金澤　章

研究内容

　生き物が生きるということは、親から子へと受け継がれる情報に従って多数の遺伝子の発現が正確になされてはじめて可能になります。ヒトの子はヒトであり、イヌからネコが産まれてきたり、植物の種子を播いたら動物ができてきたりするなどということは起こりません。私たちが経験的に当たり前のこととして受け止めているこのことは、生物の個々の遺伝子および遺伝子の発現を司る情報が正確に次世代に受け継がれることによります。生物の持つ情報が次世代に伝達されることに関して、DNAの塩基配列による伝達機構を「ジェネティック（genetic）」な現象と呼ぶことができます。メンデルの法則にのっとった遺伝現象は「ジェネティック」なものです。それに対し、DNAの塩基配列の変化を伴わない、細胞分裂を経た後も継承される何らかの変化によって遺伝子の活性が変わることを指して、「エピジェネティック(epigenetic)」な現象と呼んでいます。例えば、生物の発生過程では、遺伝子の塩基配列が変わることなく遺伝子の発現パターンが変化して、さまざまな器官が作られていきますが、その機構として、エピジェネティックな遺伝子発現の制御機構が存在すると考えられます。これらと同様に、遺伝現象および遺伝的変異を研究する生物学の一領域を遺伝学(genetics)と呼ぶのに対し、DNAの塩基配列の変化を伴わずに変化する遺伝子機能を研究する領域をエピジェネティックス(epigenetics)と呼んでいます。

　私たちは、こうしたエピジェネティックな遺伝子発現の制御に着目し、高等植物を研究材料に用いて、その分子機構の解析を行なっています。エピジェネティックな機構による遺伝子発現制御には、わずか二十数個のヌクレオチドで構成されるRNAが関与することが知られています。そのことが明らかになる契機となったのは、「RNAサイレンシング」と呼ばれる現象の発見です。RNAサイレンシングとは、「RNAを介した遺伝子の不活性化」のことです。細胞には、ある状況で、特定の遺伝子の発現が行なわれないようにする遺伝子発現の制御機構が存在します。このRNAサイレンシングという機構に世界の分子生物学の研究者が着目する大きなきっかけの一つとなったのは、1990年に米国およびオランダの2つの研究グループが発表した、植物における「コゥサプレッション(co-suppression) 」という現象です。これらの研究グループでは、アントシアニン色素が合成されることによって紫色の花を咲かせるペチュニアに対して、この色素の合成経路の遺伝子の一つを導入し、過剰に発現させるという試みをしました。このことにより、色素の合成系が増強されて、より濃い紫色の花が付くかと思いきや、実際には、予想に反して、紫色の花の他に白色の花や紫色と白色の部分が混在した花を咲かせる植物ができてきました。この現象は、外から加えた遺伝子とその遺伝子と同じはたらきを持った元から植物の中にある遺伝子の両者が不活性化されたことによるものであることが明らかにされ、コゥサプレッションという呼び名が与えられました。その後、さまざまな生物においてコゥサプレッションと類似した現象が見いだされ、その機構にも共通性があることが2000年前後に明らかにされました。

准教授　金澤　章 (Associate Prof. Akira Kanazawa)

最近の主な研究業績（2005年以降）

Kasai, M., Matsumura, H., Yoshida, K., Terauchi, R., Taneda, A. and Kanazawa, A. (2013) Deep sequencing uncovers commonality in small RNA profiles between transgene-induced and naturally occurring RNA silencing of chalcone synthase-A gene in petunia. BMC Genomics 14, 63.

Otagaki, S., Kasai, M., Masuta, C. and Kanazawa, A. (2013) Enhancement of RNA-directed DNA methylation of a transgene by simultaneously downregulating a ROS1 orthologue using a virus vector in Nicotiana benthamiana. Front. Genet. 4, 44.

Xu, M., Xu, Z., Liu, B., Kong, F., Tsubokura, Y., Watanabe, S., Xia, Z., Harada, K., Kanazawa, A., Yamada, T. and Abe, J. (2013) Genetic variation in four maturity genes affects photoperiod insensitivity and PHYA-regulated post-flowering responses of soybean. BMC Plant Biol. 13, 91.

