機能性ポリアミドによる緑藻の生殖プログラムのハッキング

• 研究課題/領域番号: 18K19337
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分44:細胞レベルから個体レベルの生物学およびその関連分野
• 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)
• 研究分担者: 杉山 弘 京都大学, 理学研究科, 教授 (50183843)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2018年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
• キーワード: 機能性ポリアミド / 緑藻クラミドモナス / 接合 / 細胞透過性 / 緑藻 / 生殖 / 生殖プログラム / シスエレメント

研究成果の概要

機能性ポリアミドは狙った特定塩基配列に直接結合する人工化学物質である。その標的配列は任意にデザインでき、目的遺伝子の発現抑制に応用できる。この技術により単細胞緑藻クラミドモナスの接合子特異的遺伝子群のcis-elementであるZYREの解析をおこなった。まず実験の最初の障壁は細胞透過性の向上であった。様々な条件を検証した結果、ポリアミドをアルギニン(R)およびTAMRAで修飾すると細胞透過性が向上することが判明した。RT-qPCR解析により、ZYREを標的としたポリアミド処理による接合子特異的遺伝子の発現抑制が確認され、ZYREの重要性が支持された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

機能性ポリアミドは狙った特定塩基配列に直接結合する人工化学物質であり、その標的配列は任意にデザインでき、目的遺伝子の発現抑制や活性化に応用できる。しかし細胞透過性の問題が、これまで一つの障壁であった。今回の研究から、ポリアミドにアルギニンを付加したり、TAMRAで修飾することにより、その細胞透過性を向上させて遺伝子発現の抑制効果を検証できるようになったことから、より多くの生物種への応用の糸口が得られた。また、今回の解析の方法論は、様々な生物種におけるcis-elementの遺伝子発現制御における機能解析に応用できると期待される。

研究成果

• [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] 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] 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] 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
• [雑誌論文] Chloroplast nucleoids as a transformable network revealed by live imaging with a microfluidic device (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamimura Yoshitaka、Tanaka Hitomi、Kobayashi Yusuke、Shikanai Toshiharu、Nishimura Yoshiki
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 1:47 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0055-1
  • NAID: 120006469191
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 葉緑体核様体の形態・分配を保障するHollidayジャンクション切断酵素の発見 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Yusuke、Misumi Osami、Nishimura Yoshiki
  • 雑誌名: ＰＬＡＮＴ ＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹ 巻: 30 号: 1 ページ: 73-81
  • DOI: 10.5685/plmorphol.30.73
  • NAID: 130007622405
  • ISSN: 0918-9726, 1884-4154
  • 査読あり
• [雑誌論文] 葉緑体DNAの分配を司るホリデイジャンクション解離酵素の発見 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 76(5) ページ: 404-404
• [雑誌論文] 葉緑体核様体の進化と構造のダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林優介、三角修己、西村芳樹
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 56(10) ページ: 651-658
• [雑誌論文] ゲノム編集の時代における「緑の酵母」クラミドモナスの復権 (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜地貴志・西村芳樹
  • 雑誌名: 生物工学 巻: 96(8) ページ: 475-475
• [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
  • 招待講演
• [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] 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回京都大学植物縦横無尽の会
• [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
  • 国際学会
• [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
  • 国際学会 / 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
• [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、鹿内利治
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 核様体局在のHMGBタンパク質がDNA結合ドメインを２つもつ利点 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田草川真理, 小林優介, 深尾陽一朗, 日高久美, 遠藤政幸, 杉山弘, 宮川勇, 鹿内利治, 三角修己, 西村芳樹
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Chloroplast chromosomes on the move - Exploring the dynamics of chloroplast nucleoids - (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nishimura
  • 学会等名: 理研/ERATO/CSRSセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 葉緑体核様体ネットワークの動態制御機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村 芳樹，浜地 貴志，小林 優介，鹿内 利治
  • 学会等名: 日本植物学会第８２回大会
• [学会発表] Dynamic network structure of chloroplast nucleoids. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai
  • 学会等名: 1st Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 葉緑体核様体のダイナミクスと進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村芳樹
  • 学会等名: SIC研究部セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamic transformable network of chloroplast nucleoids (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai
  • 学会等名: International symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis.
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamic Network Structure of Chloroplast Nucleoids. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai, Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai.
  • 学会等名: 18th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • 国際学会
• [学会発表] ボルボックス系列異型配偶ユードリナにおける配偶子誘導要因の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 豊岡 博子，浜地 貴志，西村 芳樹，宮城島 進也，箕浦 高子，野崎 久義
  • 学会等名: 日本植物学会第８２回大会
• [学会発表] 母性遺伝メカニズムの解明に向けたクラミドモナス有性生殖のゲノム編集アプローチ (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜地 貴志，山岡 尚平，鹿内 利治，西村 芳樹
  • 学会等名: 日本植物学会第８２回大会
• [学会発表] 雌雄異株種・同株種ボルボックスの性染色体領域・相同領域における比較ゲノム解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本 荷葉子，浜地 貴志，豊岡 博子，新垣 陽子，野口 英樹，豊田 敦，水口 洋平，野崎 久義
  • 学会等名: 日本植物学会第８２回大会
• [学会発表] Biological analysis of plastid nucleoid-associated HMG-box protein in Chlamydomonas reinhardtii. (2018)
  • 著者名/発表者名: Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura.
  • 学会等名: International symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis.
  • 国際学会
• [学会発表] 第14回植物縦横無尽の会 (2018)
  • 著者名/発表者名: Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura
  • 学会等名: Organelle nucleoid-associated HMG-box proteins may have been evolved independently through tandem domain duplications.
• [学会発表] Organelle nucleoid-associated HMG-box proteins may have been evolved independently through tandem domain duplications. (2018)
  • 著者名/発表者名: Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura.
  • 学会等名: Gordon Research Conference, Mitochondria and Chloroplasts.
  • 国際学会
• [備考] 京都大学植物分子遺伝学研究室
  • 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: http://www.bot.kyoto-u.ac.jp/j/5_iden.html