陸上植物の世代交代を制御するエピゲノム・遺伝子発現相関の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: ゲノム・遺伝子相関：新しい遺伝学分野の創成
• 研究課題/領域番号: 26113717
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 玉田 洋介 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (50579290)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: エピゲノム / 発生 / 遺伝子発現制御 / ライブイメージング / 植物

研究実績の概要

陸上植物は、受精によって配偶体 (n) 世代から胞子体 (2n) 世代へと世代交代を行う。本研究では、クロマチン状態と遺伝子発現との相互作用を「エピゲノム・遺伝子発現相関」と名付け、陸上植物の世代交代を制御するエピゲノム・遺伝子発現相関を解明することを目的とする。コケ植物ヒメツリガネゴケでは、受精によって抑制型クロマチン修飾H3K27me3の唯一の触媒酵素PpCLFの発現が消失する。それに端を発するエピゲノム・遺伝子発現相関を、１、次世代シーケンサーを用いたトランスクリプトーム・エピゲノム解析、２、胞子体の発生プログラムに機能する遺伝子（胞子体発生遺伝子）の同定と機能解析、３、胞子体発生遺伝子とクロマチン修飾の卵細胞4Dライブイメージング、によって解明することを試みた。
１、ヒメツリガネゴケの配偶体世代において、H3K27me3が局在する遺伝子にはH3K4me3も局在する、いわゆるバイバレント状態であることを明らかにしていたが、H3K27のメチル化にヒストン変異種H3.3が機能していることを解明した。また、ヒメツリガネゴケ配偶体世代のH3.3エピゲノムは、他の陸上植物の胞子体世代のH3.3エピゲノムとは異なっていることを示す結果を得た。以上の結果から、H3K27me3に加えて、H3.3のエピゲノムの違いが、配偶体世代と胞子体世代における発生プログラムの違いに機能している可能性が示唆された。
２、３、配偶体世代ではH3K27me3によって抑制され、PpCLFが消失した胞子体では脱抑制され発現する約100の胞子体発生遺伝子候補の中から、過剰発現によって配偶体に形態異常を生じる遺伝子を複数同定した。現在、これらの遺伝子の欠失株を順次作出し、受精過程における表現型を観察中である。また、これらの遺伝子に対する蛍光タンパク質遺伝子挿入株を用いて、受精過程におけるタンパク質の局在を、これまでに確立した4Dライブイメージング法で観察中である。

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

平成２６年度当初の研究目的は、１、胞子体発生遺伝子群の欠失株作出とその表現型解析、および蛍光タンパク質遺伝子挿入株作出とその発現解析、２、配偶体世代と胞子体世代で異なるエピゲノムの解明、３、受精過程および接合子における高精細ライブイメージング系の確立である。１、連携研究者の榊原恵子博士らとの共同研究により、胞子体発生遺伝子群の欠失株、蛍光タンパク質株挿入株の作出はほぼ終了し、順次、表現型解析と発現解析を進めている。２、H3K27メチル化にヒストン変異種H3.3が関与すること、配偶体世代におけるH3.3エピゲノムが他の陸上植物の胞子体世代のH3.3エピゲノムと異なることを明らかにした。PpCLF/H3K27me3の消失に加えて、H3.3エピゲノムの転換が、配偶体世代から胞子体世代への世代交代に機能していることが示唆された。こうした結果は予想外であり、当初の期待以上の進展があった。３、受精過程の高精細4Dライブイメージングについては、補償光学などを複数の手法を用いて達成に向けて研究中である。以上から、「おおむね順調に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

今後は、胞子体発生遺伝子欠失株の受精過程における表現型解析と、蛍光タンパク質遺伝子挿入株を用いた発現解析を進め、胞子体発生遺伝子群がどのように世代交代の制御に機能しているのかを解明する。また、ヒストン変異種H3.3、およびそれと対になるヒストン変異種H3.1について、ヒメツリガネゴケの胞子体世代におけるエピゲノムを解明すると同時に、受精過程におけるライブイメージングを行うことで、H3.3およびH3.1が配偶体世代から胞子体世代への世代交代の過程でどのように変動しているのかを明らかにする。受精過程の高精細4Dライブイメージングについては、補償光学などの技術を検討しつつ、さらに研究を進める。これまで蓄積してきた結果をまとめて、論文を執筆する。

備考

受賞、アウトリーチ活動など
・榊原 恵子、日本進化学会奨励賞受賞（日本進化学会）、2014年8月
・その他、玉田 洋介ら、榊原 恵子らで、International symposiumおよび国内シンポジウムのオーガナイズ、海外特別授業、高校生への研究紹介などの活動をのべ６件行った。

