mitoTALEN法を用いた植物ミトコンドリアゲノム修復と細胞質雄性不稔の解析

• 研究課題/領域番号: 19KK0391
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分39010:遺伝育種科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 有村 慎一 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (00396938)
• 研究期間 (年度): 2020 – 2023
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)
• キーワード: ミトコンドリア / ゲノム編集 / 植物ミトコンドリア / ミトコンドリアゲノム編集

研究開始時の研究の概要

植物ミトコンドリアゲノムは遺伝子組換え技術が確立されていなかったが，申請者らは最近ゲノム編集技術TALENを応用して標的遺伝子破壊に世界で初めて成功(mitoTALEN法)した．このmitoTALEN法を活かして①CMSと②ミトコンドリアゲノム修復について，各トップ研究者と共同研究を行う．また基課題は，mitoTALEN技術を応用発展させた遺伝子導入とCMS移植技術開発に挑戦している．それぞれの成果を基課題にフィードバックするとともに，開発する新たな技術も共同研究の枠組みに随時組み入れることで，技術開発のみに留まらずにこれを用いた研究を飛躍的に進め，国際貢献と先端研究ネットワーク構築を目指す．

研究実績の概要

Jose Gualberto博士、2022年度はスウェーデンでの国際植物ミトコンドリア学会で両者発表するとともに対面研究打合せを行った。当該共同研究を実際に行っている現地大学院生の発表が当該学会国際植物ミトコンドリア会議で、優秀発表賞2名の1人に選ばれるなど、当該会議でも大きな反響を持って受け入れられた。Fracoise Budar博士とはZoom打合せを行い、こちらで用意し作成したゲノム編集酵素の発現ベクターをフランス現地に送付し、彼女の植物材料シロイヌナズナ細胞質雄性不稔株に導入した材料が完成し、これを解析してみたところ、ゲノム編集が極めて有効に機能し、標的DNAの切断削除、並びに植物表現型の変化が確認された。その後、ミトコンドリアゲノム配列の変化を次世代シークエンサーで解読してデータ解析の直前まで進んでおり、この解析の終了とともに投稿論文投稿ができるように部分分担執筆を行った。来年度中の論文掲載が見込まれる。2022年度はmitoTALEN技術を用いた共同研究が共著投稿論文としてPlant Journal誌とPlant Physiology誌に掲載され、対象植物や遺伝子の異なる多様な例を報告することができた。また、この期間途上でできた一文字編集技術では、植物ミトコンドリアゲノムでも標的一文字置換に成功し、こちらは指導大学院生が主著、研究代表者がラスト責任著者としてPNAS誌に発表することができた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

コロナかのため現地滞在ができず交流という店では遅滞があり、最終年度を延長して現地への訪問と研究議論を行う予定であるが、研究そのものは材料の送付交換とzoomによる議論発達、意外な新規ゲノム編集技術（オルガネラゲノム一文字置換技術）に成功し発表することができ、またそれをもとにした国際共同研究が進展した。これらの順調な国際交流をもとに、学術振興会拠点形成事業に申請し、2023年4月から「植物オルガネラ研究の国際拠点形成」https://plant-organelle.jp
を開始することにつながり、当該フランスの研究者を含め、ドイツならびにそのほかの国とも五年間研究交流を拡大延長することにつながった。

今後の研究の推進方策

2023年の8月にJose Gualberto博士との共同研究打合せのために現地滞在予定であり、研究を論文化を検討する。Francoise Budar博士とも現地で研究打合せを行う。最後のデータ解析を共同で執り行い、論文の完成投稿を行う。そのほか国際拠点形成事業の研究協力者や相手先研究者と共同セミナを行い、拡大国際交流を進展させる。

