DNA修飾がもたらす葉緑体遺伝の仕組み

• 研究課題/領域番号: 22K06278
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 田草川 真理 京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (90711599)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 葉緑体 / DNA修飾 / クラミドモナス / 片親遺伝 / 核様体 / cpDNA

研究開始時の研究の概要

有性生物におけるミトコンドリアや葉緑体の母性遺伝は広く知られた現象であるが、母性遺伝の過程でオス由来のDNAが分解され、メス由来のDNAが分解されない機構は未だに不明である。有性単細胞緑藻クラミドモナスにおいても、有性生殖に伴い、オスの葉緑体DNAが選択的に分解され、メスの葉緑体DNAの片親遺伝が生じる。本研究では、このクラミドモナスを材料に、葉緑体の片親遺伝のメカニズムとしてDNA修飾が関与する可能性に焦点を当て、DNA修飾酵素の分子実体の特定、葉緑体DNA修飾とDNA分解・複製速度との関連性の解析を通じて、「分解・保護するオルガネラDNAの選択」の分子機構を明らかにしたい。

研究実績の概要

有性生物においてミトコンドリアや葉緑体が片親遺伝することは広く知られている。しかしこの片親遺伝のメカニズムには未だ多くの謎が残されている。有性単細胞緑藻クラミドモナスにおいても、配偶子の接合に伴い、オス由来の葉緑体DNAが選択的に分解され、メス由来の葉緑体DNAの片親遺伝が生じる。この配偶子分化から接合の過程では同時に、メスの葉緑体で特異的にDNA修飾が起きていることも知られている。本研究では、クラミドモナスにおける葉緑体の片親遺伝のメカニズムとして、このDNAの修飾が関与する可能性に焦点を当て、DNA修飾酵素の分子実体の特定、葉緑体DNA上の修飾領域の特定、DNA修飾と接合および減数分裂時のDNA動態との関連性の検証を通じて、「分解・保護するオルガネラDNAの選択」の分子機構に迫ることを目的としている。
前年度までに、葉緑体DNA修飾酵素の候補遺伝子のうちの１つについて、クラミドモナス細胞での発現に成功し、その局在が葉緑体であることを確認しているが、葉緑体以外にも細胞質中に輝点が見えていることから、ミトコンドリアにも共局在している可能性が見えてきている。このためミトコンドリアDNAに変異を持つ株と該当遺伝子破壊株の掛け合わせを行い、ミトコンドリアの遺伝様式の確認が可能な株の作出を行なった。また前年度、次世代シーケンス解析によって葉緑体DNA修飾のデータを取得していたため、修飾領域の解析を進めた結果、DNA上の逆向き反復領域であるIR領域を除いて、全体的な傾向として配偶子誘導に伴って特定の領域が特徴的に修飾を受けるわけではないことが確認できた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

前年度の進捗に基づき方針通りに研究を進めていたものの、年度途中より研究代表者が緊急入院しそのまま休職しているため、当初の目標を達成できなかった。

今後の研究の推進方策

復職が可能になった後は、引き続き次世代シーケンス解析によって取得したデータの解析を進め、葉緑体DNAの修飾領域を特定するとともに、ミトコンドリアに関しても遺伝学的な解析を行う。
また野生型と変異体に関して、接合時のDNA分解と減数分裂前後のDNA合成の様子を顕微鏡で経時観察を行うことで比較することで、DNA修飾がDNA分解とDNA合成に影響を及ぼす可能性があるかを明らかにしていきたい。
度重なる物価の上昇に伴い、当初の計画の通りに物品購入や解析依頼ができないため、今後も非常に不本意ながら研究が広がりすぎないように慎重に進めたい。

研究成果

• [雑誌論文] Complete mitochondrial and chloroplast DNA sequences of the freshwater green microalga <i>Medakamo hakoo</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Takusagawa Mari、Misumi Osami、Nozaki Hisayoshi、Kato Shoichi、Maruyama Shinichiro、Tsujimoto-inui Yayoi、Yagisawa Fumi、Ohnuma Mio、Kuroiwa Haruko、Kuroiwa Tsuneyoshi、Matsunaga Sachihiro
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 98 号: 6 ページ: 353-360
  • DOI: 10.1266/ggs.23-00275
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • 年月日: 2023-12-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genomic analysis of an ultrasmall freshwater green alga, Medakamo hakoo (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato S., Misumi O., Maruyama S., Nozaki H., Tsujimoto-Inui Y., Takusagawa M., Suzuki S., Kuwata K., Noda S., Ito N., Okabe Y., Sakamoto T.,Yagisawa F., Matsunaga T. M., Matsubayashi Y., Yamaguchi H., Kawachi M., Kuroiwa H., Kuroiwa T., Matsunaga S.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 号: 1 ページ: 89-89
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04367-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] “DNA clip” that organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • 著者名/発表者名: Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Kumi Hidaka, Masayuki Endo, Hiroshi Sugiyama, Takashi Hamaji, Yoshinobu Kato, Isamu Miyakawa, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai, Yoshiki Nishimura
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • 国際学会