変動環境下での頑健な応答を支える長期クロマチン記憶

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04977
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 工藤 洋 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (10291569)
• 研究分担者: 角谷 徹仁 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20332174) ; 本庄 三恵 京都大学, 生態学研究センター, 准教授 (30450208)
• 研究期間 (年度): 2021-05-18 – 2026-03-31
• キーワード: ヒストン修飾 / H3K27me3 / 長期環境応答 / エピジェネティクス / ハクサンハタザオ

研究実績の概要

クロマチン長期記憶の環境応答におけるメカニズムと役割を理解するために、１．長期クロマチン記憶の新規メカニズム、２．新規環境要因で変化する長期クロマチン記憶のターゲット、３．長期クロマチン記憶の生態機能を明らかにすることが目的である。具体的には、① H3K27me3介在型プロモーターの解析による新規メカニズムの解明、② 修飾間のクロストークとDNAトポロジーの役割の解明、③ 温度ミミックをのターゲット解析、④ ウイルスで変化するロマチン記憶の解析、⑤ 長期クロマ チン記憶の温度依存性と生態機能の解明、⑥ 防御における季節ゲーティングの解明、である。
2021年度は、クロマチン記憶の環境応答研究を実施するために、東京大学では実クロストークとトポロジー解析のための実験系の確立を進め、京都大学には 表現型、DNA/RNAの多検体解析のための体制を確立する。特にウイルス感染・温度ストレスを実験条件下で再現し、生理的・解剖学的ダメージ を評価するための機器を設置した。分子遺伝学的実験、グロースチャンバー・圃場での栽培実験、自然集団での計測を総合的に実施する。ハク サンハタザオおよび近縁アブラナ科の自然変異・エピ変異を活用するため、温度環境やウイルス感染状況が異なる各地の集団からのサンプルも 活用して研究を進めた。主な成果としては、H3K27me3介在型プロモーターの部分配列を使った解析、H2AバリアントおよびヒストンH3K4修飾を中心とした研究、温度ミミックをコードする遺伝子のノックアウトと過剰発現ラインの解析などがある。

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

計画①②③⑥を中心に進めた。計画① 「H3K27me3介在型プロモーターの解析による新規メカニズムの解明」では、野外のヒストン修飾時系列解析で 特定したH3K27me3介在型プロモーターの部分配列を使った解析をすすめた。計画② 「長期クロマチン記憶の継承と確立における修飾間のクロストークの解明」では、鍵となる目印と推察さ れるH2AバリアントおよびヒストンH3K4修飾を中心に研究を進めた。計画③「温度ミミックのター ゲット解析」では、当該ペプ チドをコードする遺伝子のノックアウトと過剰発現ラインを入手し、各温度下でのトランスクリプトームの変化を解析した。計画⑥「防御における季節ゲーティングの実証と生態機能」では、2年間計画の野外測定のうち、1年分を実施した。

