本領域では広く細胞質ゲノムを対象として下図のように「①制御技術」、「②遺伝理解」、「③利用展開」の3つを研究対象分野とし、「制御技術」をA01、その使用対象の研究となる「②遺伝理解」をB01、「③利用展開」をB02 としました。

A01　制御技術

計画班

A01-1：細胞質ゲノム編集と遺伝子導入技術の開発

有村 慎一

研究代表者
東京大学大学院農学生命科学研究科　教授
研究室HP　https://lpmg-u-tokyo.labby.jp
Researchmap　https://researchmap.jp/ShinichiArimura/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-9537-1626

研究分担者

細川正人 (早稲田大・先進理工・准教授・応用生物化学・シングルオルガネラ解析)
髙梨秀樹 (東京大・農学生命・特任准教授・植物分子遺伝学・遺伝とイメージング解析)
奥野未来 (久留米大・医学部医学・助教・ゲノム科学・NGS解析)
石綱史子 (東京家政学院大・現代生活学・准教授・遺伝育種・電顕解析)

細川 正人
髙梨 秀樹
奥野 未来
石綱 史子

詳細を見る

植物細胞質ゲノム編集技術の拡張を目指し、① 植物以外の多様な生物種での適用を領域内外の共同研究として行う。
自由自在な細胞質ゲノム改変への挑戦として、②現在のゲノム編集の限界 (標的切断と塩基置換) を超えた安定遺伝子導入に挑戦する。
特にゲノム編集酵素をコードするDNA配列を一過的遺伝子導入し (沼田班と協働)、Gene driveを応用した挿入遺伝子の増幅安定化を介し、世界で未達の多細胞生物ミトコンドリアゲノムの安定外来遺伝子挿入個体の作出を実現する。また、細胞内に複数存在するミトコンドリアの遺伝的個性やヘテロジェニティ (不均一性) の理解を目指し、③シングルオルガネラゲノミクス解析技術の確立、④③を用いた植物ミトコンドリアヘテロジェニティの解明を行う。新規開発した技術を含め領域内外に材料と技術提供を行いながら、⑤技術の簡便化 (キットやマニュアル化) を進め、誰でも利用できる細胞質ゲノム改変技術の普及浸透を目指す。

研究業績　*責任著者

  1. Nakazato I, Okuno M, Zhou C, Itoh T, Tsutsumi N, Takenaka M, Arimura SI* (2022) Targeted base editing in the mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci USA, 119: e2121177119.
  2. Nakazato I, Okuno M, Yamamoto H, Tamura Y, Itoh T, Shikanai T, Takanashi H, Tsutsumi N, Arimura SI* (2021). Targeted base editing in the plastid genome of Arabidopsis thaliana. Nat Plants, 7: 906–913.
  3. Arimura SI*, Ayabe H, Sugaya H, Okuno M, Tamura Y, Tsuruta Y, Watari Y, Yanase S, Yamauchi T, Itoh T, Toyoda A, Takanashi H, Tsutsumi N (2020) Targeted gene disruption of ATP synthases 6-1 and 6-2 in the mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana by mitoTALENs. Plant J, 104: 1459–1471.
  4. Kazama T*, Okuno M, Watari Y, Yanase S, Koizuka C, Tsuruta Y, Sugaya H, Toyoda A, Itoh T, Tsutsumi N, Toriyama K, Koizuka N*, Arimura SI* (2019) Curing cytoplasmic male sterility via TALEN-mediated mitochondrial genome editing. Nat Plants, 5: 722–730.
  5. Arimura SI*, Fujimoto M, Doniwa Y, Kadoya N, Nakazono M, Sakamoto W, Tsutsumi N (2008) Arabidopsis ELONGATED MITOCHONDRIA1 is required for localization of DYNAMIN-RELATED PROTEIN3A to mitochondrial fission sites. Plant Cell, 20: 1555–1566.
  6. Arimura SI, Yamamoto J, Aida G, Nakazono M, Tsutsumi N* (2004) Frequent fusion and fission of plant mitochondria with unequal nucleoid distribution. Proc Natl Acad Sci USA, 101:7805–7808.
  7. Arimura SI, Tsutsumi N* (2002) A dynamin-like protein (ADL2b), rather than FtsZ, is involved in Arabidopsis mitochondrial division. Proc Natl Acad Sci USA, 99: 5727–5731.

A01-2：オルガネラへの核酸および生理活性分子導入

沼田 圭司

研究代表者
京都大学工学研究科　教授
研究室HP　http://pixy.polym.kyoto-u.ac.jp/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/keijinumata_biopoly/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-2199-7420

研究分担者

山田勇麿 (北海道大・薬学研究院・教授・薬剤分子送達),
Simon Law (理研・研究員)

山田 勇麿
Simon Law

詳細を見る

既存の技術では細胞質ゲノム、特に多細胞生物のミトコンドリアのゲノムの改変は困難である。本研究では、異なる機能を有するペプチドを融合したペプチドや、カーボンナノチューブとペプチドを組み合わせた方法、ナノカプセルMITO-Porterを用いることで、多様な対象生物のゲノム保持オルガネラへの選択的な遺伝子導入が可能な複合バイオ技術を開発し提供する。沼田は「ペプチド法」と呼ばれる複数の機能性ペプチドを融合したDNAキャリアを用いることで、また山田は哺乳類で薬剤のミトコンドリア送達に成功しているMITO-Porterを用いて、DNAなどの核酸を細胞内の特異的なオルガネラに導入する。沼田らは、細胞透過ペプチドCPPに加えて、酵母由来のミトコンドリア移行配列とポリカチオンから成る融合ペプチドを利用することで、植物ミトコンドリアへ選択的に遺伝子を導入することに世界で初めて成功している。本研究では、1) タンパク質のオルガネラへの導入、2) 改変したオルガネラや細胞を選抜する技術の開発を実施する。有村班のゲノム編集技術と組み合わせてその酵素やコード配列をオルガネラに送達することで、導入した遺伝子の標的特異的挿入と野生型ゲノム消失を試みる。 また、領域全体の多様な対象生物への送達材料供与と改変相談を行い、細胞質ゲノム遺伝子導入のスタンダード技術を確立する。

研究業績　*責任著者

  1. Miyamoto T*, Tsuchiya K, Toyooka K, Goto Y, Tateishi A, Numata K* (2022) Relaxation of the plant cell wall barrier via zwitterionic liquid pretreatment for micelle complex-mediated DNA delivery to specific plant organelles. Angew Chem Int Ed, 61: e202204234.
  2. Law SSY, Liou G, Nagai Y, Gimenez Dejoz J, Tateishi A, Tsuchiya K, Kodama Y, Fujigaya T, Numata K* (2022) Polymer-coated carbon nanotube hybrids with functional peptides for gene delivery into plant mitochondria. Nat Commun, 13: 2417.
  3. Thagun C, Horii Y, Mori M, Fujita S, Ohtani M, Tsuchiya K, Kodama Y, Odahara M*, Numata K* (2022) Non-transgenic gene modulation via spray delivery of nucleic acid/peptide complexes into plant nuclei and chloroplasts. ACS Nano, 16: 3506–3521.
  4. Miyamoto T, Toyooka K, Chuah J, Odahara M, Higchi-Takeuchi M, Goto Y, Motoda Y, Kigawa T, Kodama Y, Numata K* (2022) Synthetic peptide–guided protein delivery in plants via a distinct endocytic route. JACS Au, 2: 223–233.
  5. Thagun C, Chuah J, Numata K* (2019) Targeted gene delivery into various plastids mediated by clustered cell-penetrating and chloroplast-targeting peptides. Adv Sci, 6: 1902064.

