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助成番号 141137
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

マイクロ流体プラットフォームが捉える葉緑体核様体のダイナミクス

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Dynamics of chloroplast nucleoids captured by the microfluidic platform

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ

ニシムラ

ヨシキ

研究期間 Ｂ

２０１４

漢字 ＣＢ

西村芳樹

報告年度 ＹR

２０１６年

Yoshiki

研究機関名

京都大・院・理ﾛｰﾏ字 ＣＺ Nishimura

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名～ ２０１６年

京都大学大学院 理学研究科 助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)

細胞核における染色体と同様に、葉緑体ゲノムは細胞内で多様なヒストン様タンパク質と結合し、「核様体」とよばれる DNA-タンパク質複合体を形成する。葉緑体核様体は、ゲノムの複製、修復、遺伝子発現、遺伝の要であると提唱されているが、その具体的なタンパク質構成・機能や動態については未解明な点が多い。申請者らは、葉緑体核様体の分子進化、ダイナミズムに焦点を絞り、その実像に迫った。
I. 葉緑体核様体の分子進化：葉緑体核様体は陸上植物からシダ、コケ、藻類に至る広範な生物で観察される普遍的な構造である。しかし、その分子構造の実態はこれまで明らかでなかった。そこで本研究では、葉緑体核様体の中核構造タンパク質に注目し、様々な生物（クラミドモナス、シャジクモ、ゼニゴケ、シロイヌナズナ）を用いた比較進化学的解析をおこなった。その結果、葉緑体核様体はもともと細菌から持ち込まれたタンパク質によって構成されていたが、それが進化とともに細胞核由来のタンパク質に置き換えられていった経緯が明らかになってきた（小林ら、2015）。さらに陸上植物において主要な葉緑体核様体タンパク質として知られる亜硫酸還元酵素については、その C 末にあるアミノ酸配列(C-terminally encoded peptide (CEP))が葉緑体核様体局在の決定因子であることを示した(小林ら、2016)。以上の研究より、 蛍光顕微鏡で観察される葉緑体核様体の中核構造は、分子レベルではそれぞれの生物種の進化的背景を反映して多様化していることが明らかになった。

II. 葉緑体核様体のダイナミズム：葉緑体核様体の動態がライブイメージングによって捉えた先例はなかった。
そこで我々はマイクロ流体デバイスをもちいて生きた緑藻における葉緑体核様体の動態をとらえることに世界ではじめて成功した。間期は５〜８個の球状構造であった葉緑体核様体が、葉緑体分裂前にネットワーク状構造へと移行し、分裂が終了すると急速に球状構造に復元するという、ダイナミックな挙動が明らかになった（上村ら、準備中）。さらに我々は葉緑体核様体の形態に大きな影響を与える遺伝子の同定に成功した。我々が注目した遺伝子は葉緑体型 RECA である。この遺伝子を抑制すると葉緑体核様体は１個の大きな塊へと凝集し、過剰発現すると葉緑体全体に広がるファイバーへと変化した。このことは、RecA などを介した葉緑体 DNA 分子のトポロジー変化が葉緑体核様体の形状を制御する重要因子であることを示している（Odahara, Kobayashi etal., Plant Physiol. 2016）。

キーワード ＦＡ

葉緑体 DNA

葉緑体核様体マイクロ流体デバイス（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -分子進化発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Eukaryotic Components Remodeled Chloroplast Nucleoid Organization during the Green Plant Evolution

著者名 ＧＡ

Kobayashi et al.

雑誌ページ ＧＦ

1～16

雑誌名 ＧＣGenome Biology and Evolution.

発行年 ＧＥ

2015

巻号 ＧＤ

8

論文標題ＧＢ

C-Terminal Region of Sulfite Reductase Is Important to Localize to Chloroplast Nucleoids in Land Plants

著者名 ＧＡ

Kobayashi et al.

雑誌名 ＧＣGenome Biology and Evolution

ページ ＧＦ

1459～1466

発行年 ＧＥ

2

雑誌

01

6

巻号 ＧＤ

8

論文標題ＧＢ

Dynamic interplay between nucleoid segregation and genome integrity in Chlamydomonas chloroplasts

著者名 ＧＡ

Odahara et al.

雑誌名 ＧＣ

ページ ＧＦin press

発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

雑誌

Plant Physiology

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Chloroplast (cp) DNA is packaged into cpDNA-protein complexes, called cp nucleoids. Cp nucleoids are thought to befunctional unit of cpDNA replication, inheritance, and transcription. However, the detailed moleculer compositions andtheir behaviors remain unclear. In this research, we aimed to understand the molecular evolution and dynamics of cp
nucleoids.
I. Molecular evolution of cp nucleoids: cp nucleoids are observed as dot-like structure in chloroplasts of diverse taxa ofplants and algae. However, their molecular composition and evolutional process remain largely unclear. In this research, we
studied the molecular composition of core structural proteins of cp nucleoids in several key organisms representing evolutionary
stages of eukaryotic phototrophs. This analysis showed that recurrent modification of cp nucleoid organization by eukaryotic
factors might have been the driving force for the diversification of cp nucleoids since the early stage of green plant evolution(Kobayashi et al., GBE 2015). Furthermore, we also studied sulfite reductase (SiR), which is one of the most abundantcomponents of cp nucleoids in land plants, and found that the C-terminally encoded peptide (CEP) is the mojor determinant forthe cp nucleoid localization for SiR in land plants.
II. Dynamics of cp nucleoids: The dynamic motion of cp nucleoids has been suggested to occur in algae and land plants(Ehara et al., 1990; Terasawa and Sato 2005) but no direct observations have been reported so far. In this research we employeda microfluidic device to culture living cells on a confocal microscope so that we could follow the behaviors of cp nucleoids
during chloroplast division. Based on this strategy, we succeeded in capturing the motion of cp nucleoids for the first time
(Kamimura et al., in preparation). Furthermore, we successfully identified a gene that has a huge impact on the morphology ofcp nucleoids. The gene that we focused was chloroplast-targeted RECA. When the gene was repressed by amiRNA technology,
cp nucleoids were merged to be 1~2 aggregates. On the contrary, when the gene was over-expressed, cp nucleoids weretransformed into a huge fiber, indicating the dynamic interplay between cp nulcleoid morphology and cpDNA topology
regulated by cpDNA interacting factors including RecA (Odahara, Kobayashi et al., Plant Physiol. 2016).

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