高い放射線耐性を示す動物クマムシが持つ防護と修復の新規メカニズムの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H04332
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 國枝 武和 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10463879)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: クマムシ / 放射線耐性 / DNA防護 / ゲノム編集

研究実績の概要

Dsup はクマムシ固有の DNA 結合タンパク質であり、in vitro 、動物細胞内で放射線や活性酸素種からDNAを防護する活性を持つ。こうした活性はストレスからの防護には適しているが、細胞内の DNA アクセスを伴う生命活動には負の影響を与えることが危惧される。また、ゲノム編集技術として頻用される CRISPR/Cas9 による切断も阻害する可能性があった。こうした阻害活性の検出およびクマムシにおけるゲノム編集技術の確立を目的として、標的遺伝子に対する crRNA と Cas9タンパク質を混合した RNP をクマムシ成体の体腔内に微量注入し電気穿孔法を行った。様々な条件を検討した結果、比較的低塩濃度のバッファーを用いて一定の電圧条件で導入を行うことによってゲノムの改変が検出された。この結果はDsupを発現しているクマムシにおいても CRISPR/Cas9 によるゲノム切断とその修復が起きることを示している。改変配列の決定により切断によって生じた末端同士が結合する非相同末端結合 (NHEJ) が起きていることは確認されたが、上記の電気穿孔法を使用した方法ではこれまでのところ末端接合部に NHEJ で期待される short indel などのエラーの導入は複数の遺伝子を対象とした解析においても検出されていない。生殖細胞を介したゲノム改変個体の作出は、様々な条件を検討中であるがこれまでのところ確認されておらず、もう少し検討が必要である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

多くの条件検討が必要なクマムシにおけるゲノム改変・ゲノム編集個体作出に多くのリソースを使用し進展が十分とはいえなかった。

今後の研究の推進方策

クマムシにおけるゲノム編集個体作出は継続するものの、培養細胞や他のモデル生物を用いた解析をすすめる。

研究成果

• [国際共同研究] Durham University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Durham University
• [雑誌論文] クマムシ：極限ストレス耐性のメカニズム-ヒトへの応用を展望して (2022)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 280 ページ: 799-804
• [雑誌論文] Parallel evolution of trehalose production machinery in anhydrobiotic animals via recurrent gene loss and horizontal transfer (2021)
  • 著者名/発表者名: Hara Yuichiro、Shibahara Reira、Kondo Koyuki、Abe Wataru、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: Open Biology 巻: 11 ページ: 200413～200413
  • DOI: 10.1098/rsob.200413
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 2021.10.02 ページ: 462891
  • DOI: 10.1101/2021.10.02.462891
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 宇宙に耐える極限生物から切り拓く新たな放射線ストレス防衛機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 279 ページ: 615-621
• [雑誌論文] Space Radiation Biology for “Living in Space” (2020)
  • 著者名/発表者名: Furukawa S, Nagamatsu A, Nenoi M, Fujimori A, Kakinuma S, Katsube T, Wang B, Tsuruoka C, Shirai T, Nakamura A, Sakaue-Sawano A, Miyawaki A, Harada H, Kobayashi M, Kobayashi J, Kunieda T, Funayama T, Suzuki M, Miyamoto T, Hidema J, Yoshida Y, Takahashi A
  • 雑誌名: BioMed Research International 巻: 2020 ページ: 1～25
  • DOI: 10.1155/2020/4703286
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Unique toolbox in tardigrade anhydrobiosis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Kunieda
  • 学会等名: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition. (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Tanaka
  • 学会等名: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • 国際学会
• [学会発表] 脱水様ストレスに応答して線維/ゲル化するクマムシタンパク質の機能・構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第1回乾眠生物若手の会
• [学会発表] なぜクマムシは乾燥すると頑強になるのか？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第6回クマムシ学研究会
• [学会発表] クマムシはどうやって極限環境に耐えるのか？ (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 大隅基礎科学創成財団 第2回市民講座
  • 招待講演
• [学会発表] 放射線も平気？極限環境に耐える動物クマムシ (2021)
  • 著者名/発表者名: 國枝武和
  • 学会等名: 日本進化学会 第23回大会公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] クマムシ固有な新規細胞骨格様タンパク質による耐性メカニズムの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本動物学会 第92回大会
• [学会発表] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSの線維/ゲル化メカニズムの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第22回大会
• [学会発表] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHS1の機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安井玲太朗
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第22回大会
• [学会発表] クマムシ固有の乾燥耐性タンパク質による脱水ストレスに応答した可逆的な細胞骨格様線維/ゲルの形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本分子生物学会 第44回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Tardigrades' unstructured proteins as a toolkit for extremotolerance. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takekazu Kunieda
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシタンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第5回クマムシ学研究会
• [学会発表] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 第58回生物物理学会
• [学会発表] クマムシ固有の天然変性タンパク質の脱水ストレスに応答した可逆的な繊維形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中彬寛
  • 学会等名: 日本動物学会 第91回大会
• [学会発表] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHSのリガンド解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安井玲太朗
  • 学会等名: 極限環境生物学会 第21回大会