性決定遺伝子同定に基づく半数体生物のU/V性決定システムの制御機構の解析

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H00417
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉竹 良洋 京都大学, 生命科学研究科, 助教 (10839179) ; 安居 佑季子 京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (90724758)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Keywords: 有性生殖 / 性決定遺伝子 / 性分化 / コケ植物

Outline of Annual Research Achievements

性分化は有性生殖に必須な発生過程であり、種の多様性と生存に貢献している。コケ植物は核相nの配偶体世代が生活環の大半をしめ、配偶子の発生の研究に適している。モデルコケ植物の一つであるゼニゴケは苔類に属する雌雄異株植物で、遺伝的に性が決定される。性染色体上にコードされる性決定因子BPCUは、その性分化は雌性発生に働く転写因子FEMALE GAMETOPHYTE MYB（FGMYB）と、その逆鎖にコードされる長鎖非翻訳RNA（lncRNA）であるSUPPRESSOR OF FEMINIZATION（SUF）から成る常染色体の性分化スイッチ遺伝子座に働きかけることによって機能する。SUFは雄特異的に転写され、FGMYBを抑制することで雄性分化を引き起こす。しかし、この抑制機構の分子メカニズムはまだ明らかにされていなかった。SUFによるFGMYBの発現抑制機構を解析し、SUFが転写を介してFGMYBの発現を抑制することを示した。詳細な遺伝子改変系統の解析結果から、SUFの転写産物ではなく、転写過程自体がゼニゴケの性分化を制御する上で必要であることが示唆された（Kajiwara et al., 2024）。また、ゼニゴケの雌性分化に関しては、シロイヌナズナの中央細胞発生に関わるヒスチジンキナーゼCYTOKININ-INDEPENDENT 1（CKI1）が、保存された下流のサイトカイニン信号伝達経路を介して機能し、造卵器における卵細胞発生のための雌性生殖細胞の発生を制御していることを見出した(Bao et al., 2024)。性決定因子BPCUが制御する性分化制御の階層性の一端を明らかにすることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

性決定因子BPCUはそのガメトログであるBPCVと共通して性分化の上流に位置する有性生殖誘導に関する制御の役割をもつ。そこで生殖細胞分化の鍵因子であるbasic helix-loop-helix型転写因子BONOBOファミリーの発現制御を解析した。遠赤色光補光された長日条件において限られた細胞でMpBNBが発現することで生殖細胞系列が決定され、造精器・造卵器を含む生殖枝を形成する。MpBNBの発現は、CDFがコリプレッサーTOPLESSとの相互作用を介して転写を抑制する光周性経路と、赤色光・遠赤色光受容体フィトクロムの相互作用因子であるbHLH型転写因子PIFを介した転写を促進する光質経路によって拮抗的に制御される。環境依存的な転写制御機構を明らかにするため、転写を正に制御するMpPIFの生殖誘導条件におけるDNA結合プロファイルを解析した。その結果、MpPIFは誘導条件下でMpBNB遺伝子上流の転写活性化に重要な領域に結合していることを明らかにした。また、MpPIFがMpCDFとの相互作用により協調的・拮抗的に転写制御を行う可能性が示唆された。BNBの下流については、シングル核RNAseq解析を用いて、制御ネットワーク解析を進めた。開発したゼニゴケ用の誘導型CRISPR転写活性化システムにより、生殖系列細胞分化の鍵遺伝子BONOBO（BNB）を異所的に過剰発現させることで、多数の生殖細胞系列細胞を栄養組織から直接分化させる植物体を作出した。この系を利用して、BNBの結合部位と標的遺伝子を同定することもできた。また、生殖系列細胞由来の細胞クラスターとその分化経路を推定し、これらの細胞で特異的に発現する転写因子を同定した。性決定因子BPCUが関与する有性生殖の誘導と性分化を制御する遺伝子ネットワークの全体像が明らかになることが期待される。

