PRESS RELEASE 2022/7/20
日本のシロイヌナズナで転移因子が活性化～生息環境の違いで環境ストレス応答が異なる仕組みについての新しい知見～
ポイント
・シロイヌナズナのエコタイプ Kyoto では高温ストレスでトランスポゾンが高発現。
・Kyoto ではトランスポゾンの DNA メチル化が減少。
・DNA メチル化の減少の原因は CMT2 メチル化酵素の欠損変異によるものと判明。
概要
北海道大学大学院理学研究院の伊藤秀臣准教授の研究グループは、シロイヌナズナの転移因子（トランスポゾン）の環境ストレス応答が生息地域により異なる原因を明らかにしました。
トランスポゾンは様々な生物に存在しますが、生息環境とその活性化の関係についての理解は進んでいませんでした。研究グループは、モデル植物であるシロイヌナズナを用いて、37℃の高温条件で育てると活性化するトランスポゾン「ONSEN」に着目しました。ONSEN は普段は眠っている（発現していない）のですが、高温条件下で目を覚まし（転写が活性化し）ます。本研究では、日本に生息するシロイヌナズナのエコタイプ＊133 品種について、高温条件下で育てた場合の ONSEN の転写量を解析しました。その結果、Kyoto と名付けられたエコタイプにおいて ONSEN の転写量が顕著に上昇していることを見つけました。この現象の原因を調べてみると、DNA メチル化酵素の１つであるCMT2 の合成に必要な遺伝子に変異が見つかりました。このことから、Kyoto では ONSEN の活性化を抑制するために必要な DNA のメチル化＊2 が不十分なために、転写量が増加することが示唆されました。さらに Kyoto ではトランスポゾンの発現制御に必要なヒストン修飾＊3 である H3K9me2 も減少していることがわかりました。
本研究で得られた結果は、環境ストレスで活性化するトランスポゾンのストレス応答と宿主植物の制御機構について、生息地域間で多様性を生み出す原因の一つとして、トランスポゾンの制御に必要な DNA メチル化酵素の遺伝子突然変異が寄与するという新しい知見を得ることができました。
なお、本研究成果は、2022 年 7 月 18 日（月）公開の Frontiers in Plant Science 誌に掲載されました。

標準的なエコタイプである Col-0 と京都のエコタ
イプ Kyoto における DNA メチル化レベル。Kyoto
では ONSEN 配列上の DNA メチル化レベルが減少している。
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【背景】
トランスポゾンは、あらゆる生物のゲノムに存在する“動く遺伝子”です。トランスポゾンが無秩序にゲノム内を転移すると、生物が生きていくために必要な遺伝子を破壊してしまい、生存に不利になることがあります。そのため、ほとんどのトランスポゾンは DNA のメチル化やヒストン修飾という修飾を受けて不活化されています。
しかし、環境ストレスによってトランスポゾンの転写抑制が一時的に解除されることが知られています。これまでの研究で、シロイヌナズナにおいて、ONSEN が熱ストレスによって活性化されることが明らかになってきました。ONSEN のゲノム上の位置やコピー数はシロイヌナズナのエコタイプ間で異なります。そこで、本研究の目的は、シロイヌナズナのエコタイプにおいて、高温ストレス下での ONSENの転写レベルを比較し、ONSEN の転写制御をより深く理解することでした。
【研究手法】

シロイヌナズナには、世界各地に遺伝的に固定されたエコタイプが存在しています。エコタイプを比較してみると、葉の形や開花時期など様々な表現型の違いが見られます。今回、高温ストレスで活性化するトランスポゾン ONSEN の転写量をエコタイプ間で比較してみました。