今後の研究の推進方策

クロマチン記憶の環境応答研究を実施するために、東京大学ではエピゲノム形成に関与する因子の変異体を用いた解析を進める。京都大学では温度ストレス・ウイルス感染実験を実施し、ヒストン修飾およびトランスクリプトームの多検体解析をおこなう。引き続き、分子遺伝学的実験、栽培実験、自然集団での研究を総合的に実施する。計画① 「H3K27me3介在型プロモーターの解析による新規メカニズムの解明」ではH3K27me3介在型プロモーターの部分配列を使った解析をさらに進める。計画② 「修飾間のクロストークの解明」では、鍵となる目印と推察されるH2Aバリアントおよびヒストン修飾を中心に研究を進める。その際、長期的なエピゲノム修飾間の相互作用に着目した独自の視点での研究を行う。計画③「温度ミミックのターゲット解析」では、細胞分泌型の新規の温度応答ペプチドを植物に投与し、トランスクリプトームの変化からターゲットを特定する。計画④ 「ウイルスで変化する長期クロマチン記憶のターゲット解析」では、継続感染でヒストン修飾が変化するターゲット遺伝子の発現動態を調べる。計画⑤ 「長期クロマチン記憶の温度依存性と生態機能の解明」においては 、葉の老化に関して長期クロマチン記憶の関与を調べる。⑥「季節ゲーティングの実証と生態機能」では、冬にも傷害によって「みどりの香り」は発生するがことが分かった。遺伝子発現応答に対する抑制効果とみどりの香りの発生との関係についての研究を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Chromatin-based mechanisms to coordinate convergent overlapping transcription. (2021)
  • 著者名/発表者名: Inagaki S, Takahashi M, Takashima K, Oya S, Kakutani T
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 7 ページ: 295-302
  • DOI: 10.1038/s41477-021-00868-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] H3K27me3 demethylases alter HSP22 and HSP17.6C expression in response to recurring heat in Arabidopsis. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi N, Matsubara S, Yoshimizu K, Seki M, Hamada K, Kamitani M, Kurita Y, Nomura Y, Nagashima K, Inagaki S, Suzuki T, Gan E-S, To T, Kakutani T, Nagano AJ, Satake A, Ito T
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 3480
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23766-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The genetic and epigenetic landscape of the Arabidopsis centromeres (2021)
  • 著者名/発表者名: Naish M, Alonge M, Wlodzimierz P, Tock AJ, Abramson BW, Schmucker A, Mandakova T, Jamge B, Lambing C, Kuo P, Yelina N, Hartwick N, Colt K, Smith LM, Ton J, Kakutani T, Martienssen RA, Schneeberger K, Lysak MA, Berger F, Bousios A, Michael TP, Schatz MC, Henderson IR.
  • 雑誌名: Science 巻: 374 ページ: eabi7489
  • DOI: 10.1126/science.abi7489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Altitudinal differentiation in the leaf wax-mediated flowering bud protection against frost in a perennial Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yumoto G, Sasaki-Sekimoto Y, Aryal B, Ohta H, Kudoh H.
  • 雑誌名: Oecologia 巻: 195 ページ: 677-687
  • DOI: 10.1007/s00442-021-04870-6.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Population differentiation in the leaf shape and growth form of Cardamine scutata Thunb. in tidal and non‐tidal habitats (2021)
  • 著者名/発表者名: Soga E, Sugisaka J, Watanabe M, Kudoh H.
  • 雑誌名: Plant Species Biology 巻: 36 ページ: 399～411
  • DOI: 10.1111/1442-1984.12325
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phylogeographic and demographic modeling analyses of the multiple origins of the rheophytic goldenrod Solidago yokusaiana Makino (2021)
  • 著者名/発表者名: Kyan R, Kimura T, Yamashiro T, Fujii S, Sakaguchi S, Ito M, Nagano AJ, Kudoh H, Maki M.
  • 雑誌名: Heredity 巻: 126 ページ: 831-845
  • DOI: 10.1038/s41437-021-00408-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combination of genetic analysis and ancient literature survey reveals the divergence of traditional Brassica rapa varieties from Kyoto, Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawakatsu Y, Sakamoto T, Nakayama H, Kaminoyama K, Igarashi K, Yasugi M, Kudoh H, Nagano AJ, Yano K, Kubo N, Notaguchi M, Kimura S
  • 雑誌名: Horticulture Research 巻: 8 ページ: 132
  • DOI: 10.1038/s41438-021-00569-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Life‐history monographs of Japanese plants 14:Cardamine leucantha (Tausch) O. E. Schulz (Brassicaceae) (2021)
  • 著者名/発表者名: Araki KS, Tsujimoto M, Iwasaki T, Kudoh H
  • 雑誌名: Plant Species Biology 巻: 36 ページ: 542～553
  • DOI: 10.1111/1442-1984.12345
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fine‐scale empirical data on niche divergence and homeolog expression patterns in an allopolyploid and its diploid progenitor species (2021)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Reiko、Sun Jianqiang、Hatakeyama Masaomi、Lischer Heidi E. L.、Briskine Roman V.、Hay Angela、Gan Xiangchao、Tsiantis Miltos、Kudoh Hiroshi、Kanaoka Masahiro M.、Sese Jun、Shimizu Kentaro K.、Shimizu‐Inatsugi Rie
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 229 ページ: 3587～3601
  • DOI: 10.1111/nph.17101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Determinants of leaf longevity of Arabidopsis halleriunder the seasonal environmental fluctuations (2022)
