Mechanisms underlying maintenance of genome integrity by DNA methylation

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 19H05740
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中西 真 東京大学, 医科学研究所, 教授 (40217774)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤 泰子 東京工業大学, 生命理工学院, 准教授 (10623978) ; 鵜木 元香 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 准教授 (30525374)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥171,600,000 (Direct Cost: ¥132,000,000、Indirect Cost: ¥39,600,000); Fiscal Year 2023: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000); Fiscal Year 2022: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2021: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000); Fiscal Year 2020: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2019: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000)
• Keywords: DNAメチル化複製 / 疾患 / DNAメチル化 / ゲノム安定性 / 岡崎フラグメント / DNA損傷

Outline of Research at the Start

中西はツメガエル卵抽出液を用いた生化学的や培養細胞を用いた細胞生物学的、鵜木はICF細胞を用いた細胞生物学的、藤は植物を用いた遺伝学的手法を利用し、DNAメチル化によるラギング鎖複製制御機構を解明する。具体的には、UHRF1依存的なラギング鎖合成制御の分子機構について、(1) UHRF1とLIG1の相互作用制御ドメインの同定と結合制御機構の解明や、DNA複製ストレス存在下におけるLIG1リクルート制御機構の解析、(2) UHRF1除去による岡崎フラグメント連結異常(連結効率、フラグメント長、配置)の解析、(3) ICF細胞におけるLIG1制御機構の解析を中心に実施する。

Outline of Annual Research Achievements

中西は、DNA複製過程における岡崎フラグメント連結がアフリカツメガエル卵細胞抽出液において再構成可能であることを見出した。この系を用いて、解析したところLIGは岡崎フラグメントの連結に重要な役割を果たしているが、必須の因子ではないことがわかった。LIG1欠損下においては、LIG3/XRCC1複合体が岡崎フラグメント連結不備により生じるDNA一本鎖切断を認識して相補的に岡崎フラグメント連結を触媒することがわかった。またこの際、PARPによるヒストンH3分子のPAR化分子マーカーとして機能することがわかった。本研究成果はNucleic Acid Research誌に掲載予定となっている。藤は、DNAメチル化の消失がDNA複製阻害時DNA傷害感受性に影響するシロイヌナズナゲノム領域の同定を行った。また、これまで遺伝子内DNAメチル化の確立過程については謎であったが、藤らは遺伝子内DNAメチル化の確立過程を知る手がかりとしてトランスポゾン遺伝子をモデルケースとしたDNAメチル化変異体交配系の解析を行い、論文をNature Plants誌に発表した。鵜木は、ICF症候群では、CDCA7及びHELLSの変異により、DNMT1/UHRF1維持DNAメチル化複合体が新規合成DNA鎖上に集積できなくなる事で、ペリセントロメア反復配列の低メチル化が起こり、これが異常な転写とRループ形成を引き起こす事でDNA損傷が惹起され、染色体が不安定化する事を見出した。本研究成果はScientific Reports誌に掲載された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

中西は、岡崎フラグメント連結についてアフリカツメガエル卵細胞抽出液を用いた試験管内での再構成を成功させることができ、この分子基盤の解明が可能となったことから研究計画が予定通りに進んでいると判断している。またStellaによるDNAメチル化複製制御については、本領域の海外協力者であるLeonhardt博士との共同研究を行い、StellaがUHRF1と強く特異的に結合し、UHRF1のヘミメチル化DNAとの結合や、UHRF1によるPAF15、ヒストンH3の認識を強く阻害し、DNAメチル化複製を阻害することが分かった。これらの研究成果はNature Communications誌に掲載された。藤は、新しいDNAメチル化解析手法の導入により簡便に全ゲノムメチル化解析が可能になり、令和元年度の遅延を補うだけでなくコロナ禍の中においても研究が進んだ。論文発表も行うことができ、順調に研究は進んでいると考える。鵜木はCDCA7/HELLS複合体が、DNMT1/UHRF1複合体の新規合成DNA鎖上への集積を促進する事で、維持DNAメチル化に重要な役割を果たしている事を示す事ができ、非常に順調に研究が進んでいると考える。

