| Project Area | Genome modality: understanding physical properties of the genome |
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| Project/Area Number |
20H05934
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高田 彰二 京都大学, 理学研究科, 教授 (60304086)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
剣持 貴弘 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (10389009)
石本 志高 佐賀大学, 理工学部, 教授 (30391858)
山本 哲也 北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (40610027)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥135,850,000 (Direct Cost: ¥104,500,000、Indirect Cost: ¥31,350,000)
Fiscal Year 2024: ¥23,790,000 (Direct Cost: ¥18,300,000、Indirect Cost: ¥5,490,000)
Fiscal Year 2023: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2022: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000)
Fiscal Year 2021: ¥33,020,000 (Direct Cost: ¥25,400,000、Indirect Cost: ¥7,620,000)
Fiscal Year 2020: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000)
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| Keywords | クロマチン構造転移ダイナミクス / ゲノムDNAの構造転移ダイナミクス / SMCタンパク質 / 染色体ダイナミクス |
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| Outline of Research at the Start |
「ゲノムモダリティ」領域は、ゲノムの3次元的な物理構造とそれに起因した機能研究を目指す。領域内で唯一の理論研究である本研究課題は、領域の実験研究者との共同研究を通じて、計測データを物理モデルで説明することによって生物学的知見を深化させる。まず物理基盤として、DNAからヌクレオソーム、クロマチン、染色体に至るゲノムの階層構造をマルチスケールな物理理論・シミュレーション研究によって明らかにする(図1)。また、間期および分裂期の染色体構造はいかにして形成されるのかをSMCタンパク質（コヒーシン・コンデンシン）のDNAループ押出し機能を中心に、構造シミュレーションと物理モデルによって解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
SMCタンパク質のDNAループ押し出しの分子機構を解明するために、前年度に続き残基粒度を持つ粗視化分子動力学シミュレーションによって、バクテリアSMC蛋白質、およびコヒーシンのDNA結合様式を研究した。前年度構築したATP依存的構造モデルを用い、その間を遷移するシミュレーションを実現した。さらに、結合したDNAがATP依存的な構造変化に起因してどのように状態変化を起こすのかを解析した。またSMC頭部にDNAが結合するか否かでATP結合および加水分解活性にかかる変化が起こりうるか解析した。
ゲノムDNA高次構造転移が引き起こす遺伝子発現ON/OFFスイッチング機構の詳細を明らかにするために、蛍光顕微鏡によるDNA一分子計測を基軸として、無細胞系発現実験を実施するとともに、DNAとカチオンとの静電相互作用および対イオンの併進エントロピー効果を取り入れた理論モデルを構築することで、細胞内のゲノムDNAの巨視的な動的挙動を明らかにする。
メゾスケール高分子モデルに関しては，ヌクレオソーム衝突アルゴリズム及びリンカーDNA物性の初期実装を終え，ヒト体細胞核内のヌクレオソーム異常拡散を半定量的に再現する結果を得た。さらに高速大規模計算に向けて新規計算機システムの構築を進めたが，社会的状況により部分構築となった。岡田教授らと精子DNAの凝縮状態に関する実験や観測された現象に関して議論を重ねた。前者の結果は，複数の学会にて発表した。
分裂期染色体の形成に必要なDNA物性を明らかにするために、DNAの絡み合いを解消する活性を持つ因子であるtopo IIを減少させたときの染色体構造形成のモデルを構築した。ヒストンH1によるDNA間相互作用によって、DNAが膨潤した状態と収縮した状態が双安定になる。コンデンシンによるループ押し出しによってDNAを硬くなり、収縮した状態が安定になることを理論的に示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SMCタンパク質のDNAループ押し出しの分子機構研究について、ATP依存的な構造変化に伴う基質DNAの構造変化を捉えることに成功した。ループ押し出しの完全な解明にはまだ成功していないが、それに向けた足掛かりをつかんでいる。また、SMC頭部へのDNA結合がATP加水分解活性に及ぼす効果を、全原子分子動力学シミュレーションにより明らかにすることに成功した。
1価陽イオン(Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、(CH3)4N+)による遺伝子発現活性に対する寄与を無細胞系発現実験によって定量的に評価し、Rb+が最も強く遺伝子発現活性を促進することを見出し、イオン半径および水和エネルギーに関して最適値が存在することを明らかにした。さらに、溶液中のDNA鎖ゆらぎ計測から、ゲノムサイズDNA一分子の粘弾性係数の定量的な導出が可能となることも明らかにした。
ヌクレオソーム衝突アルゴリズムの開発、リンカーDNA物性の実装開発を行い、構造転移シミュレーションの短期実行を行った。さらに新規計算機システムの構築を行い、シミュレーション実施と取りまとめの予定であったが、新型コロナの影響で部品納期が遅延し、構築が中途となり、シミュレーションは部分的な実施に留まった。また，岡田教授らと精子DNAの凝縮状態に関する実験や観測された現象に関して議論を重ねた。
コンデンシンによるループ押し出し機構、DNAの絡み合い、H1によるDNA間相互作用を考慮に入れて、絡み合ったDNAが形成するスパークラーのモデルを構築した。ループ押し出しが起こると絡み合い点間の弾性に寄与するDNAユニットが減少し、DNAが硬くなるため、DNAの体積相転移を起こすことを理論的に示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度、SMCタンパク質のDNAループ押し出しの分子機構研究について、DNAセグメント捕捉過程を分析し、DNAループ押し出しの全貌に迫る。
溶液中のDNA一分子ゆらぎを計測し、時系列データの自己相関関数を求めることにより、一分子レベルの粘弾性係数を定量的に導出可能であることを本研究を推進する中で明らかにしてきている。今後は、この動的一分子計測実験の展開とシミュレーションによる理論的解析を並行して研究を推進し、生体高分子混雑環境や細胞膜の効果を考慮して、細胞環境下におけるゲノムDNAの高次構造と機能の動的特性の解明を目指す。
システムの再構築を行い、実装したヌクレオソーム衝突アルゴリズムの改良、およびR3年度に進めたリンカーDNA物性の実装を進め、高速大規模シミュレーションの初期実装を完成させる。研究成果の中間とりまとめを行い、研究集会等で成果発表を行う。また、A01-2班・瀧ノ上、A0 2-1班・岡田らと連携し、非ヌクレオソーム型精子クロマチン凝縮を解き明かすべく、具体的な凝縮現象への理論適用を検討する。
平野グループの実験的を参考にして、タンパク質因子の量と変異を変えたときの染色体構造のモデルを構築し、分裂期染色体形成に必要なDNAの物性を明らかにする。白髭グループの実験を参考にして、エンハンサによる転写活性機構のモデルを構築することによって、転写活性に必要なDNAの物性を明らかにする。
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