  • 著者名/発表者名: Yumoto G, Nishio H, Muranaka T, Sugisaka J, Honjo MN, Kudoh H. 村中智明，工藤洋，伊藤照悟，小山時隆
  • 学会等名: 【EPA】日本生態学会大会第69回全国大会
• [学会発表] 遺伝子発現制御の生態学：DNAメチル化・クロマチン修飾・RNAサイレンシング (2022)
  • 著者名/発表者名: 工藤洋
  • 学会等名: 日本生態学会大会第69回全国大会
• [学会発表] 新規の長期低温応答性プロモーターはH3K27me3を介して遺伝子発現を制御する (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水華子，西尾治幾，工藤洋
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 遺伝子発現制御の生態学：DNAメチル化・クロマチン修飾・RNAサイレンシング「ウイルス感染がもたらす自然環境下での宿主植物トランスクリプトームの応答」 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本庄三恵
  • 学会等名: 第69回日本生態学会大会
• [学会発表] フィールド・エピジェネティクス：環境変動下での頑健性の基盤 (2021)
  • 著者名/発表者名: 工藤 洋
  • 学会等名: 日本植物学会第85回大会
• [学会発表] Eurasian phylogeographic study of a widely distributed plant, Cardamine impatiens, based on the genome-wide SNPs by MIG-seq. (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki T, Ebisawa A, Tamura Y, Shiga T, Kucera J, Zozomova-Lihova, Marhold K, Li P, Pak J-H, Choi HJ, Kim Y-D, Sabirov R, Matsuo A, Tsunamoto Y, Suyama Y, Shimizu-Inatsugi R, Shimizu KK, and Kudoh H．
  • 学会等名: 東アジア国際植物分類学シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] ハクサンハタザオの４年間毎週トランスクリプトームからわかる自然条件下での遺伝子発現の特徴 (2021)
  • 著者名/発表者名: 工藤洋，杉阪次郎，本庄三恵
  • 学会等名: 第５３回種生物学シンポジウム
• [学会発表] 自然条件下でのカブモザイクウイルスの感染によるハクサンハタザオの死亡と遺伝子発現の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本庄三恵，西尾治幾，村中智明，工藤洋
  • 学会等名: 第５３回種生物学シンポジウム
• [学会発表] Molecular Phenology: Seasonal changes in leaf longevity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kudoh H
  • 学会等名: Kyoto-Zurich Workshop in Plant Science 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シロイヌナズナのトランスポゾンにおける抑制修飾間のクロストーク (2021)
  • 著者名/発表者名: 小田頌子，藤泰子，富永さやか，角谷徹仁
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] シロイヌナズナの遺伝子における抑制修飾間のクロストーク (2021)
  • 著者名/発表者名: 山﨑慈，藤泰子，富永さやか，角谷徹仁
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける転写と共役したH3K4脱メチル化機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森秀世，大矢恵代，稲垣宗一，角谷徹仁
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] 転写領域のエピゲノム修飾による転写抑制に拮抗するメカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 矢部寛之助，神尾明日香，大矢恵代，田中尚人，高橋まゆみ，角谷徹仁，稲垣宗一
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] 転写共役型と（エピ）ゲノムに制御される型の２種類の酵素がH3K4メチル化を担う (2021)
  • 著者名/発表者名: 大矢恵代，角谷徹仁，稲垣宗一
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] Mechanism for transposon silencing regulated by chromatin remodeling factor (2021)
  • 著者名/発表者名: 越阪部晃永，Jamge B，Axelsson E，Kuehn AL，Montgomery SA，Akimcheva S，Pisupati R，Yelagandula R，角谷徹仁 and Berger F
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
• [学会発表] シロイヌナズナのトランスポゾンによる配列特異的な抗抑制系とその速い進化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 角谷徹仁
  • 学会等名: 日本遺伝学会 第93回大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヒストンバリアントのダイナミクスを介したトランスポゾン発現制御機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 越阪部晃永，山﨑慈恵，田中祐梨子，Jamge B，Lorkovic Z，Berger F，角谷徹仁
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] The chromatin remodeling factor DDM1 mediates the deposition of heterochromatic histone variant for TE silencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Osakabe A, Jamge B, Axelsson E, Montgomery SA, Akimcheva S, Kuehn AL, Pisupati R, Lorkovic ZJ，Yelagandula R, Kakutani T, Berger F
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia “Integrative Epigenetics in Plants” Pre-conference
  • 国際学会
• [学会発表] How are transposable elements (TEs) specifically modified and silenced? (2021)
  • 著者名/発表者名: Kakutani T
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia “Integrative Epigenetics in Plants” Pre-conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヒストンバリアントによるトランスポゾン発現制御機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 越阪部晃永，山﨑慈恵，田中祐梨子，Jamge B，Lorkovic Z，Berger F，角谷徹仁
  • 学会等名: 第39回染色体ワークショップ・第20回核ダイナミクス研究会
• [学会発表] ウイルス生態学：水域から陸域へ (2021)
  • 著者名/発表者名: 本庄三恵
  • 学会等名: 第53回種生物学シンポジウム
• [学会発表] RNA-seqで見る継続感染下での 植物―ウイルス相互作用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本庄三恵
  • 学会等名: 縦横無尽の会
  • 招待講演
• [学会発表] 自然条件下でのカブモザイクウイルスの感染によるハクサンハタザオの死亡と遺伝子発現の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本庄三恵，西尾治幾，村中智明，工藤洋
  • 学会等名: 第53回種生物学シンポジウム
• [学会発表] クロノタイプ効果による適応形質の多様化：短日植物における限界日長の局所適応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村中智明，工藤洋，伊藤照悟，小山時隆
  • 学会等名: 日本生態学会大会第69回大会