その結果、Kyoto で ONSEN の転写量に顕著な差が見られたため、原因因子の特定のために次世代シーケンサーを用いた遺伝子マッピングを行いました。
【研究成果】
本研究では、日本の各地に生息するシロイヌナズナを材料に用いて、高温で活性化するトランスポゾン ONSEN の転写量を調べました。その結果、京都のエコタイプである Kyoto において、ONSEN の転写量が顕著に上昇することを見つけました（図 1）。その原因を次世代シーケンサーと遺伝子マッピングという方法で特定したところ、DNA のメチル化酵素の一つである CMT2 の合成に必要な遺伝子に突然変異が見つかりました。Kyoto では CMT2 の機能不全により DNA のメチル化レベルが低下し、トランスポゾンの発現量が増加したことが窺えます。さらに、DNA のメチル化と相互関係にあるヒストンH3K9me2 のメチル化レベルも減少していることがわかりました。Kyoto ではヘテロクロマチンの維持に不可欠な DNA のメチル化とヒストン修飾が不足していることで、高温ストレス下でのヘテロクロマチンの凝縮が緩みやすい傾向にあることも明らかになりました（図 2）。
今回の研究により、自然界に存在するシロイヌナズナのエコタイプ間での環境ストレス応答の差を生み出す原因の一つとして、DNA のメチル化レベルの差が関係していることを示すことができました。
【今後への期待】
今回の研究結果から、シロイヌナズナはエコタイプによってエピジェネティックな修飾レベルが異なることがわかりました。今後は、植物のエピジェネティックな修飾レベルの差が生息地域の環境適応にどのような意味合いを持っているのか明らかにしていきたいと思っています。
【謝辞】
本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業・基盤研究（C）（研究代表：伊藤秀臣、課題番号18K06050）、新学術領域研究（研究代表：木下俊則、課題番号 JP15K21750）、特別研究院奨励費（研究代表：野沢紘佑、課題番号 18J11120）の助成を受けた成果です。

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論文情報
論文名Epigenetic regulation of ecotype-specific expression of the heat-activated transposon

ONSEN（高温活性型トランスポゾン ONSEN のエコタイプ特異的なエピジェネティック制御）
著者名 野沢紘佑 1、升田誠二 1、佐瀬英俊 2、池田陽子 3、鈴木孝正 4、高木宏樹 5、田中啓介 6、大濱直彦 7、牛小蛍 1、加藤敦之 8、伊藤秀臣 8＊（1 北海道大学大学院生命科学院、2 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、3 岡山大学資源植物科学研究所、4 中部大学大学院応用生物学研究科、5 石川県立大学生物資源環境学部、6 東京農業大学生物資源ゲノム解析センター、7 東京大学大学院農学生命科学研究科、8 北海道大学大学院理学研究院＊責任著者）
雑誌名 Frontiers in Plant Science（オープンアクセス科学ジャーナル）ＤＯＩ 10.3389/fpls.2022.899105
公表日 2022 年 7 月 18 日（月）（オンライン公開）
お問い合わせ先北海道大学大学院理学研究院 准教授 伊藤秀臣（いとうひでたか）ＴＥＬ 011-706-4469

ＦＡＸ 011-706-4469

メール hito@sci.hokudai.ac.jp

ＵＲＬ https://www.sci.hokudai.ac.jp/Cellfunction_Structure3/
配信元
北海道大学社会共創部広報課（〒060-0808 札幌市北区北 8 条西 5 丁目）
ＴＥＬ 011-706-2610

ＦＡＸ 011-706-2092

メール jp-press@general.hokudai.ac.jp

【参考図】

図1
日本の各地に生息しているシロイヌナズナの ONSEN の転写量。京都のエコタイプである Kyoto で顕著に高い発現量が見られた。

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図 2 高温ストレス下でのヘテロクロマチンの凝縮度合い。Kyoto では Col-0 に比べてヘテロクロマチンが緩みやすい傾向にある。
【用語解説】＊1 エコタイプ … 生育する環境に適応して、それぞれ遺伝的な分化が進み、形態や生態の違いが固定されたもの。
＊2 DNA のメチル化 … DNA メチル化酵素の働きにより、DNA を構成する A、T、G、C の塩基のうち主に C(シトシン)のピリミジン環の 5 位炭素原子にメチル基修飾が付加される化学反応。
＊3 ヒストン修飾 … ヒストンの N 末端・C 末端側の領域の翻訳後修飾。アセチル化、メチル化、リン酸化、モノユビキチン化など様々な翻訳後修飾を受ける。

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