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性決定遺伝子同定に基づく半数体生物のU/V性決定システムの制御機構の解析

研究課題

研究課題/領域番号 22H00417
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分44:細胞レベルから個体レベルの生物学およびその関連分野
研究機関京都大学

研究代表者

河内 孝之  京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)

研究分担者 吉竹 良洋  京都大学, 生命科学研究科, 助教 (10839179)
安居 佑季子  京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (90724758)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
41,600千円 (直接経費: 32,000千円、間接経費: 9,600千円)
2025年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2024年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2023年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
キーワード植物発生生物学 / 有性生殖 / 性決定 / 遺伝機能進化 / 雌雄分化 / 植物発生 / 性分化 / 配偶子形成
研究開始時の研究の概要

半数体生物の性染色体U/Vを介する性決定システムは、二倍体のシステムとは本質的な違いがある。苔類ゼニゴケから同定したU染色体上の性決定遺伝子BPCUは予想外にもV染色体上に相同遺伝子BPCVがあり、ともに有性生殖誘導機能を有していた。これらがクロマチン動態制御を介して遺伝子発現調節を行うと予想される点に着目し、U/Vシステムの性決定因子を介した雌雄分化と有性生殖の制御機構を明らかにする。また、半数体生物における性染色体と性決定因子進化の遺伝的制約、機能分化の分子機構を統合的に解析し、半数体における性分化制御機構の特徴を明らかにする。

研究実績の概要

ゼニゴケで見出した半数体生物の性決定因子BPCUはクロマチン状態の制御に関わるとされる植物特異的DNA結合タンパク質をコードし、雌雄性分化に加えて有性生殖誘導を制御する。本研究では、成長制御におけるクロマチン制御の実態とその制御因子を明らかにすることを目指している。本年度は、生殖誘導条件におけるクロマチン状態をヒストン修飾に特異的な抗体を用いて解析した。ゼニゴケは長日条件と遠赤色光の両方が生殖誘導に必要とされるが、両者の関係は不明であった。遠赤色光を与えず、日長のみを変化させた条件で、生殖誘導の鍵因子BONOBO遺伝子座において、長日条件と短日条件におけるクロマチン状態の差異があることを見出し、つまり日長の差がその後の遠赤色光による光質刺激に対して感度よく振る舞うプライミング状態を作ることを示唆することができた。
雌雄分化に重要な常染色体にコートされるFGMYB/SUF遺伝子は、メスではFGMYBが発現し、オスでは、アンチセンスロングノンコーディングRNAであるSUFが発現することでFGMYB遺伝子は抑制される。この遺伝子座のヒストン修飾についても解析を進め、雌雄に特異的なクロマチン状態にあることを見出した。オスでは発現するSUFがメスでは抑制する仕組みに関しては、性染色体上の性決定遺伝子であるBPCUが関わることを変異体の解析により示すことができた。
また、BPCUについては、性染色体相同遺伝子であるBPCVとのキメラ解析により、BPCUとBPCVに共通する生殖誘導機能と、BPCUのみがもつ雌性化機能がタンパク質のどの領域に由来するかを調べた。さらに、近年急速に充実してきたコケ植物のゲノム情報を利用してBPCUとBPCVの分子系統樹を詳細に解析し、祖先的な分子がもつアミノ酸配列を推定した。

