多細胞生物を貫く幹細胞化原理の解明

• 研究課題/領域番号: 21H02499
• 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44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 宇都宮大学
• 研究代表者: 玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
• 研究分担者: 青井 貴之 神戸大学, 医学研究科, 教授 (00546997) ; 石川 雅樹 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (00586894)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2022年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2021年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
• キーワード: 幹細胞化 / 多細胞生物 / 植物 / iPS細胞 / パイオニア因子 / 幹細胞 / 細胞初期化 / 動物 / リプログラミング

研究開始時の研究の概要

植物と動物の幹細胞系において、幹細胞ニッチや非対称分裂といった基本メカニズムは共通しているものの、分子レベルでの共通性があるかどうかは分かっていない。申請者らは、植物と動物に共通する初の幹細胞化因子を発見するなどの成果をあげてきた。こうした研究をもとに、植物と動物に共通する幹細胞化の分子機構が存在するという仮説を立て、それを検証することで多細胞生物を貫く幹細胞化の基本原理を解明することが本研究の目的である。そのために、植物における幹細胞化の分子機構を解明して動物と比較するとともに、植物幹細胞化と動物iPS細胞誘導に機能する因子を植物と動物で入れ替えて機能するかどうかを解明する。

研究実績の概要

1, 植物と動物の幹細胞化因子を入れ替えて発現させることで、それらの因子が植物と動物において共通に幹細胞化に機能するか解明することを目標に研究を進めた。薬剤処理に応答してiPS細胞誘導因子LIN28、OCT4の過剰発現が誘導されるコケ植物ヒメツリガネゴケ株について、LIN28、OCT4過剰発現による栄養成長期における表現型を観察した。また、LIN28、OCT4以外のiPS細胞誘導因子については誘導過剰発現ヒメツリガネゴケ株の作出を継続した。マウス胎仔線維芽細胞からのレトロウイルスベクターを用いたOCT4、SOX2、KLF4導入による初期化にSTEMINとCSP1を加えることの効果を樹立効率等の観点から評価した結果、明らかな効果はみられなかった。
2, 植物幹細胞化因子の機能解析を行い、動物幹細胞化因子の機能との共通点・相違点を解明することを目標に研究を進めた。STEMINがヒメツリガネゴケ幹細胞化におけるクロマチン構造変換に機能するかを検証するために、ヒメツリガネゴケの野生型とSTEMIN遺伝子欠失株の茎葉体と切断葉を用いた単一細胞核RNA-seqとATAC-seqを行い、シーケンスデータの取得に成功した。また、iPS細胞誘導因子と相互作用して多能性関連トランスクリプトーム制御に機能する因子のヒメツリガネゴケオルソログ遺伝子について、さらなる多重破壊株の作出を行った。
3, DNA損傷によるヒメツリガネゴケ幹細胞化のメカニズムを明らかにするとともに、動物の細胞初期化にもDNA損傷が機能するか解明する研究を進めた。ヒメツリガネゴケを用いて、DNA損傷によって発現が著しく上昇するDNA修復の鍵因子のプロモーターレポーター株の作出を継続し、実際にDNA損傷によってプロモーター活性が誘導される株を得た。また、１本鎖DNA損傷がマウスiPS細胞のある多能性マーカー遺伝子の発現を促進するという知見を得た。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究における研究目標である、(1) 幹細胞化因子の機能が植物と動物を貫いて保存されているか解明、(2) 植物幹細胞化因子の機能解析と、動物幹細胞化因子との相違点の解明、(3) DNA損傷による幹細胞化機構の解明、の３つについて、研究が順調に進展しており、成果が得られている。以上から、「おおむね順調に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

