新学術領域研「植物多能性幹細胞」

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研究テーマ

本領域では植物幹細胞の特性を理解し、その増殖性や多能性の維持に必須な制御システムを解明する。
植物科学分野に幹細胞生物学を創成し、植物生存の永続性や旺盛な繁殖力を分子レベルで理解するための研究基盤を構築する。

A01:幹細胞増殖

植物幹細胞の新生・維持に必要な非対称分裂機構の解明

幹細胞の新生・維持のために「非対称分裂」はきわめて重要であるが、植物においてはその誘導機構や実際の仕組みについて不明な点が多い。本研究では、植物細胞が発生・再生する過程で幹細胞誘導のシグナルを発し、細胞極性や細胞質分裂の時空間的制御により非対称分裂を実現し、幹細胞が新生・維持される仕組みの解明を目指す。基部陸上植物ヒメツリガネゴケにおいては計8種の幹細胞が同定されており、種々の細胞生物学実験ツールも開発されてきた。また、イネでは幹細胞の極性情報の維持に関わるイネ変異体が得られている。そこで、これらの材料を駆使することにより、植物幹細胞を特徴づける分裂様式を生み出すキュー、ならびに実際のマシナリーの動態に着目して、細胞生物学的および分子遺伝学的アプローチによる多面的な研究を展開する。本研究により、陸上植物における幹細胞新生・維持過程の仕組みが明らかになると期待される。

 

リプログラミングによる植物幹細胞の新生機構の解明

胚発生時の幹細胞創生とは対照的に、植物は環境に応答して分化した細胞から幹細胞を誘導するリプログラミング能力をもっている。この幹細胞新生は動物には見られない大きな特徴であり、植物幹細胞の増殖性を理解する上で重要である。本研究では、マメ科植物の根粒と苔類ゼニゴケの杯状体(栄養繁殖器官)の形成誘導メカニズムについて、鍵転写因子に着目して解析する。具体的には、NIN(根粒形成)およびGCAM1(杯状体形成)の転写制御ネットワークおよび時空間的発現制御メカニズムを明らかにするとともに、これら転写因子が発現する細胞を規定するクロマチン構造制御を解明する。本研究により、リプログラミングによる幹細胞の新生機構が明らかになると期待される。

 

幹細胞増殖を制御する植物ホルモンの機能解明

茎頂メリステムでは幹細胞の分裂が適切に制御され、腋芽幹細胞を含む新たなファイトマーが規則的に産生される。一方、ファイトマーの連結部にある節には茎頂由来の幹細胞が残存しており、何らかの刺激により分裂活性が回復すると茎が伸長し、環境や成長に応じて個体サイズの最適化が図られる。本研究では、茎頂メリステムでの細胞分裂活性の維持に重要なサイトカイニンの生合成と輸送システムに着目することにより、植物ホルモンによる幹細胞増殖の制御システムを解明する。また、節幹細胞を再活性化する機構について植物ホルモンの役割を中心に解析する。本研究により、器官発生の規則性と可塑性を支える幹細胞増殖の制御機構が明らかになると期待される。

 

幹細胞新生のタイミングを制御する分子機構の解明

植物は一定間隔で腋芽幹細胞を生成し、ファイトマーを積み重ねて成長する。本研究では、茎頂メリステムで腋芽幹細胞を生成する時間的間隔が短いpla1/klu変異体に着目し、幹細胞新生のタイミングを制御するメカニズムの解明を目指す。これまでの研究から、PLA1/KLU遺伝子は機能未知のシトクロムP450酸化酵素(CYP78A)をコードすることが明らかにされている。したがって、既知の植物ホルモンとは異なる何らかの低分子シグナルが幹細胞新生に関与していると考えられるが、その化学的実体は解明されていない。そこで、pla1/klu変異体の表現型を相補する化合物の探索や、質量分析装置を用いた代謝産物差異解析により、幹細胞新生のタイミングを制御する低分子シグナルの同定を目指す。本研究により、幹細胞新生の時間的規則性と器官発生のモジュール性を生み出す制御系が明らかになると期待される。