Strategy for Future Research Activity

中西は、アフリカツメガエル卵細胞抽出液を用いた岡崎フラグメント連結制御を再構成するできたことを受けて、UHRF1分子の岡崎フラグメント連結における役割を解析する予定である。とりわけ、LIG3/XRCC1非存在下においてのLIG1の集積やフラグメント連結活性について詳細に解析を加える。また哺乳動物細胞を用いてUHRF1非存在下におけるゲノム安定性について岡崎フラグメント連結不全の面から明らかにしていく予定である。藤は、遺伝子内DNAメチル化の確立過程についての解析を、トランスポゾン遺伝子内のDNAメチル化確立過程をモデルケースに進めるとともに、DNAメチル化の消失がDNA複製阻害時DNA傷害感受性に与える影響の分子生物学的な解析やDNA傷害応答変異体との多重変異体の解析を進める。鵜木はICF症候群の原因遺伝子の変異は、細胞種や動物種によって及ぼす影響が異なり、CDCA7やHELLSの機能を代償する機構の存在が示唆されているため、この代償機構の候補であるそれぞれのタンパク質のパラログ（CDCA7LとSMARCA5）の機能解析を通して、ICF症候群患者で認められる様々な症状の理解を深める。

Research Products

• [Journal Article] A 3D tissue model-on-a-chip for studying the effects of human senescent fibroblasts on blood vessels (2021)
  • Author(s): Pauty Joris、Nakano Shizuka、Usuba Ryo、Nakajima Tadaaki、Johmura Yoshikazu、Omori Satotaka、Sakamoto Naoya、Kikuchi Akihiko、Nakanishi Makoto、Matsunaga Yukiko T.
  • Journal Title: Biomaterials Science Volume: 9 Issue: 1 Pages: 199-211
  • DOI: 10.1039/d0bm01297a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Senolysis by glutaminolysis inhibition ameliorates various age-associated disorders (2021)
  • Author(s): Johmura Yoshikazu、Yamanaka Takehiro、Omori Satotaka、Wang Teh-Wei、Sugiura Yuki、Matsumoto Masaki、Suzuki Narumi、Kumamoto Soichiro、Yamaguchi Kiyoshi、Hatakeyama Seira、Takami Tomoyo、Yamaguchi Rui、Shimizu Eigo、Ikeda Kazutaka、Okahashi Nobuyuki、Mikawa Ryuta、Suematsu Makoto、Arita Makoto、Sugimoto Masataka et al
  • Journal Title: Science Volume: 371 Issue: 6526 Pages: 265-270
  • DOI: 10.1126/science.abb5916
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TP53/p53-FBXO22-TFEB controls basal autophagy to govern hormesis (2021)
  • Author(s): Suzuki Narumi、Johmura Yoshikazu、Wang Teh-Wei、Migita Toshiro、Wu Wenwen、Noguchi Rei、Yamaguchi Kiyoshi、Furukawa Yoichi、Nakamura Shuhei、Miyoshi Ichiro、Yoshimori Tamotsu、Ohta Tomohiko、Nakanishi Makoto
  • Journal Title: Autophagy Volume: 11 Issue: 11 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1897961
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthetic hyperacetylation of nucleosomal histones (2020)
  • Author(s): Kajino Hidetoshi、Nagatani Tomomi、Oi Miku、Kujirai Tomoya、Kurumizaka Hitoshi、Nishiyama Atsuya、Nakanishi Makoto、Yamatsugu Kenzo、Kawashima Shigehiro A.、Kanai Motomu
  • Journal Title: RSC Chemical Biology Volume: 1 Issue: 2 Pages: 56-59
  • DOI: 10.1039/d0cb00029a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] FBXO22, an epigenetic multiplayer coordinating senescence, hormone signaling, and metastasis (2020)
  • Author(s): Johmura Yoshikazu、Harris Alexander S.、Ohta Tomohiko、Nakanishi Makoto
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 111 Issue: 8 Pages: 2718-2725
  • DOI: 10.1111/cas.14534
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two mouse models carrying truncating mutations in Magel2 show distinct phenotypes (2020)
  • Author(s): Ieda Daisuke、Negishi Yutaka、Miyamoto Tomomi、Johmura Yoshikazu、Kumamoto Natsuko、Kato Kohji、Miyoshi Ichiro、Nakanishi Makoto、Ugawa Shinya、Oishi Hisashi、Saitoh Shinji
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 8 Pages: e0237814-e0237814
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0237814
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of a p16 Reporter Mouse and Its Use to Characterize and Target p16high Cells In Vivo. (2020)
  • Author(s): Omori S, Wang TW, Johmura Y, ..., Sakamoto T (15番目), ..., Nakanishi M.
  • Journal Title: Cell Metab Volume: 32 Issue: 5 Pages: 814-828
  • DOI: 10.1016/j.cmet.2020.09.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent evolution of a TET-controlled and DPPA3/STELLA-driven pathway of passive DNA demethylation in mammals (2020)
