【研究室紹介】田中（寛）・今村研究室

細胞システムの理解からそのデザインへ

2016.10.06

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、細胞システムの理解からそのデザインを目指す、田中（寛）・今村研究室です。

教授田中寛（左）　准教授今村壮輔（右）

ライフエンジニアリングコース
教授田中寛　准教授今村壮輔

キーワード	分子遺伝学、光合成、エネルギー代謝、光環境応答、窒素飢餓応答、ストレス応答、リボソーム、バクテリア、オルガネラ、細胞共生、階層性、進化、藻類バイオマス
Webサイト	田中（寛）・今村研究室

研究紹介

教授　田中寛

私たち生物は細胞を基本単位として生命活動を営んでいます。そして現代の生命科学は、この細胞に含まれる様々な生体分子の構造や機能の解明に成功してきました。しかし、これら分子それぞれの機能を足し合わせても、増殖や分化、多様性形成のような細胞の挙動を十分に理解することはできていません。これは、生きている細胞の仕組みが極めて複雑であるからです。

そこで、私たちは細胞の進化を辿り、現在の細胞がどのように成り立ってきたかを考察しています。細胞は、細胞核をもつ真核細胞と、細胞核のない原核細胞とに区別されますが、真核細胞は原核細胞同士の共生により誕生しました。したがって、細胞共生のしくみを深く理解すれば、真核細胞の基本的な枠組みを知ることができるでしょう。このような視点から、植物細胞を誕生させたシアノバクテリアの細胞共生、細胞核と葉緑体の関わりについて、原始的な藻類（シゾン）を用いた研究を進めています。

また、光合成や呼吸、発酵のようなエネルギー代謝は、どれも生命が原核細胞の時代に作り上げたプロセスであり、現在もすべての生命活動を支えています。当研究室ではこのようなエネルギー代謝が細胞内でどのように維持され、細胞活動を支えているかについて、シアノバクテリアや大腸菌を材料として研究しています。

私たちはこのような進化の視点から細胞を見つめ、生物を構成する細胞の枠組みを理解し、生物のデザインや応用に結びつける基礎理論の構築を目指しています。

准教授　今村壮輔

窒素は、アミノ酸や核酸などの主要生体分子の構成元素であり、生物にとって極めて重要です。それ故、窒素代謝の制御に関わる研究は盛んに行われており、「窒素シグナルの受容、シグナル伝達、最終的な応答反応」に至るまでの一連の流れが明らかになっています。しかしそれは、真核生物の内、酵母や動物に限られた話であり、植物においての知見については不明な点が多く残されています。その理由として、多くの制御系・実験系が植物では複雑であることなどが挙げられます。

私たちは、植物の中でも特に単純な制御系を持つと考えられている、単細胞藻類 Cyanidioschyzon merolae に着目し、植物における窒素代謝の基本制御系を明らかにすることを試みています。これまでに、植物で不明であった、窒素同化系を制御する転写因子の同定や、窒素同化経路の全体像解明を明らかにしてきました。しかし、植物細胞がどのようにして窒素源を感知し、そのシグナルを各々のオルガネラに伝えているのかなど、多くの謎が残されており、その解明に取り組んでいます。これらを通して、植物一般に通じる窒素代謝の基本制御系、ひいては、植物の環境適応戦略機構を明らかにして行きたいと考えています。

また、窒素欠乏時において、藻類は油脂や糖質などの有用なバイオマスを高蓄積します。それらバイオマスは、化石資源に替わる循環型エネルギー資源や炭素資源として有望視されていますが、バイオマス生産性向上が実用化に向けて必要です。私たちは、前述した窒素代謝系の基本原理を、バイオマス生産性向上に応用した研究へと展開し、藻類バイオマス資源の有効的な利用促進に取り組んでいます。

