遺伝子導入とDNA相同組換えを促進する植物の染色体再凝集の遅延

• 担当機関: （独）農業生物資源研究所
• 研究期間: 2004～2006
• 研究担当者: 遠藤真咲; 石川優一; 刑部敬史; 中山繁樹; 阿部清美; 市川裕章; 土岐精一
• 発行年度: 2006
• 要約: 特定の遺伝子の改変を可能にするジーンターゲッティングは、DNA相同組換え機構を利用していると考えられている。植物のDNA複製後の染色体再凝集の遅延は、遺伝子導入効率とDNA相同組換え効率を顕著に向上させることを見出した。
• キーワード: ジーンターゲッティング、DNA相同組換え、染色体高次構造、遺伝子導入
• 背景・ねらい: ピンポイントでの遺伝子操作を可能にするジーンターゲッティングは、遺伝子機能の改変による社会的受容性の高い新規植物の創出につながる技術である。ジーンターゲッティングは、外来遺伝子の導入とその後の相同組換えにより、外来遺伝子が染色体上の相同な遺伝子と置き換わることにより達成される。したがって、実用的なジーンターゲッティング系の構築には、遺伝子導入効率と相同組換え効率の向上が欠かせない。本研究では、高度に凝集した染色体構造（染色体高次構造）が植物における遺伝子導入と相同組換えを抑制しているとの仮説を立て、DNA複製後の染色体再凝集を担うCAF-1（Chromatin assembly factor-1）に注目し、その欠損株における遺伝子導入および相同組換え効率について解析した。

成果の内容・特徴

1. 相同組換えが起こると、その細胞で機能的なβ-グルクロニダーゼ（GUS）遺伝子が発現するシロイヌナズナを作製した。GUSの発現頻度により、相同組換え効率の評価を行った結果、CAF-1欠損株では、相同組換えの頻度が野生型の約40倍と、著しく上昇していることが明らかになった（図1）。
2. 野生型アグロバクテリウムを根の断片へ接種する実験によって、CAF-1が欠損すると、外来遺伝子の植物ゲノムへの導入効率も顕著に向上することが示された（図2）。
3. CAF-1欠損株ではDNA損傷が増加し（図3）、相同組換え関連因子をコードするmRNAの転写量が増加していることが明らかとなった。また、細胞周期のS-G2期の延長が観察された（図4）。
4. これらの観察は、CAF-1の欠損により生じる染色体再構成の遅れが、相同組換え効率ならびに遺伝子導入効率の向上をもたらすことを示している。また、S-G2期の延長と DNA損傷の増加も、相同組換え関連因子の発現を上昇させ、結果的に相同組換え効率の向上に貢献したと推定される。

成果の活用面・留意点

1. 相同組換え効率の向上は、効率的なジーンターゲッティング系を構築するうえで重要な要因であり、本研究で得られた知見は植物の分子育種に貢献できるものである。
2. また、成果2で述べた、CAF-1の欠損による外来遺伝子の植物ゲノムへの導入効率の向上は、形質転換系の改良・向上にも有効な知見である。
3. CAF-1欠損株におけるこれらの特徴は、植物分子育種上有用である。その一方で、染色体高次構造の維持はゲノムの安定性にも関与することを考慮すると、CAF-1をノックアウトした植物体そのものの利用は難しい。そこで、染色体高次構造を制御する他の因子の利用や、一過的なCAF-1の機能抑制等の工夫が必要である。

• カテゴリ: 育種