1, 幹細胞化因子の機能が植物と動物を貫いて保存されているか解明
薬剤処理に応答してiPS細胞誘導因子LIN28、OCT4の過剰発現が誘導されるコケ植物ヒメツリガネゴケを用いて、これらの因子の過剰発現によって幹細胞化が促進されるか否かを検証する。また、その他のiPS細胞誘導因子については誘導過剰発現株の作出を継続する。株が得られ次第、過剰発現を誘導して幹細胞化の表現型を観察する。マウス胎仔線維芽細胞以外の細胞からのOCT4、SOX2、KLF4導入による初期化に対して、STEMIN遺伝子とCSP1遺伝子が与える影響について検討する。
2, 植物幹細胞制御機構の解明と動物との比較
前年度に取得した、ヒメツリガネゴケ野生型とSTEMIN遺伝子欠失株の茎葉体と切断葉を用いた単一細胞核RNA-seqとATAC-seqのデータを用いて、幹細胞化している細胞の遺伝子発現変化とクロマチン構造変化を解析する。そして、STEMINが制御する遺伝子を同定し、その制御ネットワークを推定するとともに、STEMINがリプログラミングにおけるクロマチン構造変化に機能するのかを検証する。また、iPS細胞誘導因子と相互作用して多能性関連トランスクリプトーム制御に機能する因子のヒメツリガネゴケオルソログ遺伝子などの幹細胞関連遺伝子について、ヒメツリガネゴケを用いた機能解析を継続する。
3, DNA損傷によるヒメツリガネゴケ幹細胞化機構と動物細胞初期化への機能の解明
DNA損傷によって蛍光タンパク質の蓄積が誘導されるプロモーターレポーター株を用いたイメージングによって、DNA損傷と幹細胞化との関連をより詳細に解明する。また、これまでに得られたDNA損傷によるヒメツリガネゴケ幹細胞化過程の単一細胞核RNA-seqのデータを解析し、DNA損傷応答から幹細胞化までの細胞の軌跡を解明するとともに、DNA損傷による幹細胞化を制御する鍵因子を同定する。さらに、DNA損傷が動物細胞の初期化に与える影響について検討する。

