植物の自律分散型記憶を統御するクロマチンステートの解明

• 研究領域: 植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム
• 研究課題/領域番号: 18H04790
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 宇都宮大学 (2019); 基礎生物学研究所 (2018)
• 研究代表者: 玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: クロマチンステート / 細胞記憶 / ヒストンバリアント / クロマチン構造 / 植物 / 植物細胞

研究実績の概要

1) H3.3およびそのシャペロンHIRAの自律分散型記憶に対する機能の解明
これまでに、H3.3およびHIRAが、H3K27me3を介して遺伝子発現を制御すること、また分化葉細胞の幹細胞化など細胞記憶の書き換えが必要な2つの異なる現象に機能することを明らかにしていた。細胞記憶の書き換えが必要な別の現象であるプロトプラストからの原糸体幹細胞形成について、hira遺伝子欠失株の表現型を観察した結果、野生型と比較してhira欠失株では原糸体幹細胞形成の割合が大幅に減少することを明らかにした。このことから、H3.3およびHIRAは細胞記憶の書き換えに機能するという仮説がさらに裏付けられた。
2) H3.3の下流に存在して細胞記憶制御を担う分子の同定
H3.3およびHIRAによりH3K27me3を介して抑制される因子の一つとして同定した転写因子SBPについて、分化葉細胞からの幹細胞化に加えて、茎頂部分の茎細胞、造精器、造卵器の成熟にともなう細胞伸長に機能することを明らかにしていた。SBPの下流遺伝子を同定するため、これらの組織を用いて野生株とSBP遺伝子四重欠失株のトランスクリプトーム比較を行った。その結果、Tubulin遺伝子が共通に発現変動する因子として得られた。このTubulin遺伝子の過剰発現株においては、分化葉細胞からの幹細胞化が著しく抑制されたことから、少なくとも幹細胞化に関するSBPの下流遺伝子はTubulinであることが分かった。
3) H3.3局在を解明する新規イメージング法の確立
H3.3-YFP株は細胞核における蛍光が特に強く、H3.3の局在観察だけでなく新規イメージング法の確立にも有用であることがわかった。この株を用いて、1枚の2次元画像から3次元情報を再生するディジタルホログラフィーを顕微鏡に適用した新規イメージング法を確立し、組織におけるH3.3-YFPの3次元局在を解明することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Freiburg/Helmholtz Center Munich/University Wuerzburg(ドイツ)
• [国際共同研究] Huazhong Agricultural University/Hubei University of Medicine(中国)
• [国際共同研究] University of Freiburg/Helmholtz Center Munich(ドイツ)
• [国際共同研究] Huazhong Agricultural University(中国)
• [国際共同研究] Institute of Experimental Botany(チェコ)
• [雑誌論文] Genomes of the Venus Flytrap and close relatives unveil the roots of plant carnivory (2020)
  • 著者名/発表者名: Palfalvi G, Hackl T, Terhoeven N, Shibata TF, Nishiyama T, Ankenbrand M, Becker D, Foerster F, Freund M, Iosip A, Kreuzer I, Saul F, Kamida C, Fukushima K, Shigenobu S, Tamada Y, Adamec L, Hoshi Y, Ueda K, Winkelmann T, Fuchs J, Schubert I, Schwacke R, Al-Rasheid K, Schultz J, Hasebe M, Hedrich R
  • 雑誌名: Current Biology 巻: in press 号: 12 ページ: 2312-2320
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.051
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Digital holographic multimodal cross-sectional fluorescence and quantitative phase imaging system (2020)
  • 著者名/発表者名: Kumar M, Quan X, Awatsuji Y, Tamada Y, Matoba O
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 7580-7580
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64028-x
  • NAID: 120006882492
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Common-path multimodal three-dimensional fluorescence and phase imaging system (2020)
  • 著者名/発表者名: Kumar M, Quan X, Awatsuji Y, Cheng C, Hasebe M, Tamada Y, Matoba O
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Optics 巻: 25 号: 03 ページ: 032010-032010
  • DOI: 10.1117/1.jbo.25.3.032010
  • NAID: 120007017120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physcomitrella STEMIN transcription factor induces stem cell formation with epigenetic reprogramming (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ishikawa, Mio Morishita, Yohei Higuchi, Shunsuke Ichikawa, Takaaki Ishikawa, Tomoaki Nishiyama, Yukiko Kabeya, Yukiko, Yuji Hiwatashi, Tetsuya Kurata, Minoru Kubo, Shuji Shigenobu, Yosuke Tamada, Sato Yoshikatsu, Mitsuyasu Hasebe