公募班

A01-3：植物ミトコンドリア特異的エピゲノム編集ツールの開発と評価

長部 謙二

研究代表者
沖縄科学技術大学院大学・植物エピジェネティクスユニット　グループリーダー
研究室HP　https://www.oist.jp/ja/research/research-units/peu
Researchmap　https://researchmap.jp/kenjiosabe
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-5216-1055

詳細を見る

ミトコンドリアは植物におけるエネルギー代謝や成長、ストレス応答に重要であり、ミトコンドリアDNA（mtDNA）のエピジェネティクス、特にDNAメチル化の役割は未解明である。エピジェネティック制御は核ゲノムにおける遺伝子発現調節に広く関与し、DNAメチル化酵素による特定のメチル化パターン（CG、CHGやCHH、H＝A、C、T）が知られているが、植物におけるmtDNAのメチル化やその機能についての報告は限られている。核内のDNAメチル化はDNAとタンパク質の相互作用、ゲノムの立体構造などに影響することで遺伝子発現を制御していることが知られており、mtDNAのメチル化も遺伝子発現に影響することが考えられる。本研究では、植物細胞質ゲノム編集技術を活用することで、（1）植物のmtDNAに配列特異的なメチル化を誘導する技術を開発し、（2）mtDNAメチル化の世代間継承の解析、（3）mtDNAのメチル化変化が植物の成長や形質に与える影響の評価に取り組む。

研究業績　*責任著者

  1. Akter MA, Mehraj H, Miyaji N, Takahashi S, Takasaki-Yasuda T, Seki M, Dennis ES, Fujimoto R, Osabe K* (2022). Transcriptional Association between mRNAs and Their Paired Natural Antisense Transcripts Following Fusarium oxysporum Inoculation in Brassica rapa L. Horticulturae 8(1): 17
  2. Mehraj H, Shea DJ, Takahashi S, Miyaji N, Akter A, Seki M, Dennis ES, Fujimoto R, Osabe K* (2021). Genome-wide analysis of long noncoding RNAs, 24-nt siRNAs, DNA methylation and H3K27me3 marks in Brassica rapa. Plos One 16(3): e0242530
  3. Osabe K, Harukawa Y, Miura S, Saze H* (2017). Epigenetic regulation of intronic transgenes in Arabidopsis. Scientific Reports 7: 45166

B01　遺伝理解

計画班

B01-1：植物細胞質ゲノムの遺伝子発現制御機構の解明

竹中 瑞樹

研究代表者
京都大学理学研究科　准教授
研究室HP　https://sites.google.com/site/mizukitakenakajapanese
Researchmap　https://researchmap.jp/7000021262?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-3242-5092

詳細を見る

植物細胞質ゲノムの遺伝子発現は器官や発育、環境状況などに応じて制御される。その制御機構は当初考えられていたより遥かに複雑であり、これまで多数の核コードタンパク質が、転写やRNA切断、 RNA編集、スプライシング、翻訳、RNA分解などの制御因子として同定されてきた。しかし、これらが連動して働く統合的制御機構についてはほとんど未解明である。本研究では複数の分子が連動するダイナミックなオルガネラ遺伝子発現制御機構の理解を目指す。そのためには各制御因子とゲノムDNAやRNAとの関係性を解明する必要がある。①有村班、矢守班と協働し、細胞質ゲノムのランダム塩基置換変異体から遺伝子制御機構変異体のスクリーニングを行い、DNA、RNA配列と遺伝子発現制御との関係性を解明する。②有村班と協力し、オルガネラ遺伝子の転写開始点付近に変異を導入し、これまで技術的に困難であった詳細なプロモーター解析を行う。③また各C-to-U RNA編集サイトをDNAの段階でTに変換し、その影響を詳細に解析することでRNA編集が遺伝子発現制御機構として存在する生物学的意義を明らかにする。④ミトコンドリア間での情報同期は、複数存在するミトコンドリアゲノム遺伝子の統御的な発現制御に必須である。有村班、石原班、西村班と協力し、ミトコンドリアの融合・分裂や核様体の形成・分配の異常がミトコンドリアゲノム遺伝子の発現制御に与える影響を解析する。以上のような解析から、細胞質ゲノムとそれが担う生命現象を繋げる重要なパイプの一つである遺伝子発現制御機構の理解を目指すことで本領域に貢献する。

研究業績　*責任著者

  1. Takenaka M*, Takenaka S, Barthel T, Frink B, Haag S, Verbitskiy D, Oldenkott B, Schallenberg-Rüdinger M, Feiler CG, Weiss MS, Palm GJ, Weber G (2021) DYW domain structures imply an unusual regulation principle in plant organellar RNA editing catalysis. Nat Catal, 4: 510–522.
  2. Guillaumot D, Lopez-Obando M, Baudry K, Avon A, Rigaill G, Falcon de Longevialle A, Broche B, Takenaka M, Berthomé R, De Jaeger G, Delannoy E, Lurin C* (2017) Two interacting PPR proteins are major Arabidopsis editing factors in plastid and mitochondria. Proc Natl Acad Sci USA, 114: 8877–8882.
  3. Takenaka M*, Zehrmann A, Verbitskiy D, Kugelmann M, Härtel B, Brennicke A (2012) Multiple organellar RNA editing factor (MORF) family proteins are required for RNA editing in mitochondria and plastids of plants. Proc Natl Acad Sci USA, 109: 5104–5109.
  4. Zehrmann A, Verbitskiy D, van der Merwe JA, Brennicke A, Takenaka M* (2009) A DYW domaincontaining pentatricopeptide repeat protein is required for RNA editing at multiple sites in mitochondria of Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 21: 558–567.
  5. Takenaka M*, Brennicke A (2009) Multiplex single-base extension typing to identify nuclear genes required for RNA editing in plant organelles. Nucl Acids Res, 37: e13.

B01-2：ミトコンドリアゲノムの母性遺伝・動態・品質管理機構の解明

佐藤 美由紀

研究代表者
群馬大学生体調節研究所　教授
研究室HP　http://makukinou.showa.gunma-u.ac.jp/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/read0153917/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-1944-4918

研究分担者

神吉智丈 (九州大・医学・教授・機能制御学・哺乳類や酵母を用いた解析)

神吉 智丈

詳細を見る

ミトコンドリアゲノムは、「母性遺伝すること」や「ヘテロプラスミー (細胞内多種mtDNA 混在状態) で存在できること」など、核ゲノムとは異なる特有の性質を持つ。これらの特性は治療法が確立していないミトコンドリア病を理解するための基本概念であるにも関わらず、その分子基盤や生理的意義はミトコンドリアゲノム研究の未解明問題である。本研究班は多彩なモデル系 (線虫、マウス、 哺乳類培養細胞、 酵母) を用いて、ミトコンドリア品質管理機構であるマイトファジーを起点に以下の問題解明を目指す。①父性ミトコンドリア特異的マイトファジーを中心とした母性遺伝の分子機構と生理的意義の解明、②生殖細胞分化過程において精子・卵子ミトコンドリアの違いを生み出すメカニズムの解明、③ヘテロプラスミーを維持する機構の解明とミトコンドリア機能への影響の解析、④マイトファジーによるミトコンドリアゲノム品質管理機構の理解とそのミトコンドリア病モデル生物への応用。これらの課題を達成するため、A01 班が開発する技術を用いて動物個体 (線虫やマウス) でミトコンドリアゲノム編集を行い、雌雄ミトコンドリアゲノムを簡便に見分けることができる実験系やミトコンドリア病モデル生物を構築し、研究を推進する。また、これらミトコンドリアゲノム特有の挙動・遺伝様式に関して得られた知見をA01班にフィードバックすることで、細胞質ゲノム制御法のさらなる発展に貢献する。

研究業績　*責任著者

  1. Sato M*, Sato K, Tomura K, Kosako H, Sato K* (2018) The autophagy receptor ALLO-1 and the IKKE-1 kinase control clearance of paternal mitochondria in Caenorhabditis elegans. Nat Cell Biol, 20: 81–91.
  2. Saegusa K, Sato M*, Morooka N, Hara T, Sato K* (2018) SFT-4/Surf4 control ER export of soluble cargo proteins and participate in ER exit site organization. J Cell Biol, 217: 2073–2085.
  3. Sakaguchi A, Sato M (co-first author), Sato K, Gengyo-Ando K, Yorimitsu T, Nakai J, Hara T, Sato K, Sato K* (2015) REI-1 is a guanine nucleotide exchange factor regulating RAB-11 localization and function in C. elegans embryos. Dev Cell, 35: 211–221.
  4. Sato M*, Konuma R, Sato K, Tomura K, Sato K* (2015) Fertilization-induced K63-linked ubiquitylation mediates clearance of maternal membrane proteins. Development, 141: 1324–1331.
  5. Sato M, Sato K* (2011) Degradation of paternal mitochondria by fertilization-triggered autophagy in C. elegans embryos. Science, 334: 1141–1144.

