植物再生を制御する転写待機メカニズムの分子基盤解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00415
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松永 幸大 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40323448)
• 研究分担者: 坂本 卓也 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 研究員 (40637691)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: ヒストン修飾 / 再生 / プライミング / エピジェネティックス / 植物

研究実績の概要

植物の再生メカニズムの解明は、植物ホルモン作用や転写因子制御などを中心に研究が行われてきた。微妙な環境変化や植物片の状態によって植物の器官再生効率が変化することから、従来報告されていたホルモンシグナル調節や遺伝子発現制御とは異なるエピジェネティック・プライミングが植物再生に関与することを明らかにした。本研究は、エピゲノム制御、クロマチン動態、再生現象という三つの生命現象を統合的に解析することで、分化誘導前の準備段階における転写待機状態創出のメカニズムをエピジェネティック・プライミングによるヒストン修飾のバランス調節、クロマチン構造変換、RNAポリメラーゼの修飾による転写活性制御、細胞核内の三次元的クロマチン配置を統合的に解析し、植物再生現象を制御する転写待機状態の分子基盤を解明することを目的とする。将来起こり得る現象に関与する遺伝子群を転写待機状態にすることで、生物が生命現象の連続性をどのように維持しているかを理解することを目指している。申請者らは、ヒストンH3・リジン4残基(H3K4)特異的脱メチル化酵素であるLDL3（lysine-specific demethylase-kike 3）の変異体のカルスは、再生誘導後、根を再生させるが、シュートを再生させないことを見出した。LDL3は、カルス培養時にH3K4me2をシュート形成遺伝子群のクロマチンのヒストンからあらかじめ除去することで、プライミング状態を作り出す因子である。一方、植物再生遺伝子がカルスの中で転写待機状態のためにH3K4meを入れる酵素の実体は不明であった、この酵素の同定を進め、ATX (arabidopsis homolog of trithorax)であることがわかった。

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

ヒストンメチル化酵素ATXはシュート関連遺伝子領域にヒストンメチル化（H3K4me3）を導入することで発現を活性化させており、カルス形成時にATXの発現が下がるとそれら遺伝子の発現も抑制され、シュート誘導時には再びATXの発現が上昇し、シュート関連遺伝子が発現するようになることがわかった。ATXの蛍光イメージングデータも取得し、カルスを介したシュート再生において、ATXが適切な箇所で機能を持することを明らかにした。ATXはカルス形成時にシュート関連遺伝子領域のヒストンメチル化を行い、エピジェネティック・プライミング機構による発現制御を行っているLDL3と協調して段階的にシュート関連遺伝子の発現を制御していることも判明したため、順調に進展していると言える。また、シロイヌナズナの変異体を使用してクロマチン空間配置制御させるタンパク質群（CII-LINC複合体およびCRWN）の同定に成功し、国際科学雑誌Nature Plants誌に原著論文を発表した。さらに、20種類以上存在するシロイヌナズナのヒストン脱アセチル化酵素に注目し、一つひとつ機能を失わせながら、器官再生を制御する酵素の特定を行った。その中の一つの酵素HDA19が、葉や茎を形成させる器官原基で働き、アセチル基を取り除くことで、68個の遺伝子の働きを器官再生の適切な時期にOFFにしていた。器官が再生するときに、初期に働く遺伝子、その次に働く遺伝子、そしてその次と、段階的に遺伝子発現のON/OFFを切り替えていく必要がある。そのスイッチの切り替えがうまくいかないと、器官再生が起こらない、もしくは異常な形の器官が再生される。このスイッチのOFF側を制御する酵素HDA19を発見し、国際科学雑誌PNAS Nexus誌に発表した。

今後の研究の推進方策

再生に関与するH3K4メチル基転移酵素(ATX)の変異体も再生に関与することがわかった。つまり、LDL3のようなH3K4meのeraserだけでなく、writerも再生に関わり、H3K4meのバランスが重要であり、その制御システムの存在が明らかになった。そこで、H3K4メチル基転移酵素変異体のChIP-seqとRNA-seq解析を行い、LDL3データと統合的解析することで、eraserとwriterによるH3K3meのバランス調節機構を明らかにし、その制御下にあるプライミング遺伝子群を更に絞り込む。また、クロマチンは転写状態によって細胞核内の三次元的な位置を変化させる。転写が行われるときに、遺伝子座のクロマチン、転写因子、RNAPIIなどが集結した細胞核内領域である転写ファクトリーが出現する。動物の転写ファクトリーは、細胞核中心部に多く、核膜近傍には少ない。申請者らは、植物の環境応答遺伝子が核膜近傍に移動したときに転写されることを示し、動物とは異なる。また、プライミング状態にある遺伝子群が細胞核内において三次元的に集合するのか、プライミング後にどのように転写ファクトリーに移動するかなど、動植物を通じて全く不明である。そこで、そのメカニズムを知るためにも、プライミング状態にある遺伝子群の細胞核内の三次元的動態を解析することをイメージング技術の開発とともに進める。