藻類培養の様子（A）TORキナーゼ活性の人為的制御による油脂（図中の矢印）の蓄積誘導（B）とその制御モデル（C）

藻類培養の様子（A）
TORキナーゼ活性の人為的制御による油脂（図中の矢印）の蓄積誘導（B）とその制御モデル（C）

研究成果

教授　田中寛

代表論文: [1] Zeenat B. Noordally, Kenyu Ishii, Kelly A. Atkins, Sarah J. Wetherill, Jelena Kusakina, Eleanor J. Walton, Maiko Kato, Miyuki Azuma, Kan Tanaka, Mitsumasa Hanaoka and Antony N. Dodd (2013) Circadian Control of Chloroplast Transcription by a Nuclear-Encoded Timing Signal. Science 339, 1316-1319.; [2] Mitsumasa Hanaoka, Naoki Takai, Norimune Hosokawa, Masayuki Fujiwara, Yuki Akimoto, Nami Kobori, Hideo Iwasaki, Takao Kondo and Kan Tanaka (2012) RpaB, another response regulator operating circadian clock-dependent transcriptional regulation in Synechococcus elongatus PCC 7942. J. Biol. Chem. 287, 26321-26327.; [3] Yuki Kobayashi, Sousuke Imamura, Mitsumasa Hanaoka and Kan Tanaka (2011) A tetrapyrrole-regulated ubiquitin ligase controls algal nuclear DNA replication. Nature Cell Biol. 13, 483-487.; [4] Sousuke Imamura, Yu Kanesaki, Mio Ohnuma, Takayuki Inouye, Yasuhiko Sekine, Takayuki Fujiwara, Tsuneyoshi Kuroiwa and Kan Tanaka (2009) R2R3-type MYB transcription factor, CmMYB1, is a central nitrogen assimilation regulator in Cyanidioschyzon merolae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 12548-12553.; [5] Takashi Osanai, Masahiko Imashimizu, Asako Seki, Shusei Sato, Satoshi Tabata, Sousuke Imamura, Munehiko Asayama, Masahiko Ikeuchi and Kan Tanaka (2009) ChlH, the H subunit of Mg-chelatase, is an anti-sigma factor for SigE in Synechocystis sp. PCC 6803. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 6860-6865.; [6] Yuki Kobayashi, Yu Kanesaki, Ayumi Tanaka, Haruko Kuroiwa, Tsuneyoshi Kuroiwa and Kan Tanaka (2009) Tetrapyrrole signal as a cell cycle coordinator from organelle to nuclear DNA replication in plant cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 803-807.; [7] Sousuke Imamura, Mitsumasa Hanaoka and Kan Tanaka (2008) The plant-specific TFIIB-related protein, pBrp, is a general transcription factor for RNA polymerase I. EMBO J. 27, 2317-2327.; [8] Takashi Osanai, Takayuki Nakano, Hiroyuki Takahashi, Minoru Kanehisa, Munehiko Asayama, Makoto Shirai, Iwane Suzuki, Norio Murata and Kan Tanaka (2005) Positive regulation of sugar catabolic pathways in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 by the group 2 sigma factor SigE. J. Biol. Chem. 280, 30653-30659.; [9] Mitsumasa Hanaoka, Kengo Kanamaru, Makoto Fujiwara, Hideo Takahashi and Kan Tanaka (2005) A Switch in RNA Polymerase Usage Mediated by tRNAGlu During Chloroplast Development. EMBO Rep. 6, 545-550.; [10] Motomichi Matsuzaki, Osami Misumi, Tadasu Shin-I, Shinichiro Maruyama, Manabu Takahara, et al. (2004) Genome sequence of the ultra-small unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae 10D. Nature 428, 653-657.; [11] Ryohei Tanigawa, Masao Shirokane, Shin-ichi Maeda, Tatuso Omata, Kan Tanaka, and Hideo Takahashi (2002) Transcriptional activation of NtcA-dependent promoters of Synechococcus sp. PCC 7942 by 2-oxoglutarate in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 4251-4255.; [12] Kan Tanaka, Kosuke Oikawa, Niji Ohta, Haruko Kuroiwa, Tsuneyoshi Kuroiwa, and Hideo Takahashi (1996) Nuclear encoding of a chloroplast RNA polymerase sigma subunit in a red alga. Science 272, 1932-1935.; [13] Kan Tanaka, Yuko Tanayanagi, Nobuyuki Fujita, Akira Ishihama, and Hideo Takahashi (1993) Heterogeneity of the principal σ factor in Escherichia coli: The rpoS gene product, σ38, is a second principal σ factor of RNA polymerase in stationary-phase Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 3511-3515.; [14] Kan Tanaka, Tetsuo Shiina and Hideo Takahashi (1988) Multiple principal sigma factor homologs in eubacteria: Identification of the “rpoD Box.” Science 242, 1040-1042.