現在までの達成度 (区分)
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

クロマチン状態の解析においては、ヒストン修飾を特異的に感度よく検出する技術を用いて、鍵となる遺伝子座の日長、光質あるいは遺伝的背景の差異による違いを検出することができた。また、鍵となる転写因子群(CDF、BONOBO、BPCUなど)にノックイン法によりエピトープを付与した系統を作出し、特異的にゲノムへの結合を検出する系を立ち上げ、感度よくタンパク質を検出することに成功した。また、エピトープタグに対する抗体を用いて転写因子の挙動を感度よく取られることにも成功し、タンパク質レベルでの振る舞いを検出できる様になった。また、CUT&RUN法により結合部位の濃縮し、結合サイトの推定もできる様になった。植物から単離したクロマチンを用いて解析を行うことで、期待以上の成果も得られている。これまでのシロイヌナズナで進めれたDAP-seq(ゲノムDNAに対して発現させたタンパク質の結合を解析する手法)から予想されるタンパク質の構造に基づく結合サイトが濃縮されたことに加えて、別の転写因子の結合サイト予想される配列も濃縮された。これは、扱うタンパク質とともに働く転写因子の標的サイトを濃縮した可能性が予想され、制御の全体像の理解につながると期待している。
BPCUとBPCVに関して作成した領域キメラ分子が機能的であることは生殖誘導能により評価することができた。さらに、系統樹より予想したBPCUとBPCVの祖先配列をもつ遺伝子を作成して植物に導入したところ、雌性化能力があることがわかり、性決定遺伝子の誕生はオスの性染色体上のガメトログにおける雌性化能欠失とメスのU染色体上遺伝子の機能強化が進んだことが示された。4億年あまりの進化を再現できたことは極めて興味深い。
このように当初計画した実験は基本的にすべて順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

日長を介してクロマチン制御に関しては、長日条件ではプライミング状態にあることが予想された。クロマチンが開いた状態であるかを調べるATACseqは長日条件で得たものである。短日条件ならびに遠赤色光添加条件におけるATACseqを進めることでクロマチン開放度を調べる予定である。また、染色体状態の全体像を知るには、HiC解析のように染色体が核内でどのように配置されているかといった情報も重要になる。
またBPCUのC末端側を雌性化に重要な領域として特定することができた。この領域はDNA結合に関わると予想されている。以前のIn vitroの実験は両方のタンパク質がGAGA配列に結合することが示されていた。分子種の違いがDNA結合領域が行なっていたことは予想外の結果である。今後はin vivoの結合能の定量的評価も重要となろう。また、BPCUやBPCVがクロマチン状態を制御するには、クロマチン関連遺伝子との複合体形成の解析も重要である。初年度は予想されるクロマチン制御因子の変異体の解析を進めたが、単独欠損株で完全に表現型が一致するものは得られていない。これは、クロマチン制御は多様な制御に関わることからも予想されていたことでもある。今後はBPCUおよびBPCVが含まれるタンパク質複合体の生化学的解析も推進する予定である。
これらの解析は、組織をまとめて解析したものである。多数の細胞をバルクとして扱う手法は多細胞体制を調べるのには最適な方法ではない。特に、生殖細胞系列を特定するBONOBOのような転写因子に関する解析は少数の細胞の挙動を把握することが重要である。本年度はBONOBO誘導条件におけるシングルセル/シングル核の遺伝子発現解析に着手した。BONOBO誘導後の時系列および細胞ごとに遺伝子発現を把握することで解析の質が上昇することが期待される。次年度以降の解析に積極的に取り入れていく。

報告書

(2件)
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (6件)

  • [国際共同研究] Gregor Mendel Institute(オーストリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Monash University(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Stomatal regulators are co-opted for seta development in the astomatous liverwort Marchantia polymorpha2023

    • 著者名/発表者名
      Moriya Kenta C.、Shirakawa Makoto、Loue-Manifel Jeanne、Matsuda Yoriko、Lu Yen-Ting、Tamura Kentaro、Oka Yoshito、Matsushita Tomonao、Hara-Nishimura Ikuko、Ingram Gwyneth、Nishihama Ryuichi、Goodrich Justin、Kohchi Takayuki、Shimada Tomoo
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 9 号: 2 ページ: 302-314

    • DOI

      10.1038/s41477-022-01325-5

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A glycogen synthase kinase 3-like kinase MpGSK regulates cell differentiation in <i>Marchantia polymorpha</i>2022

