葉緑体がもつ染色体「核様体」のダイナミズムに挑む

• 研究課題/領域番号: 18H02460
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 西村 芳樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (70444099)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: 葉緑体DNA / 核様体 / 葉緑体核様体 / DNA ligase / DNA 修復 / 相同組換え / DNA リガーゼ / 葉緑体 / 葉緑体DNA複製・修復 / ゲノム安定性

研究成果の概要

DNAの折りたたみは、DNAを持つすべての生命体にとって普遍的な問題である。葉緑体やミトコンドリアは、それぞれ独自の多コピーゲノムを維持しているが、具体的なDNAの折りたたみ機構はわからないことが多かった。本研究において我々は、緑藻クラミドモナスのプロテオミック解析をとおし、葉緑体核様体において、ミトコンドリアの主要な核様体タンパク質であるTFAM/Sbf2pに構造的に類似したタンパク質「HBD1」の同定に成功した。DNAオリガミ／原子間力顕微鏡による解析の結果、HBD1は2つのHMG-boxドメインでUターンやクロスストランドブリッジを形成してDNAを折りたたむことが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

葉緑体において、2つのDNA結合部位（HMG-boxドメイン）を持つタンパク質(HBD1)が、DNAクリップとしてDNAを折り曲げ、架橋することでDNAを折りたたみ、核様体を構築していることが示された。ここで得られた知見は葉緑体工学における葉緑体ゲノムの安定性や遺伝子発現制御に関する新技術開発、さらにヒトを含む動物・植物におけるミトコンドリア核様体の機能解析への応用、医学・農学をふくむ様々な分野への展開が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] エジンバラ大学(英国)
• [雑誌論文] HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG-box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in <i>Chlamydomonas reinhardtii</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Takusagawa Mari、Kobayashi Yusuke、Fukao Yoichiro、Hidaka Kumi、Endo Masayuki、Sugiyama Hiroshi、Hamaji Takashi、Kato Yoshinobu、Miyakawa Isamu、Misumi Osami、Shikanai Toshiharu、Nishimura Yoshiki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 20 ページ: 463-475
  • DOI: 10.1073/pnas.2021053118
  • NAID: 120007035840
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Pentatricopeptide Repeat Protein PGR3 Is Required for the Translation of petL and ndhG by Binding Their 5′ UTRs (2021)
  • 著者名/発表者名: Higashi Haruka、Kato Yoshinobu、Fujita Tomoya、Iwasaki Shintaro、Nakamura Masayuki、Nishimura Yoshiki、Takenaka Mizuki、Shikanai Toshiharu
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: - 号: 7 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three genomes in the algal genus Volvox reveal the fate of a haploid sex-determining region after a transition to homothallism (2021)
  • 著者名/発表者名: Kayoko Yamamoto, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Ryo Matsuzaki, Fumio Takahashi, Yoshiki Nishimura, Masanobu Kawachi, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, James G. Umen, Atsushi Toyoda, Hisayoshi Nozaki
  • 雑誌名: The Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 21
  • DOI: 10.1073/pnas.2100712118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The pentatricopeptide repeat protein PGR3 is required for the translation of petL and ndhG by binding their 5'UTRs. (2021)
  • 著者名/発表者名: Higashi, H., Kato, Y., Fujita, T., Iwasaki, S., Nakamura, M., Nishimura, Y., Takenaka, M., Shikanai, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takusagawa, M., Kobayashi, Y., Fukao, Y., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H., Hamaji, T., Kato, Y., Miyakawa, I., Misumi, O., Shikanai, T., Nishimura, Y.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: -
  • NAID: 120007035840
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] マイクロ流体デバイスが捉えた葉緑体核様体分裂の瞬間 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上村嘉誉, 西村芳樹
  • 雑誌名: Plant Morphology 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 色素体核様体の構造と分裂機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹, 田草川真理
  • 雑誌名: BSJ review 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three genomes in the algal genus Volvox reveal the fate of a haploid sex-determining region after a transition to homothallism (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., Hamaji, T., Kawai-Toyooka, H., Matsuzaki, R., Takahashi, F., Nishimura, Y., Kawachi, M., Noguchi, H., Minakuchi, Y., Umen, J.G., Toyoda, A., Nozaki, H.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Step-wise elimination of α-mitochondrial nucleoids and mitochondrial structure as a basis for the strict uniparental inheritance in Cryptococcus neoformans (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Yoshiki、Shikanai Toshiharu、Kawamoto Susumu、Toh-e Akio
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 2468-2468
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59277-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic Motion of Chloroplast Nucleoids Captured by the Microfluidic System (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamimura Yoshitaka、Kobayashi Yusuke、Nishimura Yoshiki
  • 雑誌名: CYTOLOGIA 巻: 85 号: 3 ページ: 177-178
  • DOI: 10.1508/cytologia.85.177
  • NAID: 130007907372
  • 査読あり
• [雑誌論文] Holliday Junction Resolvase MOC1 Maintains Plastid and Mitochondrial Genome Integrity in Algae and Bryophytes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Yusuke、Odahara Masaki、Sekine Yasuhiko、Hamaji Takashi、Fujiwara Sumire、Nishimura Yoshiki、Miyagishima Shin-ya
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 184 号: 4 ページ: 1870-1883
  • DOI: 10.1104/pp.20.00763
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A non-photosynthetic green alga illuminates the reductive evolution of plastid electron transport systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Kayama Motoki、Chen Jun-Feng、Nakada Takashi、Nishimura Yoshiki、Shikanai Toshiharu、Azuma Tomonori、Miyashita Hideaki、Takaichi Shinichi、Kashiyama Yuichiro、Kamikawa Ryoma
