Press Release
報道解禁：⽇本時間 2024 年 7 ⽉ 30 ⽇ 18 時・31 ⽇朝刊
⽂部科学記者会・科学記者会、農政クラブ、農林記者会、農業技術クラブ、筑波研究学園都市記者会、岩⼿県教育記者クラブ

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なぜこれだけ多くの仕組みが必要なのか？
〜ゲノム刷り込みの多層的な制御機構の解明〜
横浜市⽴⼤学⽊原⽣物学研究所の殿崎薫助教と⽊下哲教授、農研機構の川勝泰⼆上級研究員、国⽴遺伝学研究所、理化学研究所、アメリカ・カリフォルニア⼤学デイビス校、岩⼿⼤学との国際共同研究グループは、イネの胚乳発⽣段階や細胞の種類によって異なるゲノム刷り込み（ゲノムインプリンティング）＊1 の仕組みが存在することを明らかにしました。
本研究では、イネの胚乳における時系列マルチオミクス解析＊２から、発⽣の進⾏過程で多数の刷り込み遺伝⼦（インプリント遺伝⼦）＊３を同定し、全てのステージに持続的なインプリント遺伝⼦と、発⽣ステージ特異的なインプリント遺伝⼦が存在することを突き⽌めました（図１）。さらにシングルセル解析＊４から、細胞の種類によってもインプリント遺伝⼦の制御が異なることを⽰唆する結果を得ることに成功しました。極めて複雑に制御されるゲノムインプリンティングの制御メカニズムの全容解明や、植物の種⼦形成過程におけるインプリント遺伝⼦の機能解明に関する研究への進展が期待されます。
本研究成果は、「Nature Plants」誌に掲載されます（英国夏時間 2024 年 7 ⽉ 30 ⽇ 10 時）。
研究成果のポイント

イネ胚乳発⽣の進⾏過程で異なる発現様式を⽰す多数のインプリント遺伝⼦を発⾒。

発現様式の異なるインプリント遺伝⼦のエピゲノム制御機構＊５の解明。



胚乳細胞の種類によってインプリント遺伝⼦の制御が異なることを解明。

図 1．胚乳発⽣過程で異なる発現様式を⽰すインプリント遺伝⼦とその制御機構。
持続的インプリント遺伝⼦とステージ特異的インプリント遺伝⼦ではエピゲノム状態が異なる。

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研究背景
ゲノムインプリンティングは、両親から受け継いだ遺伝⼦のうち、特定の遺伝⼦が⽚親由来のゲノムから発現し、他⽅のゲノムでは発現しない現象です。この現象は、哺乳類の胎盤形成や被⼦植物の種⼦形成において重要な役割を果たしていますが、その詳細な制御メカニズムはいまだに完全には解明されていません。特に、発⽣ステージや細胞の種類による遺伝⼦発現制御の違いについては、理解が進んでいない部分が多くありました。従来の研究において、エピジェネティック修飾（DNAメチル化やヒストン修飾）＊６によって遺伝⼦発現が制御されることが⽰唆されていましたが、その動的な変化や細胞特異的な制御メカニズ
ムについては不明な点が多く残されていました。
研究内容
本研究では、イネの胚乳における異なる発⽣ステージでのトランスクリプトーム解析（RNA-seq解析）を⾏いました。その結果、持続的にインプリンティングが維持される遺伝⼦（持続的インプリント遺伝⼦）と、特定の発⽣ステージでのみインプリンティングが観察される遺伝⼦（ステージ特異的インプリント遺伝⼦）に分類することができました。また、全ゲノムのDNAメチル化解析およびヒストン修飾解析を実施した結果、持続的インプリント遺伝⼦は、DNAメチル化やヒストン修飾の強固なエピジェネティック修飾によって制御され、⼀⽅でステージ特異的インプリント遺伝⼦は⽐較的弱いエピジェネティック修飾によって制御されていることを明らかにしました。さらには、⺟性インプリント遺伝⼦の多くはDNAメチル化によって、⽗性インプリント遺伝⼦の多くは主にヒストン修飾によって制御されることも明らかになりました（図２）。