B01-3：ChloroTALENで御する細胞質ゲノム/葉緑体核様体の動態・修復・母性遺伝

西村 芳樹

研究代表者
早稲田大学先端生命医科学センター　准教授
研究室HP　https://sites.google.com/view/chlamywaseda/home?authuser=0
Researchmap　https://researchmap.jp/7000008742/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-8686-9206

詳細を見る

葉緑体移行型TALEN (chloroTALEN) と葉緑体核様体のライブイメージング技術を基盤とし、葉緑体核様体の細胞質ゲノム修復過程における動態、および母性遺伝の制御機構に迫る。①葉緑体DNA修復の時空間的解析: 植物の光合成の要である葉緑体には、独自のDNA (葉緑体DNA) およびその複製・遺伝子発現機構が備わっている。葉緑体DNAには光合成や葉緑体の機能維持に必須な遺伝子群がコードされており、その修復や安定な遺伝は植物にとって死活問題であるが、その実態は十分理解されていない。そこで本研究では、有村班の協力のもと、モデル緑藻クラミドモナスにおいて葉緑体DNAにdouble strand break (DSB) を導入する葉緑体移行型TALEN(chloroTALEN) を開発し、発現誘導することで、それに応答した葉緑体DNA修復因子群の挙動をライブイメージングで捉え、葉緑体DNA修復系の時空間的な理解を目指す。②葉緑体母性遺伝の人為的制御技術開発: 緑藻クラミドモナスでは、 葉緑体DNAは母性遺伝する。chloroTALENを接合子の雌で発現させ、母親の葉緑体DNAを断片化することで、母性遺伝を父性遺伝へと人工的に変換・制御することに挑戦する。さらに父性遺伝が促進される変異体を選抜し、その原因遺伝子同定をおこなうことで、母性遺伝の分子機構に迫る。③本研究で確立された技術、および得られた知見を佐藤班、有村班、竹中班の協力のもと、動物や陸上植物へと応用展開し、真核生物全体における細胞質ゲノム修復、母性遺伝機構の理解を目指すことで本領域の進展に貢献する。

研究業績　*責任著者

  1. Takusagawa M, Kobayashi Y, Fukao Y, Hidaka K, Endo M, Sugiyama H, Hamaji T, Kato Y, Miyakawa I, Misumi O, Shikanai T, Nishimura Y* (2021) HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci USA, 118:1–8.
  2. Kamimura Y, Tanaka H, Kobayashi Y, Shikanai T, Nishimura Y* (2018) Chloroplast nucleoids as a transformable network revealed by live imaging with a micro fluidic device. Commun Biol, 1: 1–7.
  3. Kobayashi Y, Misumi O, Odahara M, Ishibashi K, Hirono M, Hidaka K, Endo M, Sugiyama H, Iwasaki H, Kuroiwa T, Shikanai T, Nishimura Y* (2017) Holliday junction resolvases mediate chloroplast nucleoid segregation. Science, 356: 631–634.
  4. Nishimura Y*, Shikanai T, Nakamura S, Kawai-Yamada M, Uchimiya H (2012) Gsp1 triggers the sexual developmental program including inheritance of chloroplast DNA and mitochondrial DNA in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Cell, 24: 2401–2414.
  5. Nishimura Y*, Misumi O, Matsunaga S, Higashiyama T, Yokota A, Kuroiwa T (1999) The active digestion of uniparental chloroplast DNA in a single zygote of Chlamydomonas reinhardtii is revealed by using the optical tweezer. Proc Natl Acad Sci USA, 96: 12577–12582.

公募班

B01-4：葉緑体核様体構造の性差の発見に基づく葉緑体母性遺伝機構の解析

小林 優介

研究代表者
茨城大学・基礎自然科学野　准教授
Researchmap　https://researchmap.jp/yusuke2828

詳細を見る

単細胞性緑藻クラミドモナスは一対の性を有する。環境が良好な場合、クラミドモナスは無性生殖で増殖するが、強光と窒素飢餓に曝されると、両性で同じ大きさの配偶子（同型配偶子）に分化し、有性生殖を開始する。同型配偶子の生殖の場合、接合子には両親から等量の葉緑体DNAが持ち込まれるが、興味深いことに、次世代には葉緑体DNAが片親（母性）遺伝する。クラミドモナスにおける葉緑体DNAの母性遺伝は、接合子形成直後に父性の葉緑体DNAが選択的に分解されることが原動力であると考えられているが、その選択的分解機構は不明である。これまでに私たちは、接合子において父性または母性由来の葉緑体DNAに相互作用するタンパク質組成が異なることを発見した。本研究では、この葉緑体核様体構造の性差に着目し、父性葉緑体DNAの選択的分解を担う因子の同定と、母性葉緑体DNAの保護機構の解明を目指す。

研究業績　*責任著者

  1. Kobayashi Y*, Odahara M, Sekine Y, Hamaji T, Fujiwara S, Nishimura Y, Miyagishima SY (2020) Holliday Junction Resolvase MOC1 Maintains Plastid and Mitochondrial Genome Integrity in Algae and Bryophytes. Plant Physiology, 184: 1870–1883
  2. Kobayashi Y, Misumi O, Odahara M, Ishibashi K, Hirono M, Hidaka K, Endo M, Sugiyama H, Iwasaki H, Kuroiwa T, Shikanai T, Nishimura Y* (2017) Holliday junction resolvases mediate chloroplast nucleoid segregation. Science, 356: 631–634.
  3. Kobayashi Y, Takusagawa M, Harada N, Fukao Y, Yamaoka S, Kohchi T, Hori K, Ohta H, Shikanai T, Nishimura Y* (2016) Eukaryotic Components Remodeled Chloroplast Nucleoid Organization during the Green Plant Evolution. Genome Biology and Evolution, 8: 1-16.

B01-5：microRNAが葉緑体母性遺伝の厳密性を維持するメカニズムの解明

山崎 朋人

研究代表者
高知大学理工学部　准教授
研究室HP　http://science.cc.kochi-u.ac.jp/?course=4091
Researchmap　https://researchmap.jp/ytomohito
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-9157-0209

詳細を見る

植物に広く見られる葉緑体ゲノムDNA（Chloroplast DNA、以後cpDNA）の片親遺伝は、葉緑体が自身のゲノムを子孫に伝える重要なプロセスである。緑藻クラミドモナスでもcpDNAが母性遺伝することが知られ、片親遺伝のモデルとして古くから研究されている。しかし、その分子機構の全容は未だ明らかではない。私たちは、クラミドモナスにおけるcpDNA母性遺伝の厳密性がmicroRNA （miRNA）の機能しない変異体において損なわれ、父性cpDNAも遺伝する両性遺伝が約30%の子孫で起こることを発見した。これは、miRNAがcpDNA母性遺伝の厳密性を維持する役割を持つことを示唆するが、クラミドモナスに限らず同様の報告はなく、その分子機構も不明である。本研究では、主としてHITS-CLIP解析からmiRNAが母性遺伝を成立させる分子機構の解明に着手する。本研究によってmiRNAによる制御という新しい視点から母性遺伝の理解が深まり、本領域の進展に繋がることが期待される。

研究業績　*責任著者

  1. Murakami S, Takahashi H, Shimizu H, Yamasaki T* (2025) Global Identification of AGO3–RNA Interactions Reveals Targets of Small RNA–mediated Gene Regulation in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Cell Physiol. accepted
  2. Yamasaki T*, Tokutsu R, Sawa H, Razali NN, Hayashi M, Minagawa J (2023) Small RNA-mediated silencing of phototropin suppresses the induction of photoprotection in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci U S A. 120, e2302185120.
  3. Yamasaki T*, Onishi M, Kim EJ, Cerutti H, Ohama T (2016) RNA-binding protein DUS16 plays an essential role in primary miRNA processing in the unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci U S A. 113, pp.10720-10725.

B01-6：感染微生物による宿主ミトコンドリアのマニピュレーション

小柴 琢己

研究代表者
福岡大学・理学部　教授
研究室HP　https://www.sci.fukuoka-u.ac.jp/lab/chem/koshiba/
Researchmap　https://researchmap.jp/read0124036/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-8535-5043

詳細を見る

　好気性細菌を起源とするミトコンドリアは、真核生物へのエネルギー提供以外にも感染微生物に対する生体防御（自然免疫）の最前線で機能する。この免疫系では、侵入者を宿主外へ排除するために様々なシグナル伝達反応がミトコンドリアの外膜上で行われる。本研究では、『細胞内における宿主－微生物間の生命拮抗プロセス』について取り上げる。特に、微生物の宿主侵入に伴い、新たに移入された第二の細胞質ゲノムが宿主内でどのように維持・複製（宿主免疫系からの忌避）され、また機能発現（突破）へと繋がるのか、その仕組みに関わる分子機序を侵略側の視点を通して感染現象の本質的な理解を目指す。我々はこれまで、当該分野で未解明だった免疫系におけるミトコンドリアの新たな役割を世界に先駆けて明らかにしてきた。本研究では、細胞内で共生関係を育む宿主－微生物の全貌に、外来ゲノムより翻訳されるタンパク質群から宿主側ミトコンドリアへのアプローチを軸に、本領域が目指す「細胞質ゲノムが担う生命現象の解明」に迫りたい。

研究業績　*責任著者

  1. Ban, T., Kuroda, K., Nishigori, M., Yamashita, K., Ohta, K., and *Koshiba, T. (2025) Prohibitin 1 tethers lipid membranes and regulates OPA1-mediated membrane fusion. J. Biol. Chem., 301, 108076.
  2. Nakai, A., Fukushima, Y., Yamamoto, A., Amatsu, Y., Chen, X., Nishigori, M., Yoshioka, Y., Kaneko, M., *Koshiba, T., and *Watanabe, T. (2024) Increased ROS levels in mitochondrial outer membrane protein Mul1-deficient oocytes result in abnormal preimplantation embryogenesis. FEBS Lett., 598, 1740-1752.
  3. Yasukawa, K., Kinoshita, D., Yaku, K., Nakagawa, T., and *Koshiba, T. (2020) The microRNAs miR-302b and miR-372 regulate mitochondrial metabolism via the SLC25A12 transporter, which controls MAVS-mediated antiviral innate immunity. J. Biol. Chem., 295, 444-457.

