植物セントロメアの形成機構解明と植物人工染色体の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00473
• 研究機関: 公益財団法人かずさDNA研究所
• 研究代表者: 舛本 寛 公益財団法人かずさDNA研究所, 先端研究開発部, 室長 (70229384)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: セントロメア / CENP-A / ヒト人工染色体 / 植物人工染色体 / 合成生物学

研究実績の概要

人工合成したDNAや蛋白質から新たな機能を生み出す合成生物学的手法は、基礎研究のみならず産業界へも強烈なインパクトを与え始めている。本研究代表者らにより開発された合成DNAからなるヒト人工染色体(HAC)は、染色体分配機能に関わるセントロメアの形成機構の解明や遺伝子導入ベクターとして広く利用されている。一方、植物では、遺伝子のエピジェネティックな発現抑制がより複雑で、分子生物学解析もより困難であることから、染色体分配に関わるセントロメア形成の分子メカニズムの解明は遅れている。CENP-Aは酵母や動物細胞でセントロメア形成のエピジェネティックな鍵を握るヒストンH３のバリアントである。そこで本研究では植物セントロメアにも分布することが知られている植物CENP-A (CENH3)の集合に関わる因子を明らかにし、植物セントロメアの形成機構の解明を進める。この知見を利用し、植物細胞へ導入した合成DNA上でセントロメアを新規形成させ、植物人工染色体の構築を目指す計画である。具体的には、1）ヒト細胞を用いた植物CENP-Aの集合因子の検索、2）植物染色体異所的部位での植物CENP-Aの集合メカニズムの解明、3）反復DNAの合成と長鎖合成DNAの導入による植物人工染色体の開発、4）HACのプロトプラスト化植物細胞への導入と植物セントロメア化誘導、の４つの研究計画を進める。2020年度は、計画 1）を中心に植物CENP-Aをヒト細胞で発現させた時の集合に関わるいくつかの因子を特定した。更に計画 2）で、これら因子を植物細胞で発現させ植物染色体上でCENP-Aの集合に関わるかどうかの研究も開始した。

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

2020年度はコロナウイルスの影響もあり、実験従事者の雇用や物品購入が計画通りには進まず一部予算を2021年度へ繰越申請も行なった。このため、研究は2020年度から2021年度に跨がったがこの期間の目標とする成果（植物CENP-A の集合に関わる因子の特定）を得ることができた。また、2020年度はその分、論文執筆（Otake et al,JCS,2020）や人工染色体及び動物・植物セントロメアに関する総説集の特集号（本研究者らによる編集、論説及び総説、Ohzeki et al,ECR,2020）を編集し、植物セントロメアや植物人工染色体の研究に関する世界的な動向についての情報収集も進め成果としてまとめることができた。

今後の研究の推進方策

100種を超えるタンパク質の巨大複合体であるセントロメアの集合メカニズムについては、解析の進む酵母やヒト細胞でも未だに不明な点が残されている。細胞へ合成DNAを導入することによりセントロメアの機能構造を一から「作って調べる」ことができるヒト人工染色体のシステムは、このような解析にも威力を発揮する。本研究計画では、植物セントロメアの集合機構解明と植物人工染色体の開発を目指して、1）ヒト細胞を用いた植物CENP-Aの集合因子の検索、2）植物染色体異所的部位での植物CENP-Aの集合メカニズムの解明、3）反復DNAの合成と長鎖合成DNAの導入による植物人工染色体の開発、4）HACのプロトプラスト化植物細胞への導入と植物セントロメア化誘導、の４つの計画を進める。2020-2021年度は、計画1）、2）を展開し成果を得た。2022年度はこれらの成果を利用して、計画3）、4）を実施しながら合成反復DNA上での植物セントロメア化誘導と植物人工染色体の開発へとつなげる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] CENP-B creates alternative epigenetic chromatin states permissive for CENP-A or heterochromatin assembly (2020)
  • 著者名/発表者名: Otake Koichiro、Ohzeki Jun-ichirou、Shono Nobuaki、Kugou Kazuto、Okazaki Koei、Nagase Takahiro、Yamakawa Hisashi、Kouprina Natalay、Larionov Vladimir、Kimura Hiroshi、Earnshaw William C.、Masumoto Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 133(15) ページ: -
  • DOI: 10.1242/jcs.243303
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An Artificial Conversion of Roots into Organs with Shoot Stem Characteristics by Inducing Two Transcription Factors (2020)
  • 著者名/発表者名: Hanano Shigeru、Tomatsu Hajime、Ohnishi Ai、Kobayashi Koichi、Kondo Yuki、Betsuyaku Shigeyuki、Takita Eiji、Ogata Yoshiyuki、Ozawa Keishi、Suda Kunihiro、Hosouchi Tsutomu、Nagase Takahiro、Suzuki Hideyuki、Sakurai Nozomu、Masumoto Hiroshi、Fukuda Hiroo、Shibata Daisuke
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 ページ: 101332～101332
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101332
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] H3K9me3 maintenance on a Human Artificial Chromosome is required for segregation but not centromere epigenetic memory (2020)
  • 著者名/発表者名: Martins Nuno M. C.、Cisneros-Soberanis Fernanda、Pesenti Elisa、Kochanova Natalia Y.、Shang Wei-Hao、Hori Tetsuya、Nagase Takahiro、Kimura Hiroshi、Larionov Vladimir、Masumoto Hiroshi、Fukagawa Tatsuo、Earnshaw William C.
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 133(14) ページ: -
  • DOI: 10.1242/jcs.242610
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Human artificial chromosome: Chromatin assembly mechanisms and CENP-B (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohzeki Jun-ichirou、Otake Koichiro、Masumoto Hiroshi
  • 雑誌名: Experimental Cell Research 巻: 389 ページ: 111900～111900
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2020.111900
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Artificial chromosomes (2020)
  • 著者名/発表者名: Fachinetti Daniele、Masumoto Hiroshi、Kouprina Natalay
  • 雑誌名: Experimental Cell Research 巻: 396 ページ: 112302～112302
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2020.112302
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of Complex DNA Rearrangements during Early Stages of HAC Formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Pesenti Elisa、Liskovykh Mikhail、Okazaki Koei、Mallozzi Alessio、Reid Caitlin、Abad Maria Alba、Jeyaprakash A. Arockia、Kouprina Natalay、Larionov Vladimir、Masumoto Hiroshi、Earnshaw William C.
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 9 ページ: 3267～3287
  • DOI: 10.1021/acssynbio.0c00326
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [図書] 月刊「細胞」7月号、特集「染色体医工学」、「染色体の安定性制御と創薬スクリーニング」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大関淳一郎、Vladimir Larionov、舛本寛
  • 総ページ数: 52: 412-415
  • 出版者: ニューサイエンス社