及び分子レベルで詳細に解析していく。これにより、DNA複製におけるATXR5/6の機能的役割を明らかにするとともに、DNA倍加能とDNA複製の関連性についても解析を進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] GMI(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] GMI(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] CBM(スペイン)
• [Int'l Joint Research] GMI(オーストリア)
• [Journal Article] Cytokinin signaling promotes root hair growth by directly regulating RSL4 expression (2023)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Sasaki Anna、Takahashi Naoki、Shibata Michitaro、Sugimoto Keiko、Tanaka Maho、Seki Motoaki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: - Issue: 12 Pages: 3579-3594
  • DOI: 10.1093/jxb/erad091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plant Stem Cells: The Source of Plant Vitality and Persistent Growth (2023)
  • Author(s): Hayashi Makoto、Mahonen Ari Pekka、Sakakibara Hitoshi、Torii Keiko U、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 3 Pages: 271-273
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tetraploidization promotes radial stem growth in poplars (2022)
  • Author(s): Umeda-Hara Chikage、Iwakawa Hidekazu、Ohtani Misato、Demura Taku、Matsumoto Tomoko、Kikuchi Jun、Murata Koji、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 3 Pages: 215-220
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.0716a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] R2R3-MYB transcription factor GEMMA CUP-ASSOCIATED MYB1 mediates the cytokinin signal to achieve proper organ development in Marchantia polymorpha (2022)
  • Author(s): Aki Shiori S.、Morimoto Tomoyo、Ohnishi Taiki、Oda Ayumi、Kato Hirotaka、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 21123-21123
  • DOI: 10.1038/s41598-022-25684-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of the Plant Cell Cycle in Response to Hormones and the Environment (2021)
  • Author(s): Shimotohno Akie、Aki Shiori S.、Takahashi Naoki、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Annual Review of Plant Biology Volume: 72 Issue: 1 Pages: 72-78
  • DOI: 10.1146/annurev-arplant-080720-103739
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome Maintenance Mechanisms at the Chromatin Level (2021)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Shibata Atsushi、Umeda Masaaki
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10384-10384
  • DOI: 10.3390/ijms221910384
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alterations in hormonal signals spatially coordinate distinct responses to DNA double-strand breaks in Arabidopsis roots (2021)
  • Author(s): Takahashi Naoki、Inagaki Soichi、Nishimura Kohei、Sakakibara Hitoshi、Antoniadi Ioanna、Karady Michal、Ljung Karin、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 25
  • DOI: 10.1126/sciadv.abg0993
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of centromeric heterochromatin ensures proper DNA replication and genome maintenance (2024)
  • Author(s): Moo Kar Yee, Hirotomo Takatsuka, Nanase Kato, Shiori Aki, Masaaki Umeda
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Control of DNA replication by histone methyltransferases ATXR5 and ATXR6 in Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Moo Kar Yee, Akiko Masada, Haruka Manabe, Hirotomo Takatsuka, Shiori Aki, Masaaki Umeda
  • Organizer: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒストンメチル化の制御によるDNA倍加の誘導機構 (2023)
  • Author(s): 賀鐘寛、正田晃子、Kar Yee Moo、岩田悠暉、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Control of DNA replication by histone methyltransferases ATXR5 and ATXR6 in Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Kar Yee Moo、正田晃子、真鍋はるか、高塚大知、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Genome maintenance strategies in plant stem cells (2022)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 14th International Congress of Cell Biology & 9th Asian Pacific Organization for Cell Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genome maintenance strategies in plant stem cells (2022)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: International Symposium on Plant Cell Cycle and DNA Damage Responses 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Proteolysis of histone methyltransferases controls cell cycle progression in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Kar Yee Moo、正田晃子、真鍋はるか、高塚大知、安喜史織、梅田正明
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物成長を制御する分子メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 梅田正明
  • Organizer: 第38回日本植物バイオテクノロジー学会大会
  • Invited
• [Remarks] 植物成長制御研究室ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/umeda/
• [Remarks] 梅田研ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/umeda/