高い放射線耐性を示す動物クマムシが持つ防護と修復の新規メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 20H04332
• 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63020:放射線影響関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 國枝 武和 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10463879)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2021年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2020年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
• キーワード: クマムシ / 放射線耐性 / DNA防護 / 動的相互作用 / ゲノム編集 / DNA修復 / FRAP / Dsup / 放射線防護

研究開始時の研究の概要

クマムシは動物の中でも抜きん出て高い放射線耐性を示す。私達はこれまでにクマムシ固有のDNA防護タンパク質Dsupを同定し、他の放射線耐性生物には見られない「DNA防護」という新たな機構の存在を明確に示すとともに、クマムシにはDNA防護に加えて「正確性の高い新たなDNA修復機構」が存在することを示唆した。本課題では、これら独自の研究成果を元に、転写などと協調しながらDNA防護を可能にするメカニズム、および正確性の高いDNA修復を支える分子実体とそのメカニズムを解明し、高い放射線耐性を可能にする新たな分子機構の理解を目指す。

研究成果の概要

本研究課題では、まず高い放射線耐性を示すクマムシに固有なDNA防護タンパク質Dsupについて結合モード（動的性状）の大きく異なる少なくとも2種類の領域を介してクロマチンと結合していることを明らかにし、DNAを安定的に防護しつつアクセシビリティを確保する新たなモデルを提案した。また、クマムシで初めてゲノム編集系を確立し、Dsupの存在下でもCas9によるDNA切断が起こること、またある種の体細胞ではindelを生じない非相同末端修復が優先していることを明らかにした。シングルステップでホモ接合体のノックアウト・ノックイン個体の作出法も確立しin vivoでの機能解析に路を拓いた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Dsupは放射線や活性酸素種からDNAを守る活性を持つ一方で、生命活動を維持するために必要な細胞マシーナリーのDNAへのアクセスを確保する必要がある。今回明らかになった2種類の性状の大きく異なる結合様式の存在は、生命活動と適合的な人工DNA防御剤を設計するうえで重要な知見を提供する。また、ゲノム編集系を利用してクマムシの一部の体細胞では二本鎖切断を受けたDNAに対して傷跡を残さないDNA修復が優先していることを示し、こうした修復機構も放射線耐性に寄与していることを示唆した。ノックアウト・ノックインクマムシの作出法の確立は様々な耐性メカニズムの解明に貢献することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Durham University(英国)
• [雑誌論文] The major inducible small heat shock protein HSP20-3 in the tardigrade Ramazzottius varieornatus forms filament-like structures and is an active chaperone (2024)
  • 著者名/発表者名: Al-Ansari Mohammad、Fitzsimons Taylor、Wei Wenbin、Goldberg Martin W.、Kunieda Takekazu、Quinlan Roy A.
  • 雑誌名: Cell Stress and Chaperones 巻: 29 号: 1 ページ: 51-65
  • DOI: 10.1016/j.cstres.2023.12.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-step generation of homozygous knock-out/knock-in individuals in an extremotolerant parthenogenetic tardigrade using DIPA-CRISPR (2024)
  • 著者名/発表者名: Kondo Koyuki、Tanaka Akihiro、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 2024.01.10 ページ: 575120-575120
  • DOI: 10.1101/2024.01.10.575120
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Considerations on the TardiVec-based analyses of tissue specificity and desiccation-induced supramolecular structure of target proteins (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Akihiro、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 48
  • DOI: 10.1073/pnas.2312563120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 進化がもたらす極限環境への多様な適応戦略 (2023)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: 月刊「細胞」 巻: 55(14) ページ: 2-3
• [雑誌論文] 極限耐性を支えるクマムシ固有のタンパク質 (2023)
  • 著者名/発表者名: 橋本拓磨、國枝武和
  • 雑誌名: 月刊「細胞」 巻: 55(14) ページ: 8-11
• [雑誌論文] クマムシの極限環境耐性を支える非ドメイン型タンパク質 (2023)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: Medical Science Digest 巻: 49(9) ページ: 21-24
• [雑誌論文] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins that reversibly form a filamentous network and gel (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: PLOS Biology 巻: 20 号: 9 ページ: 3001780-3001780
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001780
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Application of CRISPR/Cas9 system and the preferred no-indel end-joining repair in tardigrades (2022)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Hitomi、Kondo Koyuki、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 623 ページ: 196-201
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.07.060
  • 査読あり
• [雑誌論文] Description of a model tardigrade Paramacrobiotus metropolitanus sp. nov. (Eutardigrada) from Japan with a summary of its life history, reproduction and genomics (2022)
  • 著者名/発表者名: SUGIURA KENTA、MATSUMOTO MIDORI、KUNIEDA TAKEKAZU
  • 雑誌名: Zootaxa 巻: 5134 号: 1 ページ: 92-112
  • DOI: 10.11646/zootaxa.5134.1.4
  • 査読あり
• [雑誌論文] クマムシ：極限ストレス耐性のメカニズム-ヒトへの応用を展望して (2022)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 280 ページ: 799-804
• [雑誌論文] Parallel evolution of trehalose production machinery in anhydrobiotic animals via recurrent gene loss and horizontal transfer (2021)
  • 著者名/発表者名: Hara Yuichiro、Shibahara Reira、Kondo Koyuki、Abe Wataru、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: Open Biology 巻: 11 号: 7 ページ: 200413-200413
  • DOI: 10.1098/rsob.200413
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: N.A ページ: 462891-462891
  • DOI: 10.1101/2021.10.02.462891
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 宇宙に耐える極限生物から切り拓く新たな放射線ストレス防衛機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 279 ページ: 615-621
• [雑誌論文] Space radiation biology for “Living in Space” (2020)
  • 著者名/発表者名: Furukawa S, Nagamatsu A, Nenoi M, Fujimori A, Kakinuma S, Katsube T, Wang B, Tsuruoka C, Shirai T, Nakamura AJ, Sakaue-Sawano A, Miyawaki A, Harada H, Kobayashi M, Kobayashi J, Kunieda T, Funayama T, Suzuki M, Miyamoto T, Hidema J, Yoshida Y, Takahashi A.
