共生進化の鍵となる遺伝子水平転移：その分子プロセスの解明

水平基因转移，共生进化的关键：阐明分子过程

• 批准号: 17J04887
• 负责人: 畑 貴之
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Kyoto Prefectural University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J04887/
• 关键词: 遺伝子の水平転移; 遺伝子進化; プロモーター進化; 転写開始点; エピゲノム; 遺伝子水平転移; 実験進化学; 転写活性化

遺伝子の水平転移は、生物の進化や多様化に大きく貢献してきたと考えられている一方で、その分子メカニズムについては未解明な部分が多い。本研究では、遺伝子の水平転移現象の実験的再現により「転移遺伝子が、転移先の核ゲノムで発現能を獲得する分子プロセス」の解明を試みた。最終度はまず、植物の核ゲノムに導入した外来のコード配列の転写開始点（TSS）の細分類化を行い、外来コード配列挿入に伴う新生TSS（= de novo TSS）と、既存のプロモーター領域を利用したTSSとを明確に区別した。de novo TSSは、受容ゲノム中に既存のプロモーター様配列やエピゲノム状態とは関係なく、挿入配列の上流100bpの領域で集中して活性化されていた。また興味深いことに、翻訳開始シグナルとして知られるKozak配列を有するORFを特異的に避けて分布していた。しかし、本実験では、挿入配列の発現や機能に基づく細胞選抜は行っておらず、たかだか10-20回程度の体細胞分裂しか経ていない。このことは、de novo TSSとは、ランダムに生じたバックグラウンドノイズではなく、ゲノムのもつ機能として、獲得したコード配列に対して自律的かつ迅速な転写活性化・選抜を経た結果であることを示唆している。以上を踏まえ、ゲノム中で生まれたばかりの遺伝子配列に転写能を賦与する過程を組み込んだ、新しい遺伝子進化のモデルを構築した。また、外来遺伝子配列周辺のエピゲノム状態を解析するために開発を試みた1分子エピゲノム解析法については、予備実験までしか進むことができなかった。しかし、その過程で、当初計画案よりも発展・応用性の高い新規アイデアの着想に至り、かつ、本手法を確立する上での技術的問題点も明らかとなっている。現在、それらを克服すべく系の改良を進めている。

虽然水平基因转移被认为对生物体的进化和多样化做出了巨大贡献，但其许多分子机制仍然未知。在这项研究中，我们试图通过实验重现水平基因转移现象来阐明“转移基因在其目的地的核基因组中获得表达能力的分子过程”。为了确定最终水平，我们首先使用与 TSS 明显区分的引入植物核基因组的外源编码序列的转录起始位点（TSS）进行细分。无论受体基因组中现有的启动子样序列或表观基因组状态如何，从头 TSS 都集中并激活在插入序列上游的 100 bp 区域。有趣的是，该分布特别避免包含 Kozak 序列的 ORF，该序列被称为翻译起始信号。然而，在这个实验中，我们并没有根据插入序列的表达或功能进行细胞选择，体细胞最多只经历大约10-20次分裂。这表明从头 TSS 不是随机生成的背景噪声，而是基因组的功能，是自主快速转录激活和获得的编码序列选择的结果。基于上述，我们构建了一个新的基因进化模型，该模型结合了赋予基因组中新生基因序列转录能力的过程。此外，他们试图开发的用于分析外源基因序列周围表观基因组状态的单分子表观基因组分析方法仅能推进到初步实验。然而，在这个过程中，他们提出了一个比原计划更先进、更适用的新想法，同时也发现了建立这个方法的技术问题。我们目前正在努力改进系统以克服这些问题。

项目成果

Genome-wide analysis of transcriptional activation of foreign DNA in Arabidopsis thaliana

拟南芥外源 DNA 转录激活的全基因组分析

• 发表时间: 2018
• 作者: Hata T.

Genome-wide analysis of de novo originated transcription start site in the Arabidopsis genome

拟南芥基因组中从头起源的转录起始位点的全基因组分析

• 发表时间: 2018
• 作者: Hata T.; Satoh S.; Takada N.; Hayakawa C.; Kazama M.; Tachikawa M.; Matsuo M.; Kushnir S.; Obokata J.
• 通讯作者: Obokata J.

A possible model for the functional endosymbiotic gene transfer

功能性内共生基因转移的可能模型

• 发表时间: 2018
• 作者: Hata T.; Satoh S.; Takada N.; Hayakawa C.; Kazama M.; Tachikawa M.; Matsuo M.; Kushnir S.; Obokata J.
• 通讯作者: Obokata J.

Experimental evolution approach reveals stochastic behavior of transcriptional activation of transgenes in plant genome.

实验进化方法揭示了植物基因组中转基因转录激活的随机行为。

• 发表时间: 2018
• 作者: Hata; T.; Satoh S.; Takada N.; Hayakawa C.; Kazama M.; Tachikawa M.; Matsuo M.; Kushnir S.; Obokata J.
• 通讯作者: Obokata J.

Molecular basis of EGT and HGT: How bacterial transgenes express in the eukaryotic genome?

EGT 和 HGT 的分子基础：细菌转基因如何在真核基因组中表达？

• 发表时间: 2017
• 作者: Hata; T.; Satoh S.; Takada N.; Hayakawa C.; Kazama M.; Uchikoba T.; Tachikawa M.; Matsuo M.; Kushnir S.; Obokata J.
• 通讯作者: Obokata J.