 

A02:幹細胞性維持

植物幹細胞の多能性を維持するメカニズムの解明

植物幹細胞は個体の成長過程で多能性を維持する一方、花幹細胞に変換する際には多能性を失う。したがって、多能性の制御は花序パターンや種子数を決定する重要な要因である。本研究では、幹細胞の増殖と多能性の関連に着目して、幹細胞の多能性を維持するメカニズムを解明する。具体的には細胞生物学的解析や1細胞トランスクリプトーム解析により幹細胞を特定し、その情報を基に分子マーカーを開発し、幹細胞増殖の基本様式や多能性維持との関連性を解析する。さらに、露出した大型の幹細胞をもつコマチゴケを用いて、1細胞トランスクリプトーム解析および幹細胞ライブイメージングを行い、幹細胞の起源やその根源的な特性を明らかにする。PSACと連携し幹細胞の3Dイメージングを進める。

 

植物幹細胞の一過性と永続性を制御する分子メカニズムの解明

茎頂メリステムの幹細胞は恒久的に機能する一方、葉表皮の気孔幹細胞は一過的に生成され、もっぱら気孔形成に機能する。これらの異なる性質をもつ恒久的・一過的幹細胞の トランスクリプトーム解析や発生遺伝学的解析から、両者は共通する因子により制御されていることがわかってきた。そこで、気孔系譜の幹細胞単離技術を利用し、幹細胞の永続性と終結を決めるゲノムおよびシグナル伝達の動態を1細胞レベルの解像度で解析するとともに、マスター因子による気孔系譜細胞の幹細胞性停止のメカニズムを解明する。また近藤は、維管束の恒久的幹細胞が永続的に機能するのに必要な細胞運命のスイッチング機構について解析する。以上の研究により、植物幹細胞に永続性を与える制御系が明らかになると期待される。また、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所の強みである合成化学を活用し、新規化合物による植物幹細胞の維持と分化の操作も試みる。

 

多能性幹細胞の維持・再生機構の解明

植物にDNA損傷を与えると幹細胞特異的に細胞死が誘導される一方、幹細胞ニッチの細胞分裂が活性化し、新たな幹細胞が再生される。梅田は、この幹細胞再生の過程と幹細胞ゲノムの恒常性維持に植物ホルモンが関与していることを見出している。本研究ではこれらの事象を制御する分子メカニズムを明らかにすることにより、植物幹細胞を長期間、安定的に維持することを可能にする制御系を解明する。一方、坪内は、哺乳類多能性幹細胞(ES細胞)においてもDNA損傷による細胞死が起きやすく、またDNA損傷の指標であるγH2AXシグナルが外的にDNA損傷を与えないでも増加する分子メカニズムに着目して解析を進めている。これらの現象に潜む制御系を紐解くことで、動植物における幹細胞ゲノム維持機構の共通点および相違点を明らかにする。

 

長寿命樹木にみられる幹細胞ゲノムの多様性分析

近年の動物がん細胞を中心とした研究により、個体を構成する細胞は多様な遺伝情報をもつことが明らかとなってきた。非常に長い寿命をもつ樹木では突然変異の蓄積が著しいと考えられるが、動物と異なり健全な成長と繁殖能力を維持している。本研究では、世界で最も背が高い樹木として知られるセコイア属を含む長寿命な植物を対象に、①枝の空間配置と分岐パターンによって形作られる樹形構造の分析、②各枝から採取されたサンプルを用いた大規模なゲノム配列情報の取得、③同一個体内に存在する幹細胞ゲノムの多様性と個体内変異が生じた位置情報の解析を行う。本研究により、個体レベルで突然変異を許容しつつ、幹細胞を永続的に維持するメカニズムが明らかになると期待される。さらに、環境条件の違いが幹細胞ゲノムの多様性に与える影響を評価し、頑強性と可塑性を備えた幹細胞の維持機構について理解する。