Kasai, M., Tsuchiya, M. and Kanazawa, A. (2013) Gene duplication and RNA silencing in soybean. In A Comprehensive Survey of International Soybean Research - Genetics, Physiology, Agronomy and Nitrogen Relationships, Ed. by J. E. Board, InTech, pp. 507-530.

Kasai, M. and Kanazawa, A. (2013) Induction of RNA-directed DNA methylation and heritable transcriptional gene silencing as a tool to engineer novel traits in plants. Plant Biotechnol. 30, 233-241.

Koide, Y., Shinya, Y., Ikenaga, M., Sawamura, N., Matsubara, K., Onishi, K., Kanazawa, A. and Sano, Y. (2012) Complex genetic nature of sex-independent transmission ratio distortion in Asian rice species: the involvement of unlinked modifiers and sex-specific mechanisms. Heredity 108, 242-247.

Kasai, M., Koseki, M., Goto, K., Masuta, C., Ishii, S., Hellens, R. P., Taneda, A. and Kanazawa, A. (2012) Coincident sequence-specific RNA degradation of linked transgenes in the plant genome. Plant Mol. Biol. 78, 259-273.

Arase, S., Kasai, M. and Kanazawa, A. (2012) In planta assays involving epigenetically silenced genes reveal inhibition of cytosine methylation by genistein. Plant Methods 8, 10.

Takahashi, R., Morita, Y., Nakayama, M., Kanazawa, A. and Abe, J. (2012) An active CACTA-family transposable element is responsible for flower variegation in wild soybean Glycine soja. Plant Genome 5, 62-70.

Kasai, M. and Kanazawa, A. (2012) RNA silencing as a tool to uncover gene function and engineer novel traits in soybean. Breeding Sci. 61, 468-479.

Kanazawa, A., Inaba, J., Shimura, H., Otagaki, S., Tsukahara, S., Matsuzawa, A., Kim, B. M., Goto, K. and Masuta, C. (2011) Virus-mediated efficient induction of epigenetic modifications of endogenous genes with phenotypic changes in plants. Plant J. 65, 156-168.

Kanazawa, A., Inaba, J., Kasai, M., Shimura, H. and Masuta, C. (2011) RNA-mediated epigenetic modifications of an endogenous gene targeted by a viral vector: a potent gene silencing system to produce a plant that does not carry a transgene but has altered traits. Plant Signaling Behavior In press

Koide, Y., Shinya, Y., Ikenaga, M., Sawamura, N., Matsubara, K., Onishi, K., Kanazawa, A. and Sano, Y. (2011) Complex genetic nature of sex-independent transmission ratio distortion in Asian rice species: the involvement of unlinked modifiers and sex-specific mechanisms. Heredity In press

Otagaki, S., Kawai, M., Masuta, C. and Kanazawa, A. (2011) Size and positional effects of promoter RNA segments on virus-induced RNA-directed DNA methylation and transcriptional gene silencing. Epigenetics 6, 681-691.

Arase, S., Hase, Y., Abe, Y., Kasai, M., Yamada, T., Kitamura, K., Narumi, I., Tanaka, A. and Kanazawa, A (2011) Optimization of ion-beam irradiation for mutagenesis in soybean: effects on plant growth and production of visibly altered mutants. Plant Biotechnol. 28, 323-329.

Wang, X., Yamada, T., Kong, F., Abe, Y., Hoshino, Y., Sato, H., Takamizo, T., Kanazawa, A. and Yamada, T. (2011) Establishment of an in vitro culture and particle bombardment-mediated transformation system in Miscanthus sinensis Anderss., a potential bioenergy crop. Global Change Biology Bioenergy 3, 322-332.

Kasai, M. and Kanazawa, A. (2011) RNA silencing as a tool to uncover gene function and engineer novel traits in soybean. Breeding Sci. In press

Ohta, H., Ogino, A., Kasai, M., Sano, Y. and Kanazawa, A. (2010) Fertility restoration by Ifr1 in rice with BT-type cytoplasmic male sterility is associated with a reduced level, but not processing, of atp6-orf79 co-transcribed RNA. Plant Cell Rep. 29, 359-369.