B01-7：ミトコンドリアDNAのミセル様核様体形成による転写制御機構の物理

山本 哲也

研究代表者
北海道大学・化学反応創成研究拠点　特任准教授
研究室HP　https://www.icredd.hokudai.ac.jp/ja/yamamoto-tetsuya
Researchmap　https://researchmap.jp/tetsuwis
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-6786-8299

詳細を見る

　ミトコンドリアDNA（mtDNA）の転写量は、転写因子であるTFAMの濃度に対して非単調な依存性を示す。TFAMが配列非依存的にmtDNAと結合して核様体を形成するがこの非単調性の原因であると考えられる。核様体はTFAMの液液相分離によって形成されると考えられてきたが、最近の実験が明らかにした核様体の特徴は、ミセルと類似している。申請者は、凝集性を持つタンパク質と核酸の複合体によるミセル様構造体の形成機構とDNAの収縮による転写制御機構に関する理論を構築してきた。本研究の目的は、申請者が構築してきたこれらの理論モデルを核様体に拡張し、mtDNAの転写制御機構を理論的に明らかにすることである。本研究では、①核様体をミセル様構造体として考える点と②ミセル様構造体の特徴が転写制御に与える寄与を解析する点で独創的であり、領域目標である細胞質ゲノムの生理機能の解明に必要なmtDNAの遺伝子制御機構をソフトマター理論物理学のアプローチで究明する。

研究業績　*責任著者

  1. Yamamoto T*, Yamazaki T, and Hirose T (2022) Triblock copolymer model of spherical paraspeckles. Front. Mol. Biosci., 9: 925058.
  2. Yamamoto T*, Yamazaki T*, Ninomiya K, and Hirose T (2023) Nascent ribosomal RNA act as surfactant that suppresses growth of fibrillar ceters in nucleolus. Comms. Biol., 6: 1129.
  3. Yamamoto T*, Asanuma T*, and Murakami Y (2023) Polymeric nature of tandemly repeated genes enhances assembly of constitutive chromatin in fission yeast. Comms. Biol., 6: 796.

B01-8：改良型ChIP法により葉緑体内部でのあらゆる転写制御を解き明かす

藤井 祥

研究代表者
弘前大学・農学生命科学部　助教
研究室HP　https://sites.google.com/view/shofujii-hirosaki-u/
Researchmap　https://researchmap.jp/shofujii
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-6260-5596

詳細を見る

　本研究では，葉緑体の2種類のRNAポリメラーゼの機能制御メカニズムの解明を⽬指す。葉緑体は，細菌型とファージ型という起源の異なる2種類の転写装置をもつ。この⼆重の転写システムは，陸上植物が進化の過程で獲得した葉緑体の機能制御「色素体分化」に重要な仕組みである。葉緑体RNAポリメラーゼの遺伝⼦はすべて同定されているが，葉緑体の機能分化時に転写活性が調節される機構については未解明の点が多く残されている。従来，葉緑体の転写活性の評価には，⼤量の植物材料から取り出したRNAポリメラーゼの⽣化学的な分析が必要であり，ここに技術的な限界があった。申請者はこの数年間，⽣体内の葉緑体RNAポリメラーゼの状態を直接，高感度に検出できるptChIP法を開発してきた。また，葉緑体の膜の状態が葉緑体分化時のRNAポリメラーゼの機能制御に⼤きな影響を与えることを突き止めている。葉緑体の転写に対する理解が進展し，RNAポリメラーゼの機能への介⼊と直接的なモニタリングが可能になった今，謎の多い葉緑体の転写制御メカニズムの解明に挑戦する。

研究業績　*責任著者

  1. Palomar VM, Cho Y, Fujii S, Rothi MH, Jaksich S, Min J-H, Schlachter AN, Wang J, Liu Z, Wierzbicki AT* (2024) Membrane association of active genes organizes the chloroplast nucleoid structure. Proc Natl Acad Sci USA, 121: e2309244121.
  2. Fujii S*, Wada H, Kobayashi K (2024) Orchestration of Photosynthesis-Associated Gene Expression and Galactolipid Biosynthesis during Chloroplast Differentiation in Plants. Plant Cell Physiol, 65: 1014–1028.
  3. Fujii S, Kobayashi K*, Lin YC, Liu Y, Nakamura Y, Wada H (2022) Impacts of phosphatidylglycerol on plastid gene expression and light induction of nuclear photosynthetic genes. J Exp Bot, 73: 2952–2970.

B02　利用展開

計画班

B02-1：ミトコンドリア介入による生体機能亢進技術の構築

石原 直忠

研究代表者
大阪大学大学院理学研究科　教授
研究室HP　https://mitochondria.jp/
Researchmap　https://researchmap.jp/10325516/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-6305-7149

研究分担者

小笠原絵美 (大阪大・理学・助教・分子細胞生物学・ミトコンドリア病態解析)

小笠原 絵美

詳細を見る

哺乳類培養細胞の細長く枝分かれしたミトコンドリアは生細胞内で活発に動き、その形態は融合と分裂のバランスにより制御されている。しかしミトコンドリア内部のDNA (mtDNA) はどのように分配され機能発現するか、その膜とゲノムの協調的な制御の詳細は不明である。そこで本研究では多重膜ミトコンドリアのダイナミクスの視点に立脚し、ミトコンドリアゲノムの機能発現制御 (呼吸鎖複合体形成やmtDNAの安定化・細胞質遺伝等) の分子基盤理解を目指す。これまでの研究で、核様体の分散化により呼吸鎖形成が活性化すること、またその制御にミトコンドリア分裂因子やmtDNA結合・パッケージング因子群が関与することを見出している。関連因子の同定及び分子機構の詳細理解から分子詳細理解を目指す。ミトコンドリア機能低下はミトコンドリア病のみならず、老化や糖尿病・代謝疾患・神経変性疾患等の一因となる。本研究成果をもとにして、細胞・個体内のミトコンドリア活性化技術を構築する。 本領域で得られた分子知見を基に、関連疾患の臨床研究グループとの連携を模索する。また、本研究により得られる分子理解は、種を超えた細胞質ゲノム制御技術の革新に向けた基盤知識を与える。また、領域内の哺乳類の呼吸計測等のミトコンドリア機能解析を広く支援することでも本領域の発展に貢献する。

研究業績　*責任著者

  1. Ishihara T, Ban-Ishihara R, Ota A, Ishihara N* (2022) Mitochondrial nucleoid trafficking regulated by the inner-membrane AAA-ATPase ATAD3A modulates respiratory complex formation. Proc Natl Acad Sci USA, 119: e2210730119.
  2. Hanada Y, Ishihara N*, Wang L, Otera H, Ishihara T, Koshiba T, Mihara K, Ogawa Y, Nomura M (2020) MAVS is energized by Mff which senses mitochondrial metabolism via AMPK for acute antiviral immunity. Nat Commun, 11: 5711.
  3. Ban T, Ishihara T, Kohno H, Saita S, Ichimura A, Maenaka K, Oka T, Mihara K, Ishihara N* (2017) Molecular basis of selective mitochondrial fusion by heterotypic action between OPA1 and cardiolipin. Nat Cell Biol, 19: 856–863.
  4. Ban-Ishihara R, Ishihara T, Sasaki N, Mihara K, Ishihara N* (2013) Dynamics of nucleoid structure regulated by mitochondrial fission contributes to cristae reformation and release of cytochrome c. Proc Natl Acad Sci USA, 110: 11863–11868.
  5. Ishihara N, Nomura M, Jofuku A, Kato H, Suzuki SO, Masuda K, Otera H, Nakanishi Y, Nonaka I, Goto Y, Taguchi N, Morinaga H, Maeda M, Takayanagi R, Yokota S, Mihara K* (2009) Mitochondrial fission factor Drp1 is essential for embryonic development and synapse formation in mice. Nat Cell Biol, 11: 958–966.