Strategy for Future Research Activity

発現制御ネットワークを形成する機構を解明するには、性決定因子BPCUを用いたクロマチン修飾に関する研究を推進することが重要である。BPCUのN末端やC末端にエピロープを挿入するとタンパク質の機能を阻害することが課題であった。これについては、タグの挿入位置を詳細に検討することで対応した。相補表現型の結果から適切な挿入位置が特定できた。一方で、このエピトープとして用いたHiBiTに対する抗体検出は成功したが、相互作用して複合体を形成することにより化学発光活性を示すLgBiTによる検出は困難であった。立体構造によりBPCUを含む複合体の検出に困難がある可能性を念頭に今後の解析を進める必要はあるが、基本的にはCUT&RUNによるクロマチン解析に用いる株の準備はできたと考えている。SUF領域におけるH3K27me3の蓄積はPRC1複合体によるH2AK119Ubを介している可能性を検証する。ゼニゴケではPRC1によってユビキチン化したH2Aを介してPRC2がリクルートされ、H3K27me3修飾が生じるという機構をすでに報告しているが、一方でショウジョウバエにおいてH3K27me3が先駆けて生じて, PRC1による H2Aユビキチン化を促進する例が知られている。PRC2によるH3K27me3がPRC1をリクルートメントする経路、PRC2と独立してPRC1がはたらいてH2Aユビキチン化が配置される経路も存在する可能性がある。SUF領域におけるヒストン修飾ではPRC1も関与することも示唆されており、栄養成長段階におけるH2AUbを更に解析するといった解析によりPRC1とPRC2の関連が明らかになると期待される。また, PRC1と共免疫沈降とその質量分析などにより, 複合体構成因子との相互作用の有無を検証する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Transcription of the antisense long non-coding RNA, SUPPRESSOR OF FEMINIZATION, represses expression of the female-promoting gene FEMALE GAMETOPHYTE MYB in the Liverwort Marchantia polymorpha (2024)
  • Author(s): Kajiwara, T., Miyazaki, M., Yamaoka, S., Yoshitake, Y., Yasui, Y., Nishihama, R., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 65 Pages: 338～349
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conserved CKI1-mediated signaling is required for female germline specification in Marchantia polymorpha (2024)
  • Author(s): Bao, H., Sun, R., Iwano, M., Yoshitake, Y., Aki, S., Umeda, M., Nishihama, R., Yamaoka, S., Kohchi, T.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 34 Pages: 1324～1332.e6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2024.01.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RAF-like protein kinases mediate a deeply conserved, rapid auxin response (2024)
  • Author(s): Kuhn, A., Roosjen, M., Mutte, S., Dubey, S. M., Carrillo, C. V. ., Boeren, S., Monzer, A., Koehorst, J., Kohchi, T., Nishihama, R., Fendrych, M., Sprakel, J., Friml, J., and Weijers, D.
  • Journal Title: Cell Volume: 187 Pages: 130～148.e17
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.11.021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional morphological analysis revealed the cell patterning bases for the sexual dimorphism development in the Liverwort Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Cui, Y., Hisanaga, T., Kajiwara, T., Yamaoka, S., Kohchi, T., Goh, T., and Nakajima, K.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Pages: 866～879
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biosynthesis of gibberellin-related compounds modulates far-red light responses in the liverwort Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Sun, R., Okabe, M., Miyazaki, S., Ishida, T., Mashiguchi, K., Inoue, K., Yoshitake, Y., Yamaoka, S., Nishihama, R., Kawaide, H., Nakajima, M., Yamaguchi, S., and Kohchi, T.
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 35 Pages: 4111～4132
  • DOI: 10.1093/plcell/koad216
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A bHLH heterodimer regulates germ cell differentiation in land plant gametophytes (2023)
  • Author(s): Saito, M., Momiki, R., Ebine, K., Yoshitake, Y., Nishihama, R., Miyakawa, T., Nakano, T., Mitsuda, N., Araki, T., Kohchi, T., and Yamaoka, S.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 33 Pages: 4980～4987.e6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.09.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Harnessing deep learning to analyze cryptic morphological variability of Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Tomizaw, Y., Minamino, N., Shimokawa, E., Kawamura, S., Komatsu, A., Hiwatashi, T. Nishihama, R., Ueda, T., Kohchi, T., and Kondo, Y.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Pages: 1343～1355
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 陸上植物の光周期依存的な成長相転換機構の進化 (2024)
  • Author(s): 吉竹良洋， 川村昇吾， 梶原智明，西浜竜一，山岡尚平， 河内孝之
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 苔類ゼニゴケの生殖細胞系列様細胞誘導系のシングル核RNA-seq解析 (2024)
  • Author(s): 梶原智明, 熊谷健隆, 吉竹良洋, 岩野恵, 川村昇吾, 安居佑季子, 山岡尚平, 河内孝之
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Evolutionarily conserved CKI1-mediated signaling regulates female germline specification in Marchantia polymorpha (2024)
  • Author(s): Bao Haonan, Rui Sun, Megumi Iwano, Yoshihiro Yoshitake, shiori Aki, Masaaki Umeda, Ryuichi Nishihama Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケの環境依存的な生殖細胞系列決定の分子機構 (2023)
  • Author(s): 吉竹良洋、 山岡尚平、川村昇吾、 梶原智明、西浜竜一、 河内孝之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 苔類ゼニゴケの生殖細胞分化因子MpBONOBOの遺伝子座における日長に依存したクロマチン動態 (2023)
  • Author(s): 田中 健太、吉竹 良洋、梶原 智明、Bao Haonan、安居 佑季子、山岡 尚平、河内 孝之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] CKI1-mediated two-component signaling is an evolutionarily conserved regulatory system for female gametogenesis in land plants (2023)
  • Author(s): Haonan Bao, Rui Sun, Megumi Iwano, Yoshihiro Yoshitake, Shiori Aki, Masaaki Umeda, Ryuichi Nishihama, Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi
  • Organizer: he 24th International Conference on Plant Growth Substances
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] コケ植物の卵細胞を生み出す遺伝子を発見―陸上植物の生殖細胞をつくる機構とその進化―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2024-02-21
• [Remarks] 植物の生殖細胞をつくる2つの遺伝子―5億年前に誕生したヘテロ二量体―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2023-10-19-1