Liu, B., Watanabe, S., Uchimiya, T., Kong, F., Kanazawa, A., Xia, Z., Nagamatsu, A., Arai, M., Yamada, T., Kitamura, K., Masuta, C., Harada, K. and Abe, J. (2010) Soybean stem growth habit gene Dt1 is an orthologue of Arabidopsis TFL1. Plant Physiol. 153, 198-210.

Kong, F., Liu, B., Xia, Z., Sato, S., Kim, B., Watanabe, S., Yamada, T., Tabata, S., Kanazawa, A., Harada, K. and Abe, J. (2010) Two coordinately regulated homologs of FLOWERING LOCUS T are involved in the control of photoperiodic flowering in soybean. Plant Physiol. 154, 1220-1231.

Nagamatsu, A., Masuta, C., Matsuura, H., Kitamura, K., Abe, J. and Kanazawa, A. (2009) Down-regulation of flavonoid 3′-hydroxylase gene expression by virus-induced gene silencing in soybean reveals the presence of a threshold mRNA level associated with pigmentation in pubescence. J. Plant Physiol. 166, 32-39.

Kanazawa, A., Liu, B., Kong, F., Arase, S. and Abe, J. (2009) Adaptive evolution involving gene duplication and insertion of a novel Ty1/copia-like retrotransposon in soybean. J. Mol. Evol. 69, 164-175.

Hisano, H., Kanazawa, A., Yoshida, M., Humphreys, M. O., Iizuka, M., Kitamura, K. and Yamada, T. (2008) Coordinated expression of functionally diverse fructosyltransferase genes is associated with fructan accumulation in response to low temperature in perennial ryegrass. New Phytol. 178, 766-780.

Koide, Y., Onishi, K., Nishimoto, D., Baruah, A. R., Kanazawa, A. and Sano, Y. (2008) Sex-independent transmission ratio distortion system responsible for reproductive barriers between Asian and African rice species. New Phytol. 179, 888-900.

Koide, Y., Ikenaga, M., Sawamura, N., Nishimoto, D., Matsubara, K., Onishi, K., Kanazawa, A. and Sano, Y. (2008) The evolution of sex-independent transmission ratio distortion involving multiple allelic interactions at a single locus in rice. Genetics 180, 409-420.

Liu, B., Kanazawa, A., Matsumura, H., Takahashi, R., Harada, K. and Abe, J. (2008) Genetic redundancy in soybean photoresponses associated with duplication of the phytochrome A gene. Genetics 180, 995-1007.

Imoto, Y., Yamada, T., Kitamura, K. and Kanazawa, A. (2008) Spatial and temporal control of transcription of the soybean β-conglycinin α subunit gene is conferred by its proximal promoter region and accounts for the unequal distribution of the protein during embryogenesis. Genes Genet. Syst. 83, 469-476.

Koide, Y., Onishi, K., Kanazawa, A. and Sano, Y. (2008) Genetics of speciation in rice. In Rice Biology in the Genomics Era, Ed. by H.-Y. Hirano, A. Hirai, Y. Sano and T. Sasaki, Springer-Verlag, pp. 247-259.

Kanazawa, A. (2008) RNA silencing manifested as visibly altered phenotypes in plants. Plant Biotechnol. 25, 423-435.

Kanazawa, A., O’Dell, M. and Hellens, R. P. (2007) The binding of nuclear factors to the as-1 element in the CaMV 35S promoter is affected by cytosine methylation in vitro. Plant Biol. 9, 435-441.

Kanazawa, A., O’Dell, M. and Hellens, R. P. (2007) Epigenetic inactivation of chalcone synthase-A transgene transcription in petunia leads to a reversion of the post-transcriptional gene silencing phenotype. Plant Cell Physiol. 48, 638-647.

Nagamatsu, A., Masuta, C., Senda, M., Matsuura, H., Kasai, A., Hong, J.-S., Kitamura, K., Abe, J. and Kanazawa, A. (2007) Functional analysis of soybean genes involved in flavonoid biosynthesis by virus-induced gene silencing. Plant Biotechnol. J. 5, 778-790.