研究成果

• [雑誌論文] Antagonistic roles for KNOX1 and KNOX2 genes in patterning the land plant body plan following an ancient gene duplication. (2015)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Furumizu, John P. Alvarez, Keiko Sakakibara, John L. Bowman
  • 雑誌名: PLoS Genetics 巻: 11 ページ: e1004980
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1004980
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 陸上植物の複相の巨大化と複雑化に貢献したホメオボックス遺伝子の重複と機能分化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 榊原 恵子
  • 雑誌名: 細胞工学 巻: 33 ページ: 872-877
• [学会発表] 世代交代を制御する転写調節因子KNOX2遺伝子の下流遺伝子の探索 (2015)
  • 著者名/発表者名: 榊原 恵子、西山 智明、塚谷 裕一
  • 学会等名: 第56回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 東京農業大学（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-16
• [学会発表] 基部陸上植物におけるヒストンH3.3バリアントとHIRAの機能 (2015)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 学会等名: 第2回ヒストンバリアント研究会
  • 発表場所: 東京工業大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-02-28 – 2015-02-28
  • 招待講演
• [学会発表] Epigenetic reprogramming of the stem-cell formation in the moss Physcomitrella patens. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada, Tetsuya Kurata, Masayuki Hattori, Yutaka Hayano, Yasuhiro Kamei, Yuji Hiwatashi, Yukiko Kabeya, Tomoaki Nishiyama, Takashi Murata, Mitsuyasu Hasebe
  • 学会等名: Plant reprogramming workshop
  • 発表場所: RIKEN (Yokohama, Kanagawa)
  • 年月日: 2014-11-28 – 2014-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] Epigenome analysis of the stem-cell formation in the moss Physcomitrella patens. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada, Tetsuya Kurata, Masayuki Hattori, Yutaka Hayano, Yasuhiro Kamei, Yuji Hiwatashi, Yukiko Kabeya, Tomoaki Nishiyama, Takashi Murata, Mitsuyasu Hasebe
  • 学会等名: The 37th annual meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • 発表場所: Pacifico Yokohama (Yokohama, Kanagawa)
  • 年月日: 2014-11-27 – 2014-11-27
• [学会発表] 天体観測に用いる補償光学を応用した細胞核ライブイメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介
  • 学会等名: 新学術領域「ゲノム・遺伝子相関」平成26年度若手の会
  • 発表場所: 上郷・森の家（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-11-01 – 2014-11-01
• [学会発表] Epigenomic analysis of the stem-cell formation in land plants. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Tamada
  • 学会等名: Invited seminar at Huazhong Agricultural University
  • 発表場所: Huazhong Agricultural University (Wuhan, China)
  • 年月日: 2014-09-30 – 2014-09-30
  • 招待講演
• [学会発表] KNOX遺伝子族の進化による陸上植物複相の複雑化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 榊原 恵子、古水 千尋、John L. Bowman
  • 学会等名: 日本植物学会第78回大会
  • 発表場所: 明治大学（神奈川県川崎市）
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-12
• [学会発表] 陸上植物の世代交代を制御するバイバレントクロマチン状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 玉田 洋介、石川 貴章、長谷部 光泰
  • 学会等名: 第26回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
  • 発表場所: 高遠さくらホテル（長野県伊那市）
  • 年月日: 2014-08-28 – 2014-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] コケ植物の再生能力とその制御因子 (2014)
  • 著者名/発表者名: 榊原 恵子
  • 学会等名: 日本蘚苔類学会第43回大会
  • 発表場所: 奥入瀬渓流ホテル（青森県十和田市）
  • 年月日: 2014-08-27 – 2014-08-27
• [学会発表] KNOX遺伝子は陸上植物の世代交代を制御する (2014)
  • 著者名/発表者名: 榊原 恵子
  • 学会等名: 進化学会16回年会
  • 発表場所: 高槻現代劇場（大阪府高槻市）
  • 年月日: 2014-08-21 – 2014-08-21
• [学会発表] WOX13-like genes are required for reprogramming of leaf and protoplast cells into stem cells in the moss Physcomitrella patens. (2014)
  • 著者名/発表者名: Keiko Sakakibara, Pascal Reisewitz, Tsuyoshi Aoyama, Thomas Friedrich, Sayuri Ando, Yoshikatsu Sato, Yosuke Tamada, Tomoaki Nishiyama, Yuji Hiwatashi, Tetsuya Kurata, Masaki Ishikawa, Hironori Deguchi, Stefan Rensing, Wolfgang Werr, Takashi Murata, Mitsuyasu Hasebe, Thomas Laux
  • 学会等名: 47th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • 発表場所: Winc Aichi (Nagoya, Aichi)
  • 年月日: 2014-05-27 – 2014-05-27
• [備考] 基礎生物学研究所 ウェブサイト （生物進化研究部門）
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/sections/evolutionary_biology_and_biodiversity/hasebe/
• [備考] 基礎生物学研究所 生物進化研究部門 研究室ウェブサイト
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/