B02-2：細胞質ゲノム編集技術による高い光合成能を有する植物の創出とその機能解明

矢守 航

研究代表者
東京大学大学院農学生命科学研究科　准教授
研究室HP　https://park.itc.u-tokyo.ac.jp/yamori-lab/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/wataru.yamori/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-7215-4736

研究分担者

深山浩 (神戸大・農学・教授・植物分子生物学・Rubisco機能解析)、
松村浩由(立命館大・生命科学・教授・構造生物化学・結晶構造解析)

深山 浩
松村 浩由

詳細を見る

国内外において、作物の光合成改良に向けた取り組みが進行しているが、これらの研究は全て核ゲノムをターゲットとした単独あるいは複数の外来遺伝子導入による植物改変が主であり、抜本的な光合成改善には至っていない。光合成速度の主要な律速因子は、触媒速度が非常に遅いリブロース-1、5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ(Rubisco) であることは周知の事実であるが、その触媒部位rbcLが葉緑体ゲノムにコードされていることから、これまでRubiscoの触媒特性の改良は困難であった。そこで、本計画班では有村班が提供する“葉緑体ゲノム編集技術”を活用し、Rubisco改変に基づく光合成能力の強化とそれらの機能解明を目指す。矢守は、葉緑体ゲノム全体、もしくはRubisco触媒部位rbcL遺伝子を標的としたランダム変異集団の中から、高い光合成能力を有するシロイヌナズナ変異体を選抜し、それらの機能解明を目指す。また、Rubisco触媒反応に影響すると予想される部位の標的一塩基置換技術によって、Rubiscoの触媒反応メカニズムの解明と高い触媒反応を有するRubiscoのデザイン化を目指す。深山は、イネを研究材料として葉緑体ゲノム編集によりrbcLをノックアウトし、 葉緑体トランジットペプチドを付加した外来のrbcLを導入する実験系を確立する。また、その実験系を用いて触媒速度の高いC4植物のRubiscoのrbcLや遺伝的アルゴリズムGAOptimizerを用いて設計したC4最適化イネrbcLを導入する。これら形質転換体の解析から、Rubisco触媒特性の改良に有効なrbcL遺伝子の変異を探索し、Rubisco酵素特性の改良を目指す。松村は、結晶構造解析とクライオ電子顕微鏡解析を実施し、本計画班が作出する高効率・高機能型Rubiscoの触媒メカニズムの全容解明を目指す。矢守はクロロフィル蛍光やガス交換測定等を用いた光合成/呼吸系の機能解析に関して、また、 松村は“人工結合タンパク質”を用いたオルガネラタンパク質の構造機能解析に関して、領域全体の研究支援を行う。

研究業績　*責任著者

  1. Qu Y, Sakoda K, Fukayama H, Kondo E, Suzuki Y, Makino A, Terashima I, Yamori W* (2021) Overexpression of both Rubisco and Rubisco activase rescues rice photosynthesis and biomass under heat stress. Plant Cell Environ, 44: 2308–2320.
  2. Yamori W*, Kusumi K, Iba K, Terashima I (2020) Increased stomatal conductance induces rapid changes to photosynthetic rate in response to naturally fluctuating light conditions in rice. Plant Cell Environ, 43: 1230– 1240.
  3. Ushijima T, Hanada K, Gotoh E, Yamori W, Kodama Y, Tanaka H, Kusano M, Fukushima A, Tokizawa M, Yamamoto Y, Tada Y, Suzuki Y, Matsushita T* (2017) Light controls protein localization through phytochrome-mediated alternative promoter selection. Cell, 171: 1316–1325.
  4. Yamori W*, Shikanai T (2016) Physiological functions of cyclic electron transport around photosystem I in sustaining photosynthesis and plant growth. Annu Rev Plant Biol, 67: 81–106.
  5. Yamori W*, Hikosaka K, Way DA (2014) Temperature response of photosynthesis in C3, C4 and CAM plants: Temperature acclimation and temperature adaptation. Photosyn Res, 119: 101–117.

B02-3：細胞質共生細菌ボルバキアのゲノム編集による性制御と共生機構の解明

木内 隆史

研究代表者
東京大学大学院農学生命科学研究科　准教授
研究室HP　https://sites.google.com/view/igblab-ut-aba/top
Researchmap　https://researchmap.jp/takashikiuchi/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-3616-1650

研究分担者

庄司佳祐 (農工大・BASE・准教授・生命情報科学・分子生物学・研究推進と情報解析)

庄司 佳祐

詳細を見る

節足動物の約半分に感染しているとされる共生細菌ボルバキアは細胞内においてオルガネラのように振る舞い、母性遺伝により次世代に伝わる。ボルバキアは自身の感染を宿主集団内に広げるために、オスを特異的に致死させる (オス殺し) など、宿主の性や生殖を操作することがある。また、ボルバキアに感染した蚊はデングウイルスやマラリアの媒介性が低下することが知られている。これら特異な生命現象を応用し、ボルバキアを用いた昆虫制御技術が考案され、一部はすでに実施されている。しかし、 オルガネラ化したボルバキアの細胞外培養や移植は困難で、遺伝子操作技術もなく、共生機構 (母性遺伝や病原体媒介性の低下など) や性制御機構など、ボルバキア特異的な生命現象の実行因子や作用機序は一部を除いて未解明である。そこで本研究課題では、世界初となるボルバキア (Wol) TALENの開発を通じて、これまで未解明であったボルバキア遺伝子の機能を明らかにする。将来的には、ボルバキアを利用した昆虫制御技術の開発を目指す。そのために、以下の3つの課題に取り組む。①領域内の技術協力のもとボルバキア内にTALENを輸送するシステムを構築し、WolTALENの開発を目指す。私たちが同定したオス殺し実行因子Oscar (Nat Commun 2022) を標的とし、オス化と遺伝子量補償を担うタンパク質Masc (Nature 2014) の機能復帰を指標とすることでゲノム編集の効果を迅速に評価することができる。②オルガネラ化しつつあるボルバキアの性制御や共生機構を解明し、それを利用した応用展開を目指すとともに、オルガネラであるミトコンドリアや葉緑体と比較することでその共通性や多様性について領域内における議論を活性化し、共生オルガネラ学の発展に貢献する。領域において細胞内共生細菌研究への橋渡し的役割を担い、領域内 (公募班) にWolTALENを提供することで、研究の多様性や波及効果を生み出す。

研究業績　*責任著者

  1. Kiuchi T*, Katsuma S (2022) Functional characterization of silkworm PIWI proteins by embryonic RNAi. Methods Mol Biol, 2360: 19–31.
  2. Katsuma S*, Hirota K, Matsuda-Imai N, Fukui T, Muro T, Nishino K, Kosako H, Shoji K, Takanashi H, Fujii T, Arimura S, Kiuchi T (2022) A Wolbachia factor for male killing in lepidopteran insects. Nat Commun, 13: 6764.
  3. Cortes-Silva N, Ulmer J, Kiuchi T, Hsieh E, Cornilleau G, Ladid I, Dingli F, Loew D, Katsuma S, Drinnenberg IA* (2020) CenH3-independent kinetochore assembly in Lepidoptera requires CCAN, including CENPT. Curr Biol, 30: 561–572.e10.
  4. Fukui T†, Kawamoto M†, Shoji K†, Kiuchi T†, Sugano S, Shimada T, Suzuki Y, Katsuma S* (2015) The endosymbiotic bacterium Wolbachia selectively kills male hosts by targeting the masculinizing gene. PLoS Pathogens, 11: e1005048. (†contributed equally to this work)
  5. Kiuchi T, Koga H, Kawamoto M, Shoji K, Sakai H, Arai Y, Ishihara G, Kawaoka S, Sugano S, Shimada T, Suzuki Y, Suzuki MG, Katsuma S* (2014) A single female-specific piRNA is the primary determiner of sex in the silkworm. Nature, 509: 633–636.