Shinozuka, H., Hisano, H., Yoneyama, S., Shimamoto, Y., Jones, E. S., Forster, J. W., Yamada, T. and Kanazawa, A. (2006) Gene expression and genetic mapping analyses of a perennial ryegrass glycine-rich RNA-binding protein gene suggest a role in cold adaptation. Mol. Genet. Genomics 275, 399-408.

Yoshino, M., Nagamatsu, A., Tsutsumi, K. and Kanazawa, A. (2006) The regulatory function of the upstream sequence of the β-conglycinin α subunit gene in seed-specific transcription is associated with the presence of the RY sequence. Genes Genet. Syst. 81, 135-141.

Otagaki, S., Arai, M., Takahashi, A., Goto, K., Hong, J.-S., Masuta, C. and Kanazawa, A. (2006) Rapid induction of transcriptional and post-transcriptional gene silencing using a novel Cucumber mosaic virus vector. Plant Biotechnol. 23, 259-265.

Fukuda, T., Maruyama, N., Kanazawa, A., Abe, J., Shimamoto, Y., Hiemori, M., Tsuji, H., Tanisaka, T. and Utsumi, S. (2005) Molecular analysis and physicochemical properties of electrophoretic variants of wild soybean Glycine soja storage proteins. J. Agric. Food Chem. 53, 3658-3665.

Koseki, M., Goto, K., Masuta, C. and Kanazawa, A. (2005) The star-type color pattern in Petunia hybrida ‘Red Star’ flowers is induced by the sequence-specific degradation of the chalcone synthase RNA. Plant Cell Physiol. 46, 1879-1883.

連絡先

〒060-8589

札幌市北区北９条西９丁目

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　専門分野

　　植物分子遺伝学

　出身

　北海道札幌市

社会貢献上の夢

　自分が指導した学生さんが活躍し、正しい判断をし

　てよりよい社会を作ってくれるようになるための手

　助けができること。

　RNAサイレンシングには、大別して二つの機構があることが知られています。一つは、DNAが転写されてRNAができる段階において、転写が阻害された結果、その遺伝子の産物（mRNAおよびタンパク質）の産生量が著しく減少して、遺伝子機能がなくなる機構（transcriptional gene silencing: 転写ジーンサイレンシング）です。例えば、哺乳類において父親・母親由来の対立遺伝子の一方だけが発現するように配偶子形成過程で遺伝子がマークされるゲノム・インプリンティングにはこうしたことが関わっています。もう一つは、転写が起きた後に特定の遺伝子のmRNAが分解され、その遺伝子の機能がなくなるという機構(post-transcriptional gene silencing: 転写後ジーンサイレンシング)です。この機構は、植物におけるコゥサプレッションの他、アカパンカビにおけるquellingという現象や、線虫やショウジョウバエで見つかったRNA interference (RNAi)という現象において共通にはたらいているということが、これらの生物種で得られた突然変異体を用いた解析ならびに生化学的な解析から明らかになっていま

す。上記の語にあるとおり、遺伝子の不活性化を示す用語として「ジーンサイレンシング」という用語が、少なくとも1970年代から使われてきました。研究が進んでRNAがさまざまなジーンサイレンシングの現象に関わることが明らかになった結果、RNAが関与して起きるジーンサイレンシングの現象を総称して「RNAサイレンシング」と呼ぶようになりました。これらの現象においては、21-24 個のヌクレオチドからなるRNAが関与して、それらと相同な塩基配列を持ったmRNAが分解される反応が起きる、あるいは、それらと相同な塩基配列を持ったDNAにメチル基を付与する「メチル化」という現象が誘導されてエピジェネティックな機構による転写抑制が起きることが知られています。

RNAサイレンシングは、動植物の病原となるウイルスや、トランスポゾンによるゲノム構造および遺伝子発現の撹乱に対して、真核生物が進化の過程で獲得した自己防御機構であるという概念が提唱されています。また、生物の進化を構成する主要な要素となる交雑やゲノムの倍数化の過程においても遺伝子発現の変動が起きることが知られ、そこにはRNAサイレンシングならびにエピジェネティックな機構による制御が関わっていることが次第に明らかになってきました。自然界にはこれらの機構が関わる未知の生命現象がたくさん隠されているに違いありません。こうしたことを背景として、私たちの研究グループでは、RNAサイレンシングとエピジェネティクスに関する研究を主体として、生物の持つ遺伝情報の進化と遺伝子発現制御機構の進化の関係を解きほぐし、種分化の機構、さらには生物の多様性を理

