器官再生系の1細胞RNA-seq 解析から読み解く遺伝子発現ダイナミクス

• 研究領域: 細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
• 研究課題/領域番号: 20H05431
• 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
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 池内 桃子 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (00633570)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
• キーワード: 器官再生 / カルス / シングルセル解析 / シングルセル / 多分化能 / 多能性

研究開始時の研究の概要

動物や植物の器官発生や器官を再生するためには、様々な細胞を生み出す能力である「多能性」を持った幹細胞のはたらきが非常に重要である。特に、植物は高い再生能力を持っており、多能性を持った幹細胞を新たに生み出すこともできる。私はこの植物を題材として、細胞が多能性を持つとはどういうことなのか？という本質的な問いに挑戦する。そのために、細胞ひとつひとつの遺伝子発現状態を解析するための最新技術である1細胞RNA-seq という手法、および、遺伝子発現の動的な変動を調べるためのイメージング技術を駆使し、多能性細胞が持つ特徴を調べる。

研究実績の概要

植物は高い再生能力を持っており、体細胞から多能性を持ったカルス細胞を形成し個体を再構築できる。植物の器官再生メカニズムに関して分子遺伝学的な知見は蓄積してきたものの、「細胞が多能性を持つとはどういうことなのか」「多能性細胞はどうやって複数の細胞種を生み出すのか」といった根本的な問いは未解明のままである。本研究では、1細胞RNA-seq (scRNA-seq) 解析を用いて上記の問いを明らかにすることを目指す。今年度は、シングルセルRNA-seq 解析で得られたデータに基づき、細胞種特異的に発現する遺伝子の同定と発現部位の解析を進めた。その結果、一見して無秩序に見える細胞集団のなかにも、特徴的な遺伝子発現と形態を有する細胞種があることが明らかになりつつある。また、野生型と突然変異体の比較も進めており、細胞種の変化が起こっていることも見えてきた。
また、予想外の結果から多能性細胞の性質を理解するための手がかりが得られている。私がかねてより着目して研究してきた転写因子は、表現型解析に基づき多能性細胞がその後辿る分化運命を決定するプロセスに関わる因子だと当初は想定していたが、解析を進めるにつれて多能性の獲得に おいても重要な役割を果たすことがわかった。今後、さらに機能解析を進めることによって、多能性の制御メカニズム解明につながることが大いに期待できる。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Warm Temperature Promotes Shoot Regeneration in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2022)
  • 著者名/発表者名: Lambolez Alice、Kawamura Ayako、Takahashi Tatsuya、Rymen Bart、Iwase Akira、Favero David S、Ikeuchi Momoko、Suzuki Takamasa、Cortijo Sandra、Jaeger Katja E、Wigge Philip A、Sugimoto Keiko
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: ー 号: 5 ページ: 618-634
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Plant stem cell research is uncovering the secrets of longevity and persistent growth (2021)
  • 著者名/発表者名: Umeda Masaaki、Ikeuchi Momoko、Ishikawa Masaki、Ito Toshiro、Nishihama Ryuichi、Kyozuka Junko、Torii Keiko U.、Satake Akiko、Goshima Gohta、Sakakibara Hitoshi
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: Online ahead of print 号: 2 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1111/tpj.15184
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Wound-inducible WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 is required for callus growth and organ reconnection (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikeuchi Momoko, Iwase Akira, Ito Tasuku, Tanaka Hayato, Favero David S, Kawamura Ayako, Sakamoto Shingo, Wakazaki Mayumi, Tameshige Toshiaki, Fujii Haruki, Hashimoto Naoki, Suzuki Takamasa, Hotta Kazuhiro, Toyooka Kiminori, Mitsuda Nobutaka, Sugimoto Keiko
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 188 号: 1 ページ: 425-441
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab510
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] WIND transcription factors orchestrate wound-induced callus formation, vascular reconnection and defense response in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwase A, Kondo Y, Laohavisit A, Takebayashi A, Ikeuchi M, Matsuoka K, Asahina M, Mitsuda N, Shirasu K, Fukuda H, Sugimoto K
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 232 号: 2 ページ: 734
  • DOI: 10.1111/nph.17594
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The SUMO E3 ligase SIZ1 negatively regulates shoot regeneration (2020)
  • 著者名/発表者名: Duncan Coleman, Ayako Kawamura, Momoko Ikeuchi, David Seth Favero, Alice Lambolez, Bart Rymen, Akira Iwase, Takamasa Suzuki, Keiko Sugimoto
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 184 号: 1 ページ: 330-344
  • DOI: 10.1104/pp.20.00626
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] How do plants transduce wound signals to induce tissue repair and organ regeneration? (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikeuchi Momoko、Rymen Bart、Sugimoto Keiko
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 57 ページ: 72-77
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2020.06.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 傷口からの再生ー植物の細胞リプログラミング (2020)
  • 著者名/発表者名: 池内桃子、杉本慶子
  • 雑誌名: 生物の科学 遺伝 巻: 5 ページ: 568-573
• [学会発表] How do plants re-construct a new life upon injury? (2021)
  • 著者名/発表者名: Momoko Ikeuchi
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] シュート再生系におけるWUS とWOX13 の発現動態の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小倉菜緒、池内桃子
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] 器官再生における細胞リプログラミングの制御機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 池内桃子
  • 学会等名: 日本植物学会