B02-4：ミトコンドリアに潜在する「オス殺し」システムの解明と育種への応用

風間 智彦

研究代表者
九州大学農学研究院　准教授
研究室HP　https://www.agr.kyushu-u.ac.jp/lab/plantmb/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/read0143904/?lang=japanese
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-3808-3991

研究分担者

鳥山欽哉 (東北大・農学・教授・植物分子育種学・遺伝解析とデータ解析)

鳥山 欽哉

詳細を見る

細胞質ゲノムがつかさどる生命現象の解明と重要形質の改良を目指して、植物の細胞質ゲノム、特に近年見出した、ミトコンドリアゲノムに潜在する花粉発達阻害を引き起こす新規「オス殺し」システムの解明とこれを応用した新規F1採種システムの確立に挑戦する。ミトコンドリアゲノムへの精密変異導入 (mitoTALECD) や遺伝子破壊 (mitoTALEN) を用いて、①未だに機能の分かっていないミトコンドリア遺伝子の機能を明らかにする (有村班と協働)。また、②これらの遺伝子の発現制御に関与する可能性のある核遺伝子を明らかにし、その制御機構を明らかにする (竹中班と協働)。さらに、①と②より明らかになるミトコンドリア・核遺伝子の組み合わせを人為的に制御することで、③ゲノム編集で「オス殺し」植物を新規に作出する。これらの過程で、「オス殺し」遺伝子として機能するために必須な配列条件が明らかになれば、人為的に「オス殺し」遺伝子が合成できる。合成した人工「オス殺し」遺伝子をオルガネラ遺伝子導入技術によって導入 (沼田班と協働) することで遺伝資源に頼らない「オス殺し」植物の作出が可能となる。また、明らかにした成果を他の植物へと応用することで、「オス殺し」が得られていない植物での「オス殺し」植物の作出が可能になり、これは効率的なF1種子生産など商業的な価値が高い形質である。このように、日本発の技術を利用してオルガネラ育種までの応用が可能であることを示す。さらに、 ボルバキアによるオス殺し機構 (木内班と協働) と比較することで植物における「オス殺し」の生物学的な意義を明らかにする。

研究業績　*責任著者

  1. Takatsuki A, Kazama T, Arimura SI, Toriyama K* (2022) TALEN-mediated depletion of the mitochondrial gene orf312 proves that it is a Tadukan-type cytoplasmic male sterility-causative gene in rice. Plant J, 110: 994–1004.
  2. Omukai S, Arimura SI, Toriyama K, Kazama T* (2021) Disruption of mitochondrial open reading frame 352 partially restores pollen development in cytoplasmic male sterile rice. Plant Physiol, 187: 236–246.
  3. Kazama T*, Okuno M, Watari Y, Yanase S, Koizuka C, Tsuruta Y, Sugaya H, Toyoda A, Itoh T, Tsutsumi N, Toriyama K, Koizuka N*, Arimura SI* (2019) Curing cytoplasmic male sterility via TALEN-mediated mitochondrial genome editing. Nat Plants, 5: 722–730.
  4. Kazama T*, Itabashi E, Fujii S, Nakamura T, Toriyama K (2016) Mitochondrial ORF79 levels determine pollen abortion in cytoplasmic male sterile rice. Plant J, 85, 707–716.
  5. Kazama T, Toriyama K* (2003) A pentatricopeptide repeat-containing gene that promotes the processing of aberrant atp6 RNA of cytoplasmic male-sterile rice. FEBS Lett, 544: 99–102.

公募班

B02-5：気孔細胞における葉緑体ゲノム遺伝子制御の生理学的意義の解明

祢冝 淳太郎

研究代表者
九州大学・理学研究院　教授
研究室HP　http://www.biology.kyushu-u.ac.jp/~plant/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/juntaro-negi
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-7457-1269

詳細を見る

植物独自のオルガネラである葉緑体は、組織ごとに形態や機能を変化させ、植物の生理成長を支えている。葉肉細胞の葉緑体は光合成機能に特化しているのに対して、表皮組織の葉緑体は光合成機能を抑えて、環境情報処理装置としての機能を強化させていることを見出しつつある（Negi et al. PNAS 2018: Obata et al. 未発表）。その違いを生み出す分子メカニズムはまだ分かっていないが、我々は最近、気孔葉緑体と葉肉葉緑体を用いた定量（DIA）プロテオミクス比較解析から、２つの葉緑体の間で葉緑体ゲノムコード遺伝子のタンパク発現量が異なることを発見した。そこで、本研究では気孔（孔辺）細胞特異的に葉緑体ゲノムに変異導入することで、気孔細胞が保持する葉緑体ゲノム遺伝子が気孔開閉制御において果たす役割を明らかにし、植物組織ごとに葉緑体ゲノム遺伝子の発現量をカスタマイズする生理学的な意義に迫る。

研究業績　*責任著者

  1. Negi J*, Munemasa S, Song B, Tadakuma R, Fujita M, Azoulay-Shemer T, Engineer CB, Kusumi K, Nishida I, Schroeder JI, Iba K* (2018) Eukaryotic lipid metabolic pathway is essential for functional chloroplasts and CO2 and light responses in Arabidopsis guard cells. Proc Natl Acad Sci USA 115: 9038-9043. 
  2. Negi J, Moriwaki K, Konishi M, Yokoyama R, Nakano T, Kusumi K, Hashimoto-Sugimoto M, Schroeder JI, Nishitani K, Yanagisawa S, Iba K* (2013) A Dof transcription factor, SCAP1, is essential for the development of functional stomata in Arabidopsis. Curr Biol 23: 479-484.
  3. Negi J, Matsuda O, Nagasawa T, Oba Y, Takahashi H, Kawai-Yamada M, Uchimiya H, Hashimoto M, Iba, K* (2008) CO2 regulator SLAC1 and its homologues are essential for anion homeostasis in plant cells. Nature 452: 483-486.

B02-6：共生細菌ボルバキアのゲノム操作による遺伝子機能解析と新規系統の作出

大手 学

研究代表者
東京慈恵会医科大学・医学部　講師
研究室HP　http://jikei-tropmed.jp/
Researchmap　https://researchmap.jp/wolbachia
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-1480-0319

詳細を見る

昆虫の細胞内共生細菌であるボルバキアは、宿主に対してメス化やオス殺し、細胞質不和合性などの性比・生殖撹乱、およびRNAウイルス耐性を誘導することが知られている。これらの現象は、ボルバキアのゲノムにコードされた遺伝子群によって引き起こされる。しかし、ボルバキアに対する遺伝子操作技術は未だ確立されておらず、その宿主操作機構の解明は十分とは言い難い。
本研究では、他の細胞内寄生・共生細菌にも応用可能な、宿主細胞内でボルバキア遺伝子を破壊する技術を開発する。この技術を用いて、申請者が同定したボルバキア遺伝子を破壊することで、ボルバキアによる宿主の妊性増強やRNAウイルス抵抗性付与のメカニズムを解明する。また、リケッチアなどで確立された手法を応用し、ボルバキアへ外来遺伝子を導入する技術を開発することで、感染症を媒介しない蚊の系統樹立を目的とした新規のボルバキア系統を作出する。
これら一連のゲノム操作技術の開発と応用により、細胞内共生細菌における共生系の進化や多様性に関する新たな知見が得られるとともに、革新的な昆虫制御技術の基盤が構築されることが期待される。

研究業績　*責任著者

  1. Ote M, Yamamoto D* (2020) Impact of Wolbachia infection on Drosophila female germline stem cells. Curr Opin Insect Sci, 37:8-15.
  2. Ote M, Yamamoto D* (2018) The Wolbachia protein TomO interacts with a host RNA to induce polarization defects in Drosophila oocytes. Arch Insect Biochem Physiol, 99:e21475.
  3. Ote M, Ueyama M, Yamamoto D* (2016) Wolbachia Protein TomO Targets nanos mRNA and Restores Germ Stem Cells in Drosophila Sex-lethal Mutants. Curr Biol, 26:2223-2232.

B02-7：iPS細胞を用いた変異mtDNAに起因するミトコンドリア病の病態解析

八幡 直樹

研究代表者
藤田医科大学・医学部　講師
研究室HP　https://www.fujita-hu.ac.jp/graduate/medical/laboratories/developmental_neurobiology.html
Researchmap　https://researchmap.jp/ko60_KE01sh1
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-4125-4536

詳細を見る

ミトコンドリアDNA(mtDNA)の変異が原因で発症するミトコンドリア病の病態解明および治療法の開発を目指し、患者由来iPS細胞を用いた病態モデルの作出を行う。これまで、変異mtDNAの割合と病態の因果関係を明らかにするために、iPS細胞においてmtDNA変異率を改変できるゲノム編集ツール(mpTALEN)の開発を行ってきた。これらを駆使し、様々な変異率を有するiPS細胞を作製し、病態が現れる細胞へ分化誘導を行い、比較解析を行う。特にこれまで解析が難しかったヒトのニューロンへの分化誘導を行い、ニューロンの成熟過程におけるmtDNAの動態を解析し、ニューロンの形態変化とmtDNAの動態との因果関係の解明を目指す。変異mtDNAがニューロンの成熟―破綻にどのように関与するかを明らかにすることは、神経病態発症メカニズムの理解および、治療法の開発に貢献すると考える。

研究業績　*責任著者

  1. Yahata N*, Goto Y, Hata R* (2025) Optimization of mtDNA-targeted platinum TALENs for bi-directionally modifying heteroplasmy levels in patient-derived m.3243A>G-iPSCs. Mol Ther Nucleic Acids, 36: 102521.
  2. Yahata N*, Boda H, Hata R* (2021) Elimination of Mutant mtDNA by an Optimized mpTALEN Restores Differentiation Capacities of Heteroplasmic MELAS-iPSCs. Mol Ther Methods Clin Dev, 20: 54–68.
  3. Yahata N, Matsumoto Y, Omi M, Yamamoto N, Hata R* (2017) TALEN-mediated shift of mitochondrial DNA heteroplasmy in MELAS-iPSCs with m.13513G>A mutation. Sci Rep, 7: 15557.