解することを目指しています。また、RNAサイレンシングとエピジェネティクスを利用して新しい植物資源を創成し、育種に利用する研究を行っています。例えば、RNAサイレンシングにより生産上重要な形質発現の機構解明を行うことや、エピジェネティックな視点から人の健康維持に役立つ植物成分を同定することなどの研究を展開しています。具体的な研究内容は以下のとおりです。

参考）最近の論文から

RNAiが医療に使える可能性がでてきたことも関連して、RNAサイレンシングに関する研究は2000年前後からいっそう盛んになりました。RNAサイレンシングの機構の一つとして、転写後にRNAが塩基配列特異的な分解を受けることは、1990年にカルコーン合成酵素 (CHS) 遺伝子を導入したペチュニアを用いた研究によって明らかになりました。その後、さまざまな生物で、外来遺伝子や二本鎖RNAを導入することで同様な現象がおきることが示されました。では、外来の核酸を導入していない細胞では、こうしたRNAサイレンシングはおきうるのでしょうか？

ペチュニアのレッドスターという品種は、その名のとおり、赤色地に白色の星型の模様の花を咲かせます。園芸植物であるペチュニアの育種は1830年代に欧州の人が南米から持ち帰った野生の植物を交配したことに始まります。レッドスターのような美しい模様を持った植物は、ペチュニアの育種の歴史の中で、その初期から作られていましたが、なぜ、そのような模様が作られるのかは解明されていませんでした。私たちの研究グループでは、この論文で、レッドスターの星型模様の形成が、アントシアニン色素を合成するCHS遺伝子の転写後のRNA分解によっておきていることを証明しました。転写後のRNA分解によって内在性遺伝子の発現が制御されていることを証明した例は（micro RNAによる制御を除いては）このレッドスターの例を含めて、まだ数例しかありません。

この論文は、重要論文を推薦するウェブサイト、Faculty of 1000において、以下のように紹介されています。

“This paper confirms the long-held suspicion that the red and white patterned petals of the commercial petunia variety 'Red Star' result from an RNAi-type mechanism that specifically degrades the mRNA of the pigment gene chalcone synthase (CHS) in unpigmented sectors. Thus, prior to the discovery of cosuppression (or RNAi) of CHS by sense transgenes in petunia, plant breeders selected a naturally occurring case of this important gene silencing mechanism.” (Marjori Matzke, Austrian Academy of Sciences, Austria)

花弁においてRNAサイレンシングによる模様を形成するペチュニア品種「レッド・スター」

1) RNAサイレンシングの誘導機構の解明とその利用

ペチュニアの花の模様形成を指標にしてRNAサイレンシングの誘導機構を解明することをはじめ、ダイズ、シロイヌナズナ、タバコなど、さまざまな植物を用いて、RNAサイレンシングの誘導ならびに細胞間や世代間での伝達機構を研究しています。これらの研究を進めることにより、RNAサイレンシングの効率や精度を高めた分子育種の技術開発が可能になります。

2) エピジェネティックな機構による遺伝子発現制御を利用した分子育種

エピジェネティックな変化を誘導することを介して植物の形質を改変し、有用な形質を付与した植物を作出する、エピミュータジェネシスに関する研究を進めています。

3) トランスポゾンの転移制御とその利用

ダイズで発見したトランスポゾンの転移を制御するジェネティックおよびエピジェネティックな機構を明らかにし、育種に利用可能な突然変異集団を作出することを行っています。

これらの研究に加えて、イオンビームを利用したダイズ突然変異集団の作出、ダイズの種子貯蔵タンパク質の遺伝子発現制御、イネにおける生殖関連形質に関する研究等を共同研究により行っています。

このような観点から、植物の遺伝学や分子育種に関する研究に意欲的に取り組む大学院生を募集しています。

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北海道大学大学院農学研究院

金澤　章

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