准教授今村壮輔

代表論文: [1] Imamura S. Kawase Y. Kobayashi I. Shimojima M. Ohta H. and Tanaka K. (2016) TOR (target of rapamycin) is a key regulator of triacylglycerol accumulation in microalgae. Plant Signal. Behav. 11(3) e1149285.; [2] Imamura S. Kawase Y. Kobayashi I. Sone T. Era A. Miyagishima SY. Shimojima M. Ohta H. and Tanaka K. (2015) Target of rapamycin (TOR) plays a critical role in triacylglycerol accumulation in microalgae. Plant Mol. Biol. 89(3) 309-318.; [3] Imamura S. Ishiwata A. Watanabe S. Yoshikawa H. and Tanaka K. (2013) Expression of budding yeast FKBP12 confers rapamycin susceptibility to the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae. Biochem. Biophys. Res. Commun. 439(2) 264-269.; [4] Imamura S. Terashita M. Maruyama S. Ohnuma M. Fujita Y. Omata T. and Tanaka K. (2010) Nitrate assimilatory genes and their transcriptional regulation in a unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae: Evidence for nitrite reduction by sulfite. Plant Cell Physiol. 51(5) 707-717.; [5] Imamura S. Kanesaki Y. Ohnuma M. Takayuki I. Sekine Y. Fujiwara T. Kuroiwa T. and Tanaka K. (2009) R2R3-type MYB transcription factor, CmMYB1, controls the expression of nitrogen assimilation genes in response to nitrogen status in the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106(30) 12548-12553.; [6] Imamura S. Hanaoka M. and Tanaka K. (2008) The plant-specific TFIIB-related protein, pBrp, is a general transcription factor for RNA polymerase I. EMBO J. 27(17) 2317-2327.; [7] Imamura S. Tanaka K. Shirai M. and Asayama M. (2006) Growth phase-dependent activation of nitrogen-related genes by a control network of group 1 and group 2 sigma factors in a cyanobacterium. J. Biol. Chem. 281(5) 2668-2675.; [8] Imamura S. Asayama M. and Shirai M. (2004) In vitro transcription analysis by reconstituted cyanobacterial RNA polymerase: Roles of group 1 and 2 sigma factors and a core subunit, RpoC2. Genes Cells 9(12) 1175-1187.; [9] Imamura S. Asayama M. Takahashi H. Tanaka K. Takahashi H. and Shirai M. (2003) Antagonistic dark/light-induced SigB/SigD, group 2 sigma factors, expression through redox potential and their roles in cyanobacteria. FEBS Lett. 554(3) 357-362.; [10] Imamura S. Yoshihara S. Nakano S. Shiozaki N. Yamada A. Tanaka K. Takahashi H. Asayama M. and Shirai M. (2003) Purification, characterization, and gene expression of all sigma factors of RNA polymerase in a cyanobacterium. J. Mol. Biol. 325(5) 857-872.

教員紹介

田中寛教授（農学博士）

1990年 3月	東京大学大学院農学系研究科農芸化学専攻博士課程修了
1990～1991年	日本学術振興会特別研究員
1991～1993年	東京大学応用微生物研究所助手
1993～1997年	東京大学分子細胞生物学研究所助手
1997～2007年	東京大学分子細胞生物学研究所准教授
2007～2011年	千葉大学大学院園芸学研究科教授
2011年より	現職
2000～2002年	国立遺伝学研究所客員助教授（併任）
2011年10月より	科学技術振興機構戦略的基礎研究推進事業（CRESTタイプ）研究者（兼任）

2002年	農芸化学奨励賞
2002年	日本農学進歩賞
2013年	竹田国際貢献賞

教育活動: 学部：植物生理学、光合成科学; 大学院：生物資源科学、ライフエンジニアリング概論第一

所属学会: 日本農芸化学会、日本植物生理学会、日本光合成学会、日本ゲノム微生物学会

今村壮輔准教授　博士（農学）

2005年	東京農工大学連合農学研究科生物工学専攻博士課程修了　博士（農学）取得
2001年	ヤマサ醤油株式会社製造本部醸造部研究員
2005年	東京大学博士研究員
2006年	日本学術振興会特別研究員PD
2009年	中央大学理工学部生命科学科助教
2012年より	現職
2011年より	科学技術振興機構戦略的基礎研究推進事業（CRESTタイプ）研究者（兼任）
2012年～2014年	中央大学研究開発機構機構准教授（兼任）