研究成果

• [国際共同研究] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine/China Acad. Chinese Med. Sci.(中国)
• [国際共同研究] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine/China Acad. Chinese Med. Sci.(中国)
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
• [雑誌論文] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 120 号: 4
  • DOI: 10.1073/pnas.2210632120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] H3K4me3 plays a key role in establishing permissive chromatin states during bud dormancy and bud break in apple (2022)
  • 著者名/発表者名: Chen W, Tamada Y, Yamane H, Matsushita M, Osako Y, Gao-Takai M, Luo Z, Tao R
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 111 号: 4 ページ: 1015-1031
  • DOI: 10.1111/tpj.15868
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 植物の環境適応戦略としての幹細胞化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川雅樹
  • 雑誌名: 細胞 巻: 54 ページ: 291-294
• [雑誌論文] Topoisomerase 1α is required for synchronous spermatogenesis in Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Nan Gu、Chunli Chen、Yukiko Kabeya、Mitsuyasu Hasebe、Yosuke Tamada
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 234 号: 1 ページ: 137-148
  • DOI: 10.1111/nph.17983
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular mechanisms of reprogramming of differentiated cells into stem cells in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Masaki、Hasebe Mitsuyasu
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 65 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2021.102123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional interplay of histone lysine 2-hydroxyisobutyrylation and acetylation in Arabidopsis under dark-induced starvation (2021)
  • 著者名/発表者名: Lanlan Zheng, Chen Li, Xueping Ma, Hanlin Zhou, Yuan Liu, Ping Wang, Huilan Yang, Yosuke Tamada, Ji Huang, Chunfei Wang, Zhubing Hu, Xuening Wang, Guodong Wang, Haihong Li, Juntao Hu, Xiaoyun Liu, Chao Zhou, Yonghong Zhang
  • 雑誌名: Nucleic Acid Research 巻: 49 号: 13 ページ: 7347-7360
  • DOI: 10.1093/nar/gkab536
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overexpression of ATG8/LC3 enhances wound-induced somatic reprogramming in Physcomitrium patens (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanne Jakob V.、Ishikawa Masaki、Bressendorff Simon、Ansbol Jeppe、Hasebe Mitsuyasu、Rodriguez Eleazar、Petersen Morten
  • 雑誌名: Autophagy 巻: Online ahead of print 号: 6 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1975913
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 動植物に共通する幹細胞化機構の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山本冬美, 梶川育見, 青井貴之, 玉田洋介
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] DNA damage triggers stem cell formation in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Nan Gu, Gergo Palfalvi, Yosuke Tamada
  • 学会等名: Integrative Epigenetics in Plants (Cold Spring Harbor Asia)
  • 国際学会
• [学会発表] 顕微鏡イメージング・細胞操作による植物の高い再生能力の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介, Nan Gu
  • 学会等名: 宇都宮大学第３回コラボレーションフェア
• [学会発表] Function of CSPs in stem cell formation at different temperature in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Nooradzirah Binti Abdul Rashid, Ikumi Kajikawa, Yosuke Tamada
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] DNA Topoisomerase 1-mediated synchronous chromatin condensation during spermatogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada, Nan Gu
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Wound-induced cellular reprogramming into stem cells in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ishikawa
  • 学会等名: The International Symposium on Plant Stem Cells and Regeneration
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞運命転換を制御するSTEMIN転写因子の作用機序の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川雅樹, Ruan de Villiers, 長谷部光泰
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] 3D image analysis of spermatid nuclei to understand the mechanism of the sperm formation in a land plant (2022)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada, Nan Gu
  • 学会等名: Biomedical Imaging and Sensing Conference 2022 (BISC2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Cellular reprogramming into stem cells as an adaptation to land environments in Physcomitrium patens (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ishikawa, Mitsuyasu Hasebe
  • 学会等名: PLANT & ANIMAL GENOME XXIX
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] コケ植物ヒメツリガネゴケにおける H3K27me3 脱メチル化酵素遺伝子の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 侑哉，玉田 洋介
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Fluorescence imaging to understand the molecular mechanism of DNA damage-triggered cellular reprogramming in plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada, Akihiro Imai, Nan Gu
  • 学会等名: Biomedical Imaging and Sensing Conference 2021 (BISC2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanisms underlying stem cell formation in the moss Physcomitrium patens (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ishikawa
  • 学会等名: International sympodium: Secrets of stem cells underlying longevity and persistent growth in plants
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNA損傷によって誘導される幹細胞化とその分子基盤解明のための新規イメージング法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 学会等名: 第７回幹細胞研究会
  • 招待講演
• [学会発表] DNA損傷が引き起こす幹細胞化の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] DNAを切断することによる幹細胞化と再生の誘導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 学会等名: 第２回 宇都宮大学 コラボレーション・フェア
• [学会発表] 再生医療・次世代医療開発における課題と展望 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青井 貴之
  • 学会等名: EPS講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の運命を操る技術の医学応用に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 青井 貴之
  • 学会等名: シスメックス再生医療セミナー2021
  • 招待講演
• [図書] 遺伝学の百科事典（執筆部分：「植物の季節（温度）応答とエピジェネティクス」） (2022)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 総ページ数: 690
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621306604
• [図書] 特別展「植物 地球を支える仲間たち」公式ガイドブック（執筆部分：Chapter03-05 “遺伝子”） (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介（共著）
  • 総ページ数: 188
  • 出版者: NHK，NHKプロモーション，朝日新聞社
• [備考] 宇都宮大学 地域創生科学研究科 光工学プログラム
  • URL: https://www.utsunomiya-u.ac.jp/grdc/agricultural/light_engineering.html
• [備考] 宇都宮大学 工学部 物質環境化学コース
  • URL: http://www.eng.utsunomiya-u.ac.jp/course/material-and-environmental-chemistry-course/
• [備考] 宇都宮大学 オプティクス教育研究センター (CORE)
  • URL: https://uu-core.com/
• [備考] 宇都宮大学 ロボティクス・工農技術研究所 (REAL)
  • URL: https://ja-jp.facebook.com/REAL.Utsunomiya/
• [備考] 日本光学会 研究グループ
  • URL: http://myosj.or.jp/group/