2020 Fiscal Year Annual Research Report
Sex differentiation in land plant: mechanism of genetic robustness and plasticity
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17H07424
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853)
大和 勝幸 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50293915)
山岡 尚平 京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (00378770)
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| Project Period (FY) |
2017-10-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 植物発生生物学 / 配偶体世代 / 性分化 / 性決定 / 長鎖非翻訳RNA / Marchantia polymorpha |
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| Outline of Annual Research Achievements |
配偶体世代が優占的で分子遺伝学解析に適した苔類ゼニゴケを用いて陸上植物の生殖細胞系列の決定と性決定・性分化の分子機構を明らかにすることを目的としている。
雌性分化因子FGMYBの発現を雄で抑制するための制御因子でアンチセンスlncRNAをコードするSUF遺伝子にのクロマチン状態と性が密接に関連することを見出した。つまり、性染色体上の性決定因子の機能は、雌個体においてクロマチン状態を不活性状態にすることでSUF遺伝子の発現を抑制することにあると考えた。雌株ではSUF遺伝子座が不活性状態にあることを検出し、上記のモデルが妥当であることを示すことができた。
研究の開始時の大きな目標であった雌の性染色体（U染色体）上の性決定遺伝子の同定が順調に進み、BASIC PENTACYSTEINEファミリーのタンパク質（BPCU）をコードしていることを明らかにした。この遺伝子を雄個体に導入すると雌性化した。胞子を用いたゲノム編集で得られたbpcU変異体の生殖器托は雄に転換したが、これらの株は雄の性染色体（V染色体）をもつ染色体異数性個体であった。V染色体にはBPCUの性染色体間ホモログ（ガメトログ）BPCVが存在する。BPCUおよびBPCVの変異株を葉状体の形質転換で作成したところ、得られた株は生殖器托を形成しなかった。つまりBPCUとBPCVは有性生殖を誘導する機能を共有することが明らかになった。その一方で、雌性化能はBPCUにのみ存在した。また、このFeminizer遺伝子の起源に関して分子系統樹を作成して解析したところ、苔類の半数体における性決定遺伝子として4億年以上前に誕生したことが明らかにできた。現在、知られている性決定遺伝子として最も早く誕生し、利用され続けている遺伝子であることが明らかになった。半数体の性決定システムの予想外の特徴と性決定遺伝子の進化が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
環境に依存した生殖誘導機構の解明を目的に生殖細胞を誘導するBONOBO遺伝子のプロモーター領域の分割し、発現制御に関する正と負のシス配列が存在することを見出した。この領域に結合する因子の同定と機能解析を進めた結果、日長や光質によるとの関連が示された。また、BONOBOは転写因子としてFGMYBの発現を制御することも明らかになった。また、蛍光タンパク質を利用してBONOBO発現細胞を特異的に分離して回収する方法が確立し、細胞レベルでの分子機構を解析することが可能となった。現在、この系を利用して、細胞特異的にクロマチン動態を解析することが可能となった。
実績の概要に記述したように、雌の性染色体（U染色体）にコードされるBPCUが性決定因子Feminizerであることを明らかにした。この成果を公表する論文の準備を進めた。また、その機能解析に関連して、Feminizerの変異体および過剰発現体における染色体レベルでのクロマチン修飾動態を解析した。その結果、常染色体上の雌性分化制御遺伝子座であるSUF-FGMYB領域に雌特異的なクロマチン不活化を検出した。クロマチン制御を含む転写制御カスケードにより遺伝的な性が決定されることが明らかになった。
性分化の調節モジュールであるFGYB-SUFの発現の制御実態の解析では、FGMYB遺伝子に対してSUF lncRNAのcisの転写が必要である。しかし、lncRNAの二次構造や配列上の要求性は見いだせていない。この結果を検証するために、FGMYB遺伝子をレポーター遺伝子に置換したモデル制御モジュールを構築し、lncRNA機能解析を効率的かつ定量的に実施した。その結果、SUFの作用にはRNA構造ではなく、転写が重要であることが確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
光質や日長に依存した有性生殖の開始機構を明らかにするため、レポーターを利用してBONOBO遺伝子の時空間的発現を追跡する。フィトクロムを介する制御系や植物ホルモンによる制御系に注目し光質や日長制御に関わる転写因子の突然変異体や機能亢進系統を利用して環境因子が発生ステージを統合的に制御する分子実体を明らかにする。
ゼニゴケの性分化過程おいて雌雄に特異的な生殖器托の形態が作られる過程を明らかにするため、発生途中の生殖器托を対象に共焦点顕微鏡観察する。再構築した3次元画像から細胞のセグメンテーションを行う。BNB遺伝子やFGMYB遺伝子のレポーターラインを用いることで、生殖細胞系列の配置が生殖器托の形態形成に果たす役割を推定する。またMpfgmyb変異体における生殖器托の形成過程を観察し、MpFGMYBが雌性分化のどの段階を制御しているのかを明らかにする。
FGMYB-SUFによる性分化制御に関しては、SUFの発現制御領域の解析を進める。Feminizerが標的とする領域を同定するためSUFの部分欠失や塩基置換系統を作成し、雌株におけるSUFの発現抑制に関与する領域の同定を進める。
同定に成功したFeminizerにエピトープタグを融合させた遺伝子を発現する系統を作成し、Feminizerタンパク質に対するクロマチン免疫法による結合解析の準備ができた（CUT＆RUN法を予定）。予想外にFeminizerには性染色体間相同遺伝子が存在し、有性生殖に必須であるという機能をFeminizerと共有していた。この点にも注目し、両遺伝子のキメラ遺伝子を作成し、Feminizer機能と有性生殖誘導の機能分化を可能にする分子内の領域を同定する。更にFeminizerとその相同遺伝子の機能分化の制御実体を明らかにするためには生殖細胞分化の鍵因子であるBONOBO発現との関連性を明らかにする。
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Research Products
(13 results)
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[Journal Article] Design principles of a minimal auxin response system2020
Author(s)
Kato Hirotaka、Mutte Sumanth K.、Suzuki Hidemasa、Crespo Isidro、Das Shubhajit、Radoeva Tatyana、Fontana Mattia、Yoshitake Yoshihiro、Hainiwa Emi、van den Berg Willy、Lindhoud Simon、Ishizaki Kimitsune、Hohlbein Johannes、Borst Jan Willem、Boer D. Roeland、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Weijers Dolf
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Journal Title
Nature Plants
Volume: 6
Pages: 473～482
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Deciphering the evolution of sexual plant reproduction using Marchantia polymorpha2020
Author(s)
Tetsuya Hisanaga, Satoshi Koi, Keitaro Okahashi, Shota Fujimoto, Yihui Cui, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Masaki Shimamura, Katsuyuki T. Yamato, Fred Berger, Takayuki Kohchi, and Keiji Nakajima
Organizer
2020 International Conference of the Korean Society of Plant Biologists
Int'l Joint Research / Invited