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 5 号: 7 ページ: 681-690
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0464-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell transcriptome analysis of Physcomitrella leaf cells during reprogramming using microcapillary manipulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kubo, Tomoaki Nishiyama, Yosuke Tamada, Ryosuke Sano, Masaki Ishikawa, Takashi Murata, Akihiro Imai, Daniel Lang, Taku Demura, Ralf Reski, Mitsuyasu Hasebe
  • 雑誌名: Nucleic Acid Research 巻: in press 号: 9 ページ: 4539-4553
  • DOI: 10.1093/nar/gkz181
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Role of histone H3.3 chaperone HIRA in cellular memory of Physcomitrella patens (2019)
  • 著者名/発表者名: Tamada Y, Cheng C, Kabeya Y, Hasebe M
  • 学会等名: Frontiers in plant environmental response research: local signaling, long-distance communication and memory for developmental plasticity
  • 国際学会
• [学会発表] Seeking for fundamental role of H3K27me3 and H3.3 in land plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Tamada Y
  • 学会等名: The 3rd meeting of the Plant Epigenetics Consortium in Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Role of the histone variant in the regulation of cellular memory (2019)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada
  • 学会等名: International Symposium “How to inherit and rewrite cellular memory in plants” at The 60th Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists
  • 国際学会
• [学会発表] DNA damage induces cellular reprogramming of differentiated cells to stem cells in the moss Physcomitrella patens (2018)
  • 著者名/発表者名: Nan Gu, Yosuke Tamada, Akihiro Imai, Gergo Palfalvi, Shuji Shigenobu, Masaki Ishikawa, Chunli Chen, Mitsuyasu Hasebe
  • 学会等名: International Symposium “Genome Maintenance Strategies of Plants: Secret to Long Life” at The 90th Annual Meeting of the Genetic Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヒメツリガネゴケにおけるヒストンバリアントH3.3とH3.3シャペロンHIRAの機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介、程 朝陽、壁谷 幸子、西山 智明、長谷部 光泰
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] ヒストンH3.3シャペロンHIRAはヒストン修飾の制御を介して幹細胞化を促進する (2018)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介、壁谷 幸子、長谷部 光泰
  • 学会等名: 第１回再生学異分野融合研究会
• [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] 日本光学会 研究グループ
  • URL: http://myosj.or.jp/group/
• [備考] 植物科学の最前線（BSJ-Review）「生命科学の次なるパラダイムシフトに向かって」
  • URL: https://bsj.or.jp/jpn/general/bsj-review-10th/BSJ-review_10th_Tamada.pdf
• [備考] 基礎生物学研究所 ウェブサイト（生物進化研究部門）
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/sections/evolutionary_biology_and_biodiversity/hasebe/
• [備考] 基礎生物学研究所 生物進化研究部門 ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/
• [備考] レーザー学会学術講演会第39回年次大会 プログラム委員
  • URL: https://lsj-nenkai.net/comittiee/program_exective/
• [備考] The 5th Biomedical Imaging and Sensing Conference
  • URL: https://spie.org/TSL/conferencedetails/biomedical-imaging-and-sensing-conference
• [学会・シンポジウム開催] International Symposium “How to inherit and rewrite cellular memory in plants” at The 60th Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists (2019)