図２．持続的インプリント遺伝⼦とステージ特異的インプリント遺伝⼦の制御の違い。
⺟性インプリント遺伝⼦は主にDNAメチル化によって、⽗性インプリント遺伝⼦は主にヒストン修飾によって制御される。それぞれの左側のボックスは、インプリント遺伝⼦の⺟親から継承した対⽴遺伝⼦、右側のボックスは⽗親から継承した対⽴遺伝⼦を⽰す。

さらに、シングルセル解析を⽤いて、細胞特異的インプリント遺伝⼦の発現パターンを解析しました。この解析により、持続的インプリント遺伝⼦が多くの細胞クラスター＊７で広範に発現しているのに対し、ステージ特異的インプリント遺伝⼦は特定の細胞クラスター

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でのみ発現していることが明らかになりました（図３）。このことは、細胞タイプごとのインプリント遺伝⼦の発現の違いが、胚乳発⽣の制御に重要な役割を果たしている可能性を⽰唆しています。

図３．シングルセル解析による細胞特異的なインプリント遺伝⼦の発現パターン。
左図：シングルセル解析から作成した胚乳の細胞クラスター。
右図：胚乳の細胞クラスターにおけるインプリント遺伝⼦の発現の偏りを⽰す。

今後の展開
本研究の成果は、これまで単純な制御であると考えられてきたゲノムインプリンティン
グが、⼈類の⾷糧資源として最も重要な胚乳の発⽣ステージや細胞の種類といった時空間レベルで複雑に制御されている可能性を⽰唆しており、複雑なゲノムインプリンティングの制御メカニズムの全容の解明が期待できます。
⽤語説明＊１ ゲノム刷り込み（ゲノムインプリンティング）：⽗⺟のゲノムの由来に従って遺伝⼦発現のオン・オフが決まる仕組み。⽗性インプリント遺伝⼦は、⽗親から遺伝した場合のみ発現がオンに制御され、逆に⺟性インプリント遺伝⼦は⺟親から遺伝した場合のみ発現がオンに制御される。

＊２ 時系列マルチオミクス解析：複数の発⽣ステージを対象として、ゲノムワイドDNAメチル化情報、ヒストン修飾情報、遺伝⼦発現情報などの⼤規模解析を組み合わせて解析する⼿法。

*３ 刷り込み遺伝⼦（インプリント遺伝⼦）：ゲノム刷り込みを受けた遺伝⼦。⽗性インプ
リント遺伝⼦と⺟性インプリント遺伝⼦がある。
*４ シングルセル解析：単離した細胞や核を⽤いて、個々の細胞で発現している mRNA を読み取る技術。

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報道解禁：⽇本時間 2024 年 7 ⽉ 30 ⽇ 18 時・31 ⽇朝刊*５ エピゲノム制御機構：DNAの塩基配列以外のゲノム情報、DNAメチル化、ヒストン修飾などを制御する分⼦機構。
*６ エピジェネティック修飾（DNAメチル化やヒストン修飾）：DNAのシトシン塩基の 5 位炭素にメチル基が⼊る化学的な修飾、ならびにヒストンのN末端やC末端のテール部分に⼊るメチル基、アセチル基、ユビキチンなどの修飾を指す。DNAの塩基配列以外の遺伝情報として知られている。
*７ 細胞クラスター：シングルセルRNAシーケンス解析の結果、似たような遺伝⼦発現を持つ細胞の集団をグループ化し、細胞のタイプごとに別けたもの。
研究費
本研究は、科研費補助⾦学術変⾰領域(A) 「挑戦的両性花原理」、若⼿研究、横浜市⽴⼤学
学⻑裁量事業 第 5 期戦略的研究推進事業「研究開発プロジェクト」などの⽀援を受けて実施されました。
論⽂情報
タイトル： Multi-layered epigenetic control of persistent and stage-specific imprinted genes
in rice endosperm
著者： Kaoru Tonosaki, Daichi Susaki, Hatsune Morinaka, Akemi Ono, Hiroki Nagata, Hiroyasu
Furuumi, Ken-Ichi Nonomura, Yutaka Sato, Keiko Sugimoto, Luca Comai, KatsunoriHatakeyama, Taiji Kawakatsu, Tetsu Kinoshita
掲載雑誌： Nature Plants
DOI：10.1038/s41477-024-01754-4

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