  • 雑誌名: BioMed Res Int. 巻: 2020 号: 1 ページ: 4703286-4703286
  • DOI: 10.1155/2020/4703286
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] The unique tricks tardigrade uses to enable anhydrobiosis and extremotolerance (2023)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Kunieda
  • 学会等名: The Tardigrade Story - 250th Anniversary
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 極限環境における生体適応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 日本運動生理学会第31回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙にも耐える動物クマムシのサバイバル戦略を読み解く (2023)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 2023年度日本冷凍空調学会
  • 招待講演
• [学会発表] なぜクマムシは極限環境に耐えられるのか？その謎を探る (2023)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 日本学術会議・公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Generation of gene-edited individuals in tardigrades (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤小雪
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] クマムシ固有のDNA保護タンパク質Dsupの動的なふるまい (2023)
  • 著者名/発表者名: 新崎康太
  • 学会等名: クマムシ学研究会
• [学会発表] クマムシ固有のDNA保護タンパク質Dsupの2つの結合部位と動的性状 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新崎康太
  • 学会等名: 日本動物学会関東支部第76回大会
• [学会発表] 乾燥耐性を持つクマムシにおけるゲノム編集 (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤小雪
  • 学会等名: 第7回クマムシ学研究会
• [学会発表] クマムシの乾燥耐性を”支える”CAHS線維のはたらき (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第7回クマムシ学研究会
• [学会発表] Physiological roles of tardigrade-unique heat-soluble proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Tanaka
  • 学会等名: 15th International Symposium on Tardigrada
  • 国際学会
• [学会発表] Stress-dependent cell-stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of a cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Tanaka
  • 学会等名: 15th International Symposium on Tardigrada
  • 国際学会
• [学会発表] クマムシ固有の繊維化耐性タンパク質CAHSによるストレスに応答した細胞の硬化と耐性の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 極限環境生物学会第23回年会
• [学会発表] クマムシタンパク質が示すストレス応答性の多様な細胞内局在及び構造の変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤小雪
  • 学会等名: 極限環境生物学会第23回年会
• [学会発表] 乾燥耐性を持つクマムシにおけるゲノム編集 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤小雪
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
• [学会発表] Tardigrade-unique tolerance protein CAHS forms filaments via electrostatic interaction and stiffens cells in response to hyperosmotic stress (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
• [学会発表] クマムシ固有の繊維化耐性タンパク質CAHSによるストレス依存の細胞硬化と繊維形成に関わる静電相互作用の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会
• [学会発表] 脱水ストレス依存に細胞骨格様の線維やゲルを形成するクマムシタンパク質CAHSによる細胞の機械的強度の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSによるストレス依存的な細胞の機械的強度の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第7回ユニーク会
• [学会発表] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSの脱水様ストレス依存の線維化に必要な高次構造と細胞を保護するメカニズムの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本動物学会第93回大会
• [学会発表] Unique toolbox in tardigrade anhydrobiosis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Kunieda
  • 学会等名: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition. (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Tanaka
  • 学会等名: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • 国際学会
• [学会発表] 脱水様ストレスに応答して線維/ゲル化するクマムシタンパク質の機能・構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第1回乾眠生物若手の会
• [学会発表] なぜクマムシは乾燥すると頑強になるのか？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第6回クマムシ学研究会
• [学会発表] クマムシはどうやって極限環境に耐えるのか？ (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 大隅基礎科学創成財団 第2回市民講座
  • 招待講演
• [学会発表] 放射線も平気？極限環境に耐える動物クマムシ (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 日本進化学会 第23回大会公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] クマムシ固有な新規細胞骨格様タンパク質による耐性メカニズムの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本動物学会 第92回大会
• [学会発表] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSの線維/ゲル化メカニズムの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第22回大会
• [学会発表] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHS1の機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安井玲太朗
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第22回大会
• [学会発表] クマムシ固有の乾燥耐性タンパク質による脱水ストレスに応答した可逆的な細胞骨格様線維/ゲルの形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本分子生物学会 第44回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Tardigrades' unstructured proteins as a toolkit for extremotolerance. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Kunieda
  • 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] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシタンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第5回クマムシ学研究会
• [学会発表] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第58回生物物理学会
• [学会発表] クマムシ固有の天然変性タンパク質の脱水ストレスに応答した可逆的な繊維形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本動物学会 第91回大会
• [学会発表] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHSのリガンド解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安井玲太朗
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第21回大会