    • 著者名/発表者名
      Furuya Tomoyuki、Nishihama Ryuichi、Ishizaki Kimitsune、Kohchi Takayuki、Fukuda Hiroo、Kondo Yuki
    • 雑誌名

      Plant Biotechnology

      巻: 39 号: 1 ページ: 65-72

    • DOI

      10.5511/plantbiotechnology.21.1219a

    • NAID

      130008161270

    • ISSN
      1342-4580, 1347-6114
    • 年月日
      2022-03-25
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improved clearing method contributes to deep imaging of plant organs2022

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Yuki、Ishimoto Anna、Sakai Yuuki、Sato Moeko、Nishihama Ryuichi、Abe Konami、Sano Yoshitake、Furuichi Teiichi、Tsuji Hiroyuki、Kohchi Takayuki、Matsunaga Sachihiro
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 5 号: 1 ページ: 12-12

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02955-9

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] MarpolBase Expression: A Web-Based, Comprehensive Platform for Visualization and Analysis of Transcriptomes in the Liverwort <i>Marchantia polymorpha</i>2022

    • 著者名/発表者名
      Kawamura Shogo、Romani Facundo、Yagura Masaru、Mochizuki Takako、Sakamoto Mika、Yamaoka Shohei、Nishihama Ryuichi、Nakamura Yasukazu、Yamato Katsuyuki T、Bowman John L、Kohchi Takayuki、Tanizawa Yasuhiro
    • 雑誌名

      Plant and Cell Physiology

      巻: 63 号: 11 ページ: 1745-1755

    • DOI

      10.1093/pcp/pcac129

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Auxin signaling is essential for organogenesis but not for cell survival in the liverwort<i>Marchantia polymorpha</i>2022

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Hidemasa、Kato Hirotaka、Iwano Megumi、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki
    • 雑誌名

      The Plant Cell

      巻: 35 号: 3 ページ: 1058-1075

    • DOI

      10.1093/plcell/koac367

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] ゼニゴケにおけるジベレリン新奇信号伝達因子の探索2023

    • 著者名/発表者名
      下川 瑛太、川村 昇吾、Sun Rui、鈴木 かおり、岡部 麻衣子、吉竹 良洋、安居 佑季子、西浜 竜一、山岡 尚平、増口 潔、山口 信次郎、河内 孝之
    • 学会等名
      日本植物生理学会第64回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アンチセンス長鎖非翻訳RNA SUFの転写は苔類ゼニゴケ雌性化遺伝子FGMYBの発現抑制に重要である2022

    • 著者名/発表者名
      梶原 智明、宮崎 基、岩崎 美雪、山岡 尚平、吉竹 良洋、安居 佑季子、西浜 竜一、河内 孝之
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 苔類ゼニゴケの性染色体上の性決定因子の同定2022

    • 著者名/発表者名
      岩崎 美雪、梶原 智明、安居 佑季子、吉竹 良洋、(13名省略)、中村 保一、Chang Liu、Frederic Berger、大和 勝幸、John L. Bowman、河内 孝之
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ゼニゴケを用いたジベレリン様化合物の新奇信号伝達因子の探索2022

    • 著者名/発表者名
      下川 瑛太、川村 昇吾、Sun Rui、鈴木 かおり、岡部 麻衣子、吉竹 良洋、安居 佑季子、西浜 竜一、山岡 尚平、増口 潔、山口 信次郎、河内 孝之
    • 学会等名
      近畿植物学会第11回講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Evolutionally origin of photoperiod dependent germline cells formation pathway in land plants2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiro Yoshitake, Shohei Yamaoka, Shogo Kawamura, Tomoaki Kajiwara, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
    • 学会等名
      45回 日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Development of a trans-activating system to induce germline cell-like cells from somatic cells in the bryophyte Marchantia polymorpha2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Kajiwara, Yoshihiro Yoshitake, Megumi Iwano, Shogo Kawamura, Yukiko Yasui, Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi
    • 学会等名
      old Spring Harbar Asia Symposium "Integrative Epigenetics in Plants"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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