B02-8：ミトコンドリアゲノム編集技術が拓く疾患治療の新展開

谷 春菜

研究代表者
東北大学・加齢医学研究所　助教
研究室HP　https://www.modomics-medicine.com/
Researchmap　https://researchmap.jp/70930303
ORCID　https://orcid.org/0009-0006-1277-8145

詳細を見る

ミトコンドリアDNA (mtDNA) に生じる病原性変異は、ミトコンドリア内でのエネルギー産生不全を介して、脳卒中様発作、筋力低下、心不全など多様な症状を呈するミトコンドリア病の原因となる。本研究では、こうしたmtDNA変異に起因する疾患に対し、mtDNA塩基編集技術を応用した根本的な治療法の開発に挑戦する。まず、①患者由来のミトコンドリア病モデル細胞を用いて、病的変異の修正とミトコンドリア機能の改善を検証し、治療法としての基盤を確立する。次に、②ミトコンドリア病モデルマウスに対してmtDNA編集ツールを生体内に導入することで、in vivoでの治療効果と安全性を評価する。さらに、③mtDNA編集の過程で生じた塩基置換を活用し、病態の重症度や臨床的多様性を左右する新規機能性バリアントの同定を試みる。以上のアプローチを通じて、これまで根治が不可能であったミトコンドリア病に対するmtDNA編集技術の臨床応用に向けた技術的基盤を構築し、将来的には個別化医療の高度化に貢献する新たな治療戦略の提案を目指す。

研究業績　*責任著者

  1. Tani H, Ishikawa K, Tamashiro H, Ogasawara E, Yasukawa T, Matsuda S, Shimizu A, Kang D, Hayashi J-I, Wei F-Y, Kazuto Nakada* (2022) Accumulation of mitochondrial DNA with a point mutation in tRNALeu (UUR) gene induces brain dysfunction in mice. Nucleic Acids Res. 50: 9382-9396.
  2. Tani H, Mito T, Velagapudi V, Ishikawa K, Umehara M, Nakada K, Suomalainen A, Hayashi J-I* (2019) Disruption of the mouse Shmt2 gene confers embryonic anaemia via foetal liver-specific metabolomic disorders. Scientific Reports 16054.
  3. Tani H, Ohnishi S, Shitara H, Mito T, Yamaguchi M, Yonekawa H, Hashizume O, Ishikawa K, Nakada K, Hayashi J-I* (2018) Mice deficient in the Shmt2 gene have mitochondrial respiration defects and are embryonic lethal. Scientific Reports 425.

B02-9：ミトコンドリア品質管理の活性化による変異型mtDNAの制御技術構築

赤羽 しおり

研究代表者
神奈川県立がんセンター・臨床研究所がん生物学部　主任研究員
研究室HP　https://kcch.kanagawa-pho.jp/kccri/organization/cancerbiology.html
Researchmap　https://researchmap.jp/7000020098
ORCID　https://orcid.org/0009-0009-9088-0606

詳細を見る

ミトコンドリアDNA（mtDNA）の変異の蓄積は、ミトコンドリア病や神経変性疾患の発症原因となり、がん悪性化にも密接に関係するが、細胞内で変異型mtDNAが高い割合で蓄積するメカニズムや疾患発症との関係について詳細は明らかではない。本研究では以下の2つの課題に取り組み、変異型mtDNA蓄積に関連する問題解決を図り、本領域の進展に貢献することを目指す。①領域内外との共同研究を通じて、ミトコンドリア品質管理活性の向上により変異型mtDNAを有するミトコンドリアの積極的な排除を実現し、変異型mtDNAの蓄積を抑制する。特に、独自に見出してきたミトコンドリア品質管理の制御経路（ミトコンドリア因子のリン酸化、内膜プロテアーゼによる制御、低酸素誘導性の制御）に着目し、ミトコンドリア品質管理の活性化を試みる。②変異型mtDNAの蓄積とミトコンドリア品質管理活性の相互関係の解明を通じて、変異型mtDNAが高い割合で蓄積する分子メカニズムの理解を推進する。本課題の遂行により、ミトコンドリア品質管理の活性化による人為的mtDNA制御を介した画期的な疾患治療のアプローチを提供する。

研究業績　*責任著者

  1. Akabane S, Watanabe K, KosakoH, YamashitaS, NishinoK, KatoM, SekineS, KankiT, MatsudaN, EndoT, Oka T*（2023) TIM23 facilitates PINK1 activation by safeguarding against OMA1-mediated degradation in damaged mitochondria. Cell Reports, 42(5):112454
  2. Nakamura S#, Matsui A#, Akabane S#, Tamura Y, Hatano A, Miyano Y, Omote H, Kajikawa M, Maenaka K, Moriyama Y, Endo T, Oka T*(# The authors contributed equally) (2020) The mitochondrial inner membrane protein LETM1 modulates cristae organization through its LETM domain. Communications Biology, 3(1):99
  3. Akabane S, Uno M, Tani N, Shimazaki S, Ebara N, Kato H, Kosako H, Oka T* (2016) PKA regulates PINK1 stability and Parkin recruitment to damaged mitochondria through phosphorylation of MIC60. Molecular Cell, 62(3):371-84

B02-10：クロロファジー・マイトファジーによる植物細胞質ゲノム制御機構の解明

泉 正範

研究代表者
国立研究開発法人理化学研究所・環境資源科学研究センター　上級研究員
研究室HP　https://molecular-bioregulation.riken.jp/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/7000010004
ORCID　https://orcid.org/0000-0001-5222-9163

詳細を見る

動物・酵母においては、ミトコンドリアゲノムの維持・遺伝にミトコンドリアのオートファジー（マイトファジー）が深く関わる。一方で、植物の細胞質ゲノム（葉緑体ゲノムとミトコンドリアゲノム）の維持・遺伝にオートファジーがどのように関わるか、その詳細は不明である。本研究では、陸上植物の葉緑体オートファジー（クロロファジー）とマイトファジーの経路を見出してきた代表者の研究をさらに進展させ、その詳細な仕組みの解明を進めると共に、当該領域が発展させている細胞質ゲノム編集・解析技術を活用する融合研究を推進することで、植物細胞質ゲノム維持におけるクロロファジー・マイトファジーの機能と生理的意義を明らかにする。特に、クロロファジー・マイトファジーを対象に、①植物細胞質ゲノム分解への寄与（葉緑体DNA・ミトコンドリアDNAを分解しているか、葉緑体DNA・ミトコンドリアDNAの⼆本鎖切断で誘導されるか）、②細胞質ゲノム分解機構としての生理的意義、の二点を明らかにすることを目指す。

研究業績　*責任著者

  1. Izumi M*, Nakamura S, Otomo K, Ishida H, Hidema J, Nemoto T, Hagihara S. (2024) Autophagosome development and chloroplast segmentation occur synchronously for piecemeal degradation of chloroplasts. eLife, 12: RP93232
  2. Nakamura S, Hagihara S, Otomo K, Ishida H, Hidema J, Nemoto T, Izumi M* (2021) Autophagy contributes to the quality control of leaf mitochondria. Plant Cell Physiol, 62: 229-247
  3. Kikuchi Y, Nakamura S, Woodson JD, Ishida H, Ling Q, Hidema J, Jarvis RP, Hagihara S, Izumi M* (2020) Chloroplast autophagy and ubiquitination combine to manage oxidative damage and starvation responses. Plant Physiol, 183: 1531–1544

B02-11：オルガネラゲノム編集が暴くマラリア原虫の薬剤耐性機構

平井 誠

研究代表者
順天堂大学・医学部　准教授
研究室HP　https://www.juntendo.ac.jp/graduate/laboratory/labo/kiseityu/index.html
Researchmap　https://researchmap.jp/malariamut
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-5001-9653

詳細を見る

マラリアは世界三大感染症の一つであり、特に薬剤耐性マラリアはマラリア制圧における重大な課題となっている。逆遺伝学によりマラリアの生物学的理解が深まり、それを応用した薬剤開発も進められている。一方、この手法をオルガネラに適用できないため、マラリア薬の重要な標的であるオルガネラの機能解析は進められてこなかった。本研究課題では、アピコプラストゲノム編集技術の開発を目指し、これまで未解明であった「アピコプラストゲノム変異と薬剤耐性」の関係を解明することを目的とする。具体的には、以下の3つのステップを実施する。① apicoTALENsの開発: 植物で確立されたmitoTALENsを参考に、同定済のアピコプラスト局在シグナルペプチドを利用してapicoTALENsを開発する（有村グループとの共同研究）。② アピコプラスト突然変異体ライブラリーの作成と薬剤耐性原虫の単離: アピコプラスト突然変異体マラリア原虫のライブラリーを作成し、その中からアピコプラストゲノム変異に起因する薬剤耐性原虫を単離する。耐性に関与する候補遺伝子変異を抽出する。③ 候補遺伝子変異と耐性との関係を検証: apicoTALENsによる編集が可能な候補遺伝子変異を薬剤感受性野生型原虫に導入し、薬剤耐性への関与を検証する。