  • Author(s): Mulholland Christopher B.、Nishiyama Atsuya、(19名) Nakanishi Makoto、Bultmann Sebastian、Leonhardt Heinrich
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19603-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CDCA7 and HELLS suppress DNA:RNA hybrid-associated DNA damage at pericentromeric repeats (2020)
  • Author(s): Unoki Motoko、Sharif Jafar、Saito Yuichiro、Velasco Guillaume、Francastel Claire、Koseki Haruhiko、Sasaki Hiroyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 17865-17865
  • DOI: 10.1038/s41598-020-74636-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RNA interference-independent reprogramming of DNA methylation in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): To Taiko Kim、Nishizawa Yuichiro、Inagaki Soichi、Tarutani Yoshiaki、Tominaga Sayaka、Toyoda Atsushi、Fujiyama Asao、Berger Frederic、Kakutani Tetsuji
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 6 Issue: 12 Pages: 1455-1467
  • DOI: 10.1038/s41477-020-00810-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced processivity of Dnmt1 by monoubiquitinated histone H3 (2020)
  • Author(s): Y. Mishima, L. Brueckner, S. Takahashi, T. Kawakami, J. Otani, A. Shinohara, K. Takeshita, R. G. Garvilles, M. Watanabe, N. Sakai, H. Takeshima, C. Nachtegael, A. Nishiyama, M. Nakanishi, K. Arita, K. Nakashima, H. Hojo, I. Suetake
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 25 Issue: 1 Pages: 22-32
  • DOI: 10.1111/gtc.12732
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two distinct modes of DNMT1 recruitment ensure stable maintenance DNA methylation (2020)
  • Author(s): A. Nishiyama, C. Mulholland, S. Bultmann, S. Kori, A. Endo, Y. Saeki, W. Qin, C. Trummer, Y. Chiba, H. Yokoyama, S. Kumamoto, T. Kawakami, H. Hojo, G. Nagae, H. Aburatani, K. Tanaka, K. Arita, H. Leonhardt, M. Nakanishi
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1222-1222
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15006-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of ZBTB24 protein domains and motifs for heterochromatin localization and transcriptional activation (2019)
  • Author(s): Aktar Sharmin、Sasaki Hiroyuki、Unoki Motoko
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 24 Issue: 11 Pages: 746-755
  • DOI: 10.1111/gtc.12723
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Isozyme-Specific Role of SAD-A in Neuronal Migration During Development of Cerebral Cortex (2018)
  • Author(s): Nakanishi Keiko、Niida Hiroyuki、Tabata Hidenori、Ito Tsuyoshi、Hori Yuki、Hattori Madoka、Johmura Yoshikazu、Yamada Chisato、Ueda Takashi、Takeuchi Kosei、Yamada Kenichiro、Nagata Koh-ichi、Wakamatsu Nobuaki、Kishi Masashi、Pan Y Albert、Ugawa Shinya、Shimada Shoichi、Sanes Joshua R、Higashi Yujiro、Nakanishi Makoto
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 160 Issue: 9 Pages: 721-721
  • DOI: 10.1093/cercor/bhy253
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 老化を制御する (2021)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 第34回神戸臨床腫瘍研究会
  • Invited
• [Presentation] 老化細胞での細胞死誘導 (2021)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 千里ライフサイエンスセミナー「細胞死研究の新展開」
  • Invited
• [Presentation] 老化を制御する (2021)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 第39回サイトプロテクション研究会
  • Invited
• [Presentation] クロマチンリモデリングと染色体安定性 (2021)
  • Author(s): 鵜木元香、佐々木裕之
  • Organizer: 第14回日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] クロマチンリモデリングと染色体安定性 (2021)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 蛋白研セミナー「多角的な視点によるタンパク質修飾の機能解明」
  • Invited
• [Presentation] CDCA7とHELLSはペリセントロメア反復配列のDNA:RNAハイブリッドに起因するDNA損傷を抑制する (2021)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 第38回染色体ワークショップ・第19回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] トランスポゾンの遺伝子コード領域および非コード領域におけるヘテロクロマチンの消失とその継世代的回復 (2021)
