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: 完了 (2024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．

研究成果の概要

本研究では、植物ミトコンドリアゲノムに対して高精度に操作を加える新規技術「mitoTALEN法」を応用し、細胞質雄性不稔（CMS）の原因となる未知のミトコンドリア遺伝子orf117Shaを特異的に破壊することで機能を明確に解明しました。ゲノム切断後のミトコンドリアDNAの再構成・修復機構を次世代シーケンスにより網羅的に解析し、植物に特有の多様な修復機構を初めて明らかにしました。さらに、TALENやデアミナーゼを応用した一塩基置換技術を確立し、ゲノムの精密編集にも成功しました。CMSの可逆的制御や植物の新たな表現型改変が可能となり、分子育種や種子生産技術への応用が現実的な段階に入りつつあります。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、植物ミトコンドリアゲノムの標的編集および一文字塩基編集技術を世界で初めて確立し、細胞質雄性不稔の原因遺伝子の機能解明と制御を可能にしました。また、植物ミトコンドリアDNAに特徴的なゲノムの維持修復機構の一端を明らかにしました。これにより、ミトコンドリア遺伝子の機能解析が飛躍的に進むとともに、CMSを用いたF1種子生産の効率化や、外来遺伝子を使わない形質改変技術として、持続可能な農業と社会的受容性に資する新たな分子育種法の基盤が築かれました。

研究成果

• [国際共同研究] University of Strasberg(フランス) (2024)
  • 年月日: 2024-05-24
• [国際共同研究] INRA Versille(フランス) (2023)
  • 年月日: 2023-08-20
• [雑誌論文] The mitochondrial <i>orf117Sha</i> gene desynchronizes pollen development and causes pollen abortion in Arabidopsis Sha cytoplasmic male sterility (2024)
  • 著者名/発表者名: Dehaene Noemie、Boussardon Clement、Andrey Philippe、Charif Delphine、Brandt Dennis、Gilouppe Taillefer Clemence、Nietzel Thomas、Ricou Anthony、Simon Matthieu、Tran Joseph、Vezon Daniel、Camilleri Christine、Arimura Shin-ichi、Schwarzlander Markus、Budar Francoise
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 75 号: 16 ページ: 4851-4872
  • DOI: 10.1093/jxb/erae214
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
  • 査読あり
• [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