研究成果

• [雑誌論文] A Method for Precisely Identifying Modifications to Plant Mitochondrial Genomes by mitoTALENs (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazama Tomohiko、Arimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2615 ページ: 365-378
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2922-2_25
  • ISBN: 9781071629215, 9781071629222
• [雑誌論文] <i>orf137</i> triggers cytoplasmic male sterility in tomato (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuwabara Kosuke、Arimura Shin-ichi、Shirasawa Kenta、Ariizumi Tohru
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 未定 号: 2 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac082
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Targeted base editing in the mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Issei Nakazato, Miki Okuno, Chang Zhou, Takehiko Itoh, Nobuhiro Tsutsumi, Mizuki Takenaka, Shin-ichi Arimura
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 20 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1073/pnas.2121177119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] <scp>TALEN</scp> ‐mediated depletion of the mitochondrial gene <i>orf312</i> proves that it is a Tadukan‐type cytoplasmic male sterility‐causative gene in rice (2022)
  • 著者名/発表者名: Takatsuka Ayumu、Kazama Tomohiko、Arimura Shin‐ichi、Toriyama Kinya
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 未定 号: 4 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1111/tpj.15715
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plant genome engineering from lab to field-a Keystone Symposia report (2021)
  • 著者名/発表者名: Cable J, Ronald PC, Voytas D, Zhang F, Levy AA, Takatsuka A, Arimura S, Jacobsen SE, Toki S, Toda E, Gao C, Zhu J, Boch J, Van Eck J, Mahfouz M, Andersson M, Fridman E, Weiss T, Wang K, Qi Y, Jores T, Adams T, Bagchi R
  • 雑誌名: Annals of the New York Academy of Sciences 巻: 1506 号: 1 ページ: 35-54
  • DOI: 10.1111/nyas.14675
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Targeted base editing in the plastid genome of Arabidopsis thaliana (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakazato Issei、Okuno Miki、Yamamoto Hiroshi、Tamura Yoshiko、Itoh Takehiko、Shikanai Toshiharu、Takanashi Hideki、Tsutsumi Nobuhiro、Arimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 7 号: 7 ページ: 906-913
  • DOI: 10.1038/s41477-021-00954-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of mitoTALENs-Directed Double-Strand Breaks on Plant Mitochondrial Genomes (2021)
  • 著者名/発表者名: Arimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Genes 巻: 12 号: 2 ページ: 153-153
  • DOI: 10.3390/genes12020153
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigating the mitochondrial genomic landscape of Arabidopsis thaliana by long-read sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Bansho Masutani, Shin-ichi Arimura, Shinichi Morishita
  • 雑誌名: PLOS Computational Biology 巻: 17 号: 1 ページ: e1008597-e1008597
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1008597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] FMT, a protein that affects mitochondrial distribution, interacts with translation-related proteins in Arabidopsis thaliana (2021)
  • 著者名/発表者名: Ayabe Hiroki、Kawai Narumi、Shibamura Mitsuhiro、Fukao Yoichiro、Fujimoto Masaru、Tsutsumi Nobuhiro、Arimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Plant Cell Reports 巻: 40 号: 2 ページ: 327-337
  • DOI: 10.1007/s00299-020-02634-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] 応用展開が進みつつある植物ミトコンドリア基礎研究と今後の課題 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kubo Tomohiko、Arakawa Takumi、Kitazaki Kazuyoshi、Kazama Tomohiko、Takenaka Mizuki、Sakamoto Wataru、Ishihara Naotada、Nakamura Takahiro、Niikura Satoshi、Arimura Shin-ichi、Handa Hirokazu、Koizuka Nobuya
  • 雑誌名: 育種学研究 巻: 22 号: 1 ページ: 87-94
  • DOI: 10.1270/jsbbr.22.W05
  • NAID: 130007869258
  • ISSN: 1344-7629, 1348-1290
  • 年月日: 2020-06-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Targeted gene disruption of ATP synthases 6‐1 and 6‐2 in the mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana by mitoTALENs (2020)
  • 著者名/発表者名: Arimura Shin‐ichi、Ayabe Hiroki、Sugaya Hajime、Okuno Miki、Tamura Yoshiko、Tsuruta Yu、Watari Yuta、Yanase Shungo、Yamauchi Takaki、Itoh Takehiko、Toyoda Atsushi、Takanashi Hideki、Tsutsumi Nobuhiro
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 104 号: 6 ページ: 1459-1471
  • DOI: 10.1111/tpj.15041
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 植物ミトコンドリアのゲノム編集 (2021)
  • 著者名/発表者名: 有村慎一
  • 学会等名: 植物生理学会
  • 招待講演
• [学会発表] mitoTALEN法による標的遺伝子破壊から垣間見えた植物ミトコンドリアゲノムの修復尾維持機構と特徴 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村慎一
  • 学会等名: 分子生物学会
  • 招待講演
• [産業財産権] 植物ゲノムの編集方法 (2021)
  • 発明者名: 有村慎一、
  • 権利者名: 有村慎一、
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 外国