  • Author(s): 藤 泰子
  • Organizer: 第38回染色体ワークショップ・第19回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] UHRF1-dependent LIG1 recruitment on Lagging strand regulates Okazaki fragment joining (2020)
  • Author(s): Makoto Nakanishi
  • Organizer: EPIGENETICS & CHROMATIN
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 老化を制御する (2020)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 福島県立医科大学医学部泌尿器科学講座リサーチセミナー
  • Invited
• [Presentation] CDCA7 and HELLS suppress DNA:RNA hybrid-associated DNA damage at pericentromeric repeats (2020)
  • Author(s): Motoko Unoki, Jafar Sharif, Yuichiro Saito, Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] CDCA7とHELLSはペリセントロメア反復配列のDNA:RNAハイブリッドに起因するDNA損傷を抑制する (2020)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 日本環境変異学会第49回大会
  • Invited
• [Presentation] CDCA7 and HELLS suppress DNA:RNA hybrid-associated DNA damage at pericentromeric repeats (2020)
  • Author(s): Motoko Unoki, Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 日本人類遺伝学会第65回大会
• [Presentation] クロマチンリモデリングと染色体安定性-ICF症候群の分子病態研究から見えてきたこと (2020)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 日本遺伝学会第92回大会
• [Presentation] 染色体の安定性はどのように維持されているのか？ICF症候群の原因遺伝子の機能解析から見えてきたこと (2020)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 加齢研研究員会セミナー
  • Invited
• [Presentation] 染色体の安定性はどのように維持されているのか？ICF症候群の原因遺伝子の機能解析から見えてきたこと (2020)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: 浜松医科大学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 染色体の安定性はどのように維持されているのか？ICF症候群の原因遺伝子の機能解析から見えてきたこと (2020)
  • Author(s): 鵜木元香
  • Organizer: ダイバーシティCHIBA研究環境促進コンソーシアム「スキルアップセミナー」
  • Invited
• [Presentation] 細胞老化の代謝的特性とSenolysis (2019)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 第28回 日本Cell Death学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 細胞老化と加齢性疾患 (2019)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 第81回 日本血液学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Metabolic vulnerability in senescent cells (2019)
  • Author(s): 中西 真
  • Organizer: 第42回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] ICF症候群の分子病態におけるCDCA7/HELLS複合体と非相同末端修復の関係性 (2019)
  • Author(s): 鵜木元香、船引宏則、佐々木裕之
  • Organizer: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] Role of the CDCA7/HELLS chromatin remodeling complex in genome stability (2019)
  • Author(s): Motoko Unoki, Hironori Funabiki, Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] CDCA7/HELLSクロマチンリモデリング因子とNHEJ/ICF症候群の分子病態の解明に向けて (2019)
  • Author(s): 鵜木元香、船引宏則、佐々木裕之
  • Organizer: 第２５回DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] Relationship between the CDCA7/HELLS chromatin remodeling complex and NHEJ in molecular pathogenesis of ICF syndrome (2019)
  • Author(s): Motoko Unoki, Hironori Funabiki, Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 第14回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between the CDCA7/HELLS chromatin remodeling complex and NHEJ in molecular pathogenesis of ICF syndrome (2019)
  • Author(s): Motoko Unoki, Hironori Funabiki, Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] トランスポゾンの遺伝子コード領域および非コード領域におけるヘテルクロマチンの消失とその継世代的回復 (2019)
  • Author(s): 藤 泰子
  • Organizer: 日本遺伝学会 第９１回大会
• [Presentation] RNA interference-independent reprogramming of DNA methylation in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): 藤 泰子
  • Organizer: 第42回日本分生物学会年会 ワークショップ エピゲノム複製機構が解き明かすゲノム安定性とクロマチンオーガニゼーションのクロストーク
• [Book] Plant Omics: Advances in Big Date Biology (2021)
  • Author(s): To TK, KIM JM
  • Publisher: Springer Link
• [Book] もっとよくわかる！エピジェネティクス (2020)
  • Author(s): 鵜木 元香、佐々木 裕之
  • Total Pages: 190
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758122078