研究業績　*責任著者

  1. Hirai M*, Arai M, Hayamichi S, Uchida A, Sudo M, Kubota R, Shinzawa N, Mita T (2025) Deletion of the chloroquine resistance transporter gene confers reduced piperaquine susceptibility to the rodent malaria parasite Plasmodium bergheim. Antimicrob Agents Chemother. e0158924.
  2. Ikeda M#, Hirai M#*, Tachibana SI, Mori T, Mita T. (2021) Isolation of mutants with reduced susceptibility to piperaquine from a mutator of the rodent malaria parasite Plasmodium berghei. Front Cell Infect Microbiol. 11:672691. #Equal contribution
  3. Honma H, Niikura M, Kobayashi F, Horii T, Mita T, Endo H, Hirai M* (2016) Mutation tendency of mutator Plasmodium berghei with proofreading-deficient DNA polymerase δ. Sci Rep. 6:3697

B02-12：動植物細胞内に寄生する難培養性細菌のゲノム制御系の確立

前島 健作

研究代表者
東京大学・大学院農学生命科学研究科（農学部）　准教授
研究室HP　https://webpark1802.sakura.ne.jp/planpath/
Researchmap　https://researchmap.jp/k-maejima
ORCID　https://orcid.org/0000-0003-1960-6232

詳細を見る

動植物の細胞内に絶対寄生する細菌は単独培養技術が未確立であるため研究が困難であり、とりわけ形質転換系を利用できない点が大きな障壁となっている。植物病原細菌ファイトプラズマはその代表例だが、近年、我々の研究によりゲノムワイドな転写制御系が明らかとなり、また増殖を抑制する抗生物質とその処理技術が確立されている。本研究では、これらの知見を活用することで効率的な遺伝子発現系や薬剤選抜系を開発するとともに、感染宿主からインタクトな（活性のある）状態でファイトプラズマを取り出し、「培養を経ずにDNAを導入するゲノム制御技術」の開発に挑戦する。DNAの導入・発現さらには遺伝子破壊・編集の手法を構築することで、これまでとりわけ困難であった絶対寄生細菌のさまざまな性状を解明し、さらには防除・予防へ向けた研究への重い扉を開くとともに、他の細胞内寄生・共生細菌への応用など、幅広い学問分野への波及効果をもたらしたい。

研究業績　*責任著者

  1. Akahori M, Miyazaki A, Koinuma H, Tokuda R, Iwabuchi N, Kitazawa Y, Maejima K*, Namba S, Yamaji Y (2024) Use of the 23S rRNA gene as a target template in the universal loop-mediated isothermal amplification (LAMP) of genomic DNA from phytoplasmas. Microbiol Spectr, 27: e0010624.
  2. Suzuki M, Kitazawa Y, Iwabuchi N, Maejima K*, Matsuyama J, Matsumoto O, Oshima K, Namba S, Yamaji Y (2024) Target degradation specificity of phytoplasma effector phyllogen is regulated by the recruitment of host proteasome shuttle protein. Mol Plant Pathol, 25: e13410.
  3. Kitazawa Y, Iwabuchi N, Maejima K*, Sasano M, Matsumoto O, Koinuma H, Tokuda R, Suzuki M, Oshima K, Namba S, Yamaji Y (2022) A phytoplasma effector acts as a ubiquitin-like mediator between floral MADS-box proteins and proteasome shuttle proteins. Plant Cell, 34: 1709–1723.

B02-13：マラリア原虫ミトコンドリアゲノム編集による呼吸鎖阻害剤耐性機構の解明

佐倉 孝哉

研究代表者
長崎大学・熱帯医学研究所　准教授
研究室HP　https://www.tm.nagasaki-u.ac.jp/molecdyna/
Researchmap　https://researchmap.jp/-2qE3_xt
ORCID　https://orcid.org/0000-0002-8320-8485

詳細を見る

マラリア原虫は蚊、ヒト肝細胞、ヒト赤血球と3つの発育ステージを持つが、cytochrome bc1 complexの阻害剤はこれら全てのステージに効果があるため、マラリア原虫の呼吸鎖は魅力的な創薬標的である。既存のマラリア治療薬であるアトバコンはcytochrome bc1 complexを阻害するが、流行地においてcytochrome bに点変異を持つ薬剤耐性マラリア原虫が出現している。しかしcytochrome bがミトコンドリアゲノムにコードされているため、ゲノム編集による逆遺伝学的手法による点変異導入ができず、呼吸鎖機能への影響や薬剤耐性機構の理解は未だに限定的である。本研究の目的は①マラリア原虫のミトコンドリアゲノム編集技術を確立し、②変異体のミトコンドリアの機能を定量的に評価することである。本研究によりグローバルヘルスの最重要課題の一つであるマラリア制御に多大な貢献ができると考えている。

研究業績　*責任著者

  1. Sakura T, Ishii R, Yoshida E, Kita K, Kato T, Inaoka DK* (2024). Accelerating Antimalarial Drug Discovery with a New High-Throughput Screen for Fast-Killing Compounds. ACS Infect Dis. 10(12):4115-4126.
  2. Komatsuya K, Sakura T (Co-first), Shiomi K, Ōmura S, Hikosaka K, Nozaki T, Kita K, Inaoka DK* (2022). Siccanin Is a Dual-Target Inhibitor of Plasmodium falciparum Mitochondrial Complex II and Complex III. Pharmaceuticals (Basel). 15(7):903.
  3. Sakura T, Sindikubwabo F, Oesterlin LK, Bousquet H, Slomianny C, Hakimi MA, Langsley G, Tomavo S* (2016). A Critical Role for Toxoplasma gondii Vacuolar Protein Sorting VPS9 in Secretory Organelle Biogenesis and Host Infection. Sci Rep. 6:38842.

若手の会運営委員

阿部 直哉 （京都大学大学院工学研究科・A01 沼田班）
小笠原 絵美（大阪大学大学院理学研究科・B02 石原班）
勝濵 直椰（東京大学大学院農学生命科学研究科・B02 矢守班）
金澤 晴樹（京都大学大学院理学研究科・B01 西村班）
中里 一星（東京大学大学院農学生命科学研究科・A01 有村班）
法月 拓也（群馬大学生体調節研究所・B01 佐藤班）
黄 恂怡（東京大学大学院農学生命科学研究科・A01 有村班）
小坂 七海（東京大学大学院農学生命科学研究科・A01 有村班）
佐々木 妙子（群馬大学生体調節研究所・B01佐藤班）
髙塚 歩（九州大学大学院農学研究院・B02 風間班）
中嶋 梨花（東京大学大学院農学生命科学研究科・A01 有村班）
間宮 章仁（京都大学大学院理学研究科・B01竹中班）
橋本 将（東京大学大学院農学生命科学研究科・A01 有村班）
宮川 文宏（岡山大学学術研究院 環境生命自然科学学域）

阿部 直哉
小笠原 絵美
勝濵 直椰
金澤 晴樹
中里 一星
法月 拓也
黄 恂怡
小坂 七海
張喆 (Ellen)
佐々木 妙子
髙塚 歩
中嶋 梨花
間宮 章仁
橋本 将
宮川 文宏

研究支援

  • 有村 慎一／ゲノム編集⽀援
  • 沼田 圭司／遺伝子導入⽀援
  • 山田 勇麿／遺伝子導入⽀援
  • 細川 正人／シングルオルガネラ解析⽀援
  • 石原 直忠／呼吸生理活性測定⽀援
  • 矢守 航／光合成・呼吸活性測定⽀援
  • 庄司 佳祐／バイオインフォ解析⽀援
  • 松村 浩由／タンパク質構造解析⽀援

アドバイザーカウンシル（評価・助言委員）

  • Ralph Bock／Max Plank Institute・Director (植物分子生物学)
  • Pal Maliga／Waksman Institute・卓越教授 (植物分子遺伝学)
  • 坂本 亘／岡山大学・教授 (植物細胞/遺伝育種学)
  • 住本 英樹／九州大学・特任教授 (病態医化学)
  • 東山 哲也／東京大学・教授 (植物生殖生物学)
  • 三村 徹郎／京都先端科学大学・教授 (植物生理学)
  • 山本 卓／広島大学・教授 (発生生物学/ゲノム生物学)
  • 出村 政彬／日経サイエンス・編集⻑ (サイエンスコミュニケーション)

A01　制御技術

B01　遺伝理解

B02　利用展開