研究成果

• [雑誌論文] Genomic analysis of an ultrasmall freshwater green alga, Medakamo hakoo. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato, S., Misumi, O., Maruyama, S., Nozaki, H., Tsujimoto-Inui, Y., Takusagawa, M., Suzuki, S., Kuwata, K., Noda, S., Ito, N., Okabe, Y., Sakamoto, T., Yagisawa, F., Matsunaga, T. M., Matsubayashi, Y., Yamaguchi, H., Kawachi, M., Kuroiwa, H., Kuroiwa, T. and Matsunaga, S.
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 6 ページ: 89
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04367-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histone deacetylation regulates de novo shoot regeneration. (2023)
  • 著者名/発表者名: Temman, H., Sakamoto, T., Ueda, M., Sugimoto, K., Migihashi, M., Yamamoto, K., Tsujimoto-Inui, Y., Sato, H., Shibuta, M. K., Nishino, N., Nakamura, T., Shimada, H., Taniguchi, Y. Y., Takeda, S., Aida, M., Suzuki, T., Seki, M., and Matsunaga, S.
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 2 ページ: pdad002
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Novel whole-mount FISH analysis for intact root of Arabidopsis thaliana with spatial reference to 3D visualization. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, S, Sakamoto, T., Matsunaga, S., and Iwamoto, A.
  • 雑誌名: J. Plant Res. 巻: 136 ページ: 423-428
  • DOI: 10.1007/s10265-023-01438-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins. (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto, T., Sakamoto, Y., Grob, S., Slane, D., Yamashita, T., Ito, N., Oko, Y., Sugiyama, T., Higaki, T., Hasezawa, S., Tanaka, M., Matsui, A., Seki, M., Suzuki, T., Grossniklaus, U. and Matsunaga, S.
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 8 ページ: 940-953
  • DOI: 10.1038/s41477-022-01200-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 植物の再生能力獲得に関わるクロマチンリモデリング因子の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀江綾香、坂本卓也、Diaz Mariana、乾弥生、Slane Daniel、佐藤輝、鈴木穣、松永幸大
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおいて核膜孔複合体はセントロメア二段階配置制御に関与する (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤ななみ、坂本卓也、坂本勇貴、松永幸大
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるヒストン修飾H3K4me3のライブイメージング技術の確立 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松岡慈、坂本卓也、澁田未央、佐藤優子、木村宏、松永幸大
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるセントロメア配置制御のメカニズムと意義の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂本卓也，坂本勇貴，Daniel Slane，伊藤ななみ，松永幸大
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナの高次倍数体（6, 8 倍体）の根端における成長抑制と染色体の束化の関連について (2023)
  • 著者名/発表者名: 菊池涼夏，坂本卓也，松永幸大，杉山宗隆，岩元明敏
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゲノム倍数化が植物の器官成長に及ぼす影響を定量化するシロイヌナズナのセントロメア配置制御に核膜孔複合体が関与する (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 ななみ，坂本 卓也，坂本 勇貴，松永 幸大
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] WM FISH によるゲノム倍数体の根端における染色体束化の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 菊池 涼夏，坂本 卓也，松永 幸大，杉山 宗隆，岩元 明敏,
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] シュート再生能の獲得に関与するエピジェネティック制御因子の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 右橋 雅子，坂本 卓也，大矢恵代，稲垣 宗一，鈴木 穣，角谷 徹仁，松永 幸大
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] γ線照射によるシュート再生能力向上のメカニズム解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 橋正 隆平，佐藤 輝，坂本 卓也，坂本 勇貴 ，鈴木 孝征, 松永 幸大
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるヒストン修飾H3K4me3のライブイメージング解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松岡慈、坂本卓也、澁田未央、佐藤優子、木村宏、松永幸大
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] シロイヌナズナのセントロメア配置制御に核膜孔複合体が関与する (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤ななみ、坂本卓也、坂本勇貴、松永幸大
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] γ線照射によるシュート再生能力向上の分子メカニズム解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 橋正隆平，佐藤輝，坂本卓也，坂本勇貴，鈴木孝征，松永幸大
  • 学会等名: 日本植物形態学会第34回大会
• [学会発表] シュート再生能の獲得に関与するヒストンメチル化酵素の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 右橋雅子，坂本卓也，大矢恵代，稲垣宗一，鈴木穣，角谷徹仁，松永幸大
  • 学会等名: 日本植物形態学会第34回大会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるヒストンH3K4me3のライブイメージング解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松岡慈、坂本卓也、澁田未央、佐藤優子、木村宏、松永幸大
  • 学会等名: 日本植物形態学会第34回大会
• [学会発表] シロイヌナズナのセントロメア配置制御に関わる核膜孔複合体の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伊藤ななみ、坂本卓也、坂本勇貴、松永幸大
  • 学会等名: 日本植物形態学会第34回大会
• [学会発表] セントロメアの核内分散配置はコンデンシンII-LINC複合体と核ラミナによって形成される (2022)
  • 著者名/発表者名: 松永 幸大, 坂本 勇貴、 ダニエル スラネ 、伊藤 ななみ、 関 原明、 鈴木 孝征、 坂本 卓也
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Live-cell imaging analyses of H3K4me3 in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Megumi Matsuoka, Takuya Sakamoto, Mio Shibuta, Yuko Sato, Hiroshi Kimura, Sachihiro Matsunaga
  • 学会等名: Live-cell imaging analyses of H3K4me3 in Arabidopsis thaliana
  • 国際学会
• [学会発表] Subnuclear distribution of centromeres is regulated by condensin II and lamina (2022)
  • 著者名/発表者名: Sachihiro Matsunaga
  • 学会等名: Live-cell imaging analyses of H3K4me3 in Arabidopsis thaliana
  • 国際学会 / 招待講演