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), 教授 (00396938)
• 研究期間 (年度): 2020 – 2024
• 研究課題ステータス: 交付 (2023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

フランスストラスブール大学のJose Gualberto博士とその大学院生との共同研究は順調に推移しており、植物ミトコンドリアDNAの狙った位置をゲノム編集技術で切断したのちのDNA修復について、さまざまな変異体との交配と其の後代の準備が完成し、それらのDNAの出力のさまざまな、予測内と予測外の変化が確認された。これらの結果を現地で整理するとともに、そこから生まれた新たな仮説をもとに、引き続きの新しい研究と実験計画をたて、今後の日仏での作業分担を行なって帰国した。引き続きそれぞれの国での作業を続けるとともに、フランス側で困難になっていたバイオインフォ解析について、日本側の共同研究者を新たに紹介しブレークスルーに繋がった。INRAeベルサイユでは、別の共同研究である、植物のミトコンドリアゲノムの未知ORFが引き起こす雄性不稔現象について、データ検証と論文執筆の最終段階の打ち合わせを行った。結果として標的とした遺伝子が正解であり、日本側の技術でこれを特異的に破壊することで雄性不稔現象が解消されることが明らかになり、またフランス側ではこの雄性不稔植物とその回復系統を用いて、ドイツの研究者とともに細胞内でのATP量変化などの細胞生理を詳細に行うことに成功した。後述するようにBiorRxiveとして論文公開し、年度末時点ではイギリスでの専門国際学術誌の審査-改訂-再審査中という段階にある。また、年度末に豪州の研究者2名に来日してもらい、国際シンポジウムで発表してもらうとともに共同研究、並びに植物オルガネラを標的とした、DNAゲノム編集技術とRNA編集技術について議論を行なった。

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

コロナによる閉鎖の間も両者でできる分担作業をやっていたことについて、直接に議論したことで、想定通り順調だった部分に加え、新しい研究課題が見つかり、議論が大変盛り上がった。引き続きの共同研究に繋がり、またJSPSのCore-to-Core事業に繋がり、また国際植物ミトコンドリア会議のフランス大会での議論の約束、並びにその次の国際会議の日本開催後押しをいただき、国際的に高い評価と日仏研究者の信頼と絆の形成につながった。また、年度末に豪州の研究者2名に来日してもらい、国際シンポジウムで発表してもらい、議論も深めることができた。

今後の研究の推進方策

ストラスブール大学とのDNA修復の研究は、ちょうど2024年度中に担当大学院生の学位取得を目指した論文投稿になりまとまる予定である。2024年5月末に上記国際植物ミトコンドリア会議ICPMB2024に合わせて渡仏して、発表と議論を行う。INRAeベルサイユとの共同研究はすでに研究が完了し、論文が国際誌に掲載されるか否か、引き続き論文執筆と審査過程への協調努力を行う。ICPMB2024には豪州の研究者らも参加発表するため、そこで引き続きの研究情報交換と協働を行う。

研究成果

• [雑誌論文] The mitochondrial<i>orf117Sha</i>gene desynchronizes pollen development and causes pollen abortion in the Arabidopsis Sha CMS (2024)
  • 著者名/発表者名: Dehaene No?mie、Boussardon Cl?ment、Andrey Philippe、Charif Delphine、Brandt Dennis、Gilouppe Taillefer Cl?mence、Nietzel Thomas、Ricou Anthony、Simon Matthieu、Tran Joseph、Vezon Daniel、Camilleri Christine、Arimura Shin-ichi、Schwarzl?nder Markus、Budar Fran?oise
  • 雑誌名: BioRxive 巻: なし
  • DOI: 10.1101/2024.01.17.575984
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mitochondrial DNA editing in potato through mitoTALEN and mitoTALECD: molecular characterization and stability of editing events (2024)
  • 著者名/発表者名: Nicolia Alessandro、Scotti Nunzia、D’Agostino Nunzio、Festa Giovanna、Sannino Lorenza、Aufiero Gaetano、Arimura Shin-ichi、Cardi Teodoro
  • 雑誌名: Plant Methods 巻: 20 号: 1
  • DOI: 10.1186/s13007-023-01124-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mitochondrial genome editing of <i>WA352</i> via <scp>mitoTALENs</scp> restore fertility in cytoplasmic male sterile rice (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhou Jiawei、Nie Liyun、Zhang Shuo、Mao Hailiang、Arimura Shin-ichi、Jin Shuangxia、Wu Zhiqiang
  • 雑誌名: Plant Biotechnology Journal 巻: 1 号: 7 ページ: 1-3
  • DOI: 10.1111/pbi.14315
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Targeted A-to-G base editing in the organellar genomes of Arabidopsis with monomeric programmable deaminases (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhou Chang、Okuno Miki、Nakazato Issei、Tsutsumi Nobuhiro、Arimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 194 号: 4 ページ: 2278-2287
  • DOI: 10.1093/plphys/kiad678
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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