Research

Introduction

近年、大量な塩基配列を短時間で決定する次世代シークエンス機器が開発され、比較的容易にゲノム配列を決定できる時代に突入しました。それと並行して、RNAの発現領域を同定するトランスクリプトーム解析、さらに質量分析機を利用したタンパク質を網羅的に同定するプロテオーム解析および代謝産物を網羅的に同定するメタボローム解析など様々なゲノムレベルのデータ(オミックスデータ)を作成することも容易になってきました。今後の研究の目標は、これらを効率的に利用し、様々な形質・形態に関係する遺伝子を情報解析から推定し、実験的に遺伝子機能を明らかにする方法を開発することです。

The aim of my research is to link the relationship between phenotype and genome. In particular, I will develop methods to predict genes related to phenotypic changes from whole genome data such as genome sequences, gene expression data, metabolic profile, epigenetic profile. To examine whether the inferred genes are in fact associated with the expected functions, I will validate each gene function by experimental approaches. My research focuses on methylation, substitution mutation (point mutation) and insertion (duplication) in genes. However, these analyses assume that all genes in available genomes are annotated, which is not the case. Therefore, I will also identify novel genes in intergenic regions using a molecular evolutionary algorithm. Focusing on land plants, I propose two projects. First, using wild strains of Arabidopsis thaliana, I will identify key genes for the plant adaptation to natural environments by focusing on secondary metabolites (Project 1). Second, I will try to identify genes related to agriculturally important traits by experimental analysis of novel coding genes identified by evolutionary analyses (Project 2).

種内の多様性を利用

様々な形質・形態に関係する遺伝子を同定するためには、対象となる遺伝子以外はほとんど同じゲノムを持っていると解析が容易くなります。そこで、同じ生物種であり、生殖交配ができるにも関わらず、様々な地域で隔離して自生していることで、形態や形質に多様性を持つシロイヌナズナを利用します。様々な地域で自生しているシロイヌナズナの生態株のゲノム配列およびトランスクリプトームデータから、SNPおよび遺伝子発現プロファイルを構築し、異なる環境条件での適応に重要な遺伝子を推定する研究を推進します。既に、シロイヌナズナの地域情報が明らかである75の地域から採取されたシロイヌナズナの生態株を用いて、全遺伝子の発現量、約200種類の2次代謝産物の多様性および相対成長速度を定量しました。現在では、ゲノム関連解析を通じて、二次代謝産生合成や相対成長速度に関係する遺伝子を同定しました。同定された遺伝子の形質転換体を構築し、期待される表現型があらわられるかを再確認しています。今後は、シロイヌナズナに近縁な非モデル生物種であるハクサンハタザオおよびダイコンで、ドラフトゲノムを次世代シークエンスで構築し、共同研究者を通じて様々な地域で自生している生態株の形質情報(フェノーム）、代謝産物情報（メタボローム）およびゲノム情報(ゲノム配列、トランスクリプトーム)を獲得し、同様な方法で、非モデル生物種においても様々な形質に関係する遺伝子を同定していきたいと考えています。

Variation of phenotypic effects in Arabidopsis accessions

Being sessile organisms, plants produce a huge diversity of defense chemicals, known as secondary metabolites, which has been selected throughout the course of evolution in different plant lineages to adapt to a variety of biotic and abiotic environments. These metabolites are useful sources for pharmaceuticals such as anticancer and antimalarial drugs. The genomes of many wild isolates of Arabidopsis thaliana have been sequenced. I have grown 76 strains from seed available from Arabidopsis Biological Resource Center (ABRC) and examined the variation in expression of all the genes, as well as the concentrations of approximately 500 secondary metabolites. It should be noted that general association studies have identified a wide range of loci associated with a phenotypic trait using only SNP data. I am currently developing a new method that can infer genes associated with a phenotypic trait by the polymorphism of both SNP and gene expression. Once the phenotypic genes related to each metabolite are identified, I will experimentally validate whether or not knock-out mutants of the targeted genes have altered targeted metabolite profiles. Currently, many targeted genes are associated with the production of metabolites, but the genes are not enzyme-encoding genes. I will further examine the mechanism by which the non-enzyme-encoding genes trigger metabolite production.

短い遺伝子の機能解析

ゲノムを構築後に、遺伝子を同定する技術を向上させる研究も推進していきたいと思っています。既に推進している既知の遺伝子間隙に存在する短いコーディング遺伝子の研究を推進していく予定です。私は、植物のモデル生物種であるシロイヌナズナで、多数の短い遺伝子を新規に同定することに成功し、現在までに、過剰発現させると、形態形成の異常あるいはストレス（乾燥、高温、高塩）耐性を示す約100個の短い遺伝子を見出しています。これらの新規の短い遺伝子にコードされているペプチドの中には、ホルモン様の機能（細胞から分泌され細胞間のシグナル伝達を行い植物の生理活性に重要な役割）を示すものが存在することがわかっています。細胞外に分泌される遺伝子に着目し、その遺伝子がコードするペプチドを人工的に合成し、シロイヌナズナの植物体に投与すると過剰発現体と同様の生理活性を付加できることを明らかにしています。今後は、分泌型ペプチドがシグナル伝達を作動させるメカニズムを明らかにする予定です。

Identigy novel small coding genes throughout transcriptome, proteome and phenome.

To study non-annotated genes, I am focusing on small coding genes in intergenic regions because the products of many small genes, such as small peptides, have hormone-like functions and can play an important role in cell-cell interactions. However, small coding genes tend not to be annotated as genes. I have identified approximately 7000 novel small coding genes in the A. thaliana genome. I obtained expression profiles of these newly identified genes under about 50 conditions using a custom microarray developed by me. Currently, I am focusing on small coding genes with high expression and high homology in other plant genomes, and on the amino acid composition of hormone-like peptides in A. thaliana. I have identified many hormone-like peptide candidates by analyzing the over-expression of several targeted genes. The identification of hormone-like peptides is very important for crop plants because only the treatment of synthesized peptides induces morphological effect, abiotic or biotic stress tolerance in crop plants but do not generate transgenic plants for giving such the traits. Much genomic data is available for other plant species. Using as much biological information as possible, I would like to infer the key genes for phenotype evolution. Subsequently, I will validate whether or not the predicted phenotypic genes have the predicted function by either over-expression or knock-out analysis. I therefore intend to study comparative genomics either between species or within the same species by both computational and experimental analyses.