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 18 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1186/s12915-020-00853-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isolation and characterization of Chlamydomonas autophagy-related mutants in nutrient-deficient conditions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kajikawa, M., Yamauchi, M., Shinkawa, H., Tanaka, M., Hatano, K., Nishimura, Y., Kato, M., Fukuzawa, H.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiology 巻: 60 号: 1 ページ: 126-138
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy193
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] DNA supercoil制御を基盤とする葉緑体核様体の遺伝機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹、浜地貴志、小林優介、田草川真理、鹿内利治
  • 学会等名: 日本植物学会第65回大会
• [学会発表] 葉緑体核様体の相転移による均等分配機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹、浜地貴志，小林優介，田草川真理，鹿内利治
  • 学会等名: 第６３回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 葉緑体核様体のダイナミクスを司るもの (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: シンポジウム「葉緑体学事始 ～植物研究が開拓する「細胞とオルガネラの間」の新境地をめざして～」日本植物学会第84回大会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ流体デバイスで捉えた葉緑体核様体のダイナミズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: シンポジウム「異分野融合が推進するイメージング研究」 日本植物学会第84回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 核様体の膜アンカーは葉緑体分化時の核様体の分散に必要である (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
• [学会発表] 葉緑体核様体分裂のダイナミズムを捉える (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: 第４３回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体がもつ「染色体」のダイナミズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: 名古屋大学 GTRオンライン植物科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体核様体にみられる光応答反応 ～光分散・暗集合反応～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原静圭、坂下幸汰、石田悠介、木森義隆、西村芳樹、小林優介、西村いくこ、岩渕功誠
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Anchoring of nucleoids to the thylakoid membrane is essential for distribution of plastid DNA during chloroplast development. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sho Fujii, Toshiharu Shikanai, Yoshiki Nishimura.
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Chloroplast DNA ligase controls the shape of chloroplast nucleoids through the modulation fo DNA supercoils. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura, Y., Hamaji, T., Kobayashi, Y., Takusagawa, M., Shikanai, T.
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 葉緑体核様体の伝達戦略 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: 第14回クラミドモナス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体核様体分裂のダイナミズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹、小林優介、三角修己
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] HMGタンパク質がクラミドモナスの葉緑体DNA凝集をコントロールする (2020)
  • 著者名/発表者名: 田草川真理, 浜地貴志, 深尾陽一郎,日高久美, 小林優介,遠藤政幸, 杉山弘, 鹿内利治, 西村芳樹
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 緑色植物進化における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜地貴志
  • 学会等名: 第15回京大植物縦横無尽の会ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体核様体構造タンパク質と母性遺伝の関連性の発見 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田草川真理, 浜地貴志, 日高久美, 遠藤政幸, 杉山弘, 鹿内利治, 西村芳樹.
  • 学会等名: 第14回植物縦横無尽の会
• [学会発表] 葉緑体核様体の新奇光応答反応～光分散・暗集合反応～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原静圭、坂下幸汰、石田悠介、木森義隆、西村芳樹、小林優介、西村いくこ、岩渕功誠
  • 学会等名: 第8回近畿植物学会講演会
• [学会発表] オートファジーに依存した緑藻Chlamydomonas reinhardtiiの生存と油脂蓄積 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶川昌孝、山内万里花、新川はるか、田中学、幡野恭子、西村芳樹、加藤美砂子、福澤秀哉
  • 学会等名: 2019年度藻類談話会
• [学会発表] 葉緑体の「染色体」が魅せるダイナミズム (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: 第9回 機能制御学セミナー/第4回 新領域開拓セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] HMG1 has common domain structure to major mitochondrial nucleoid protein and controls the level of cpDNA compaction in Chlamydomonas reinhardtii (2019)
  • 著者名/発表者名: Mari Takusagawa, Takashi Hamaji, Kumi Hidaka, Masayuki Endo, Hiroshi Sugiyama, Toshiharu Shikanai and Yoshiki Nishimura
  • 学会等名: Japan-US binational meeting
• [学会発表] Bacterial-to-eukaryotic takeover of chloroplast DNA ligase function in land plants. (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hamaji, Yusuke Kobayashi, Shohei Yamaoka, Toshiharu Shikanai, Yoshiki Nishimura
  • 学会等名: Marchantia Workshop 2019
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体局在型DNAリガーゼの同定とその欠損株における葉緑体核様体異常 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹、小林優介、 浜地貴志、松尾拓哉、鹿内利治
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会
• [学会発表] 緑色植物における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜地貴志, 小林優介, 山岡尚平, 鹿内利治, 西村芳樹
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会
• [学会発表] 葉緑体核様体のかたちを司るDNAリガーゼの同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹、小林優介、 浜地貴志、松尾拓哉、鹿内利治
  • 学会等名: 第１３回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 緑色植物進化における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜地貴志, 小林優介, 山岡尚平, 鹿内利治, 西村芳樹
  • 学会等名: 第13回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 葉緑体核様体タンパク質HMG1は2つのDNA結合ドメインで核様体のサイズを制御する (2019)
  • 著者名/発表者名: 田草川真理、浜地貴志、鹿内利治、西村芳樹
  • 学会等名: 第１３回クラミドモナス研究会
• [備考] 京都大学大学院理学研究科 植物分子遺伝学研究室／西村グループ
  • URL: https://sites.google.com/view/shikanailab/research/nishimura-group
• [備考] 京都大学大学院理学研究科植物分子遺伝学研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/shikanailab/research/nishimura-group