超好熱性アーキアに存在する極限環境下の特異的ＤＮＡ修復機構の解明

• Project/Area Number: 14J09354
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied biochemistry
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 白石 都 九州大学, 生物資源環境科学府, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: DNA修復 / アーキア / 真正細菌 / Endonuclease Q / PCNA / Endonulcease Q / Extremophiles / DNA 損傷

Outline of Annual Research Achievements

遺伝情報を担うDNAは、細胞内外からのストレスにより、絶えず損傷を生じる。中でも塩基の脱アミノ化は最も頻発するDNA損傷の一つである。脱アミノ化部位の修復が行われなければ、遺伝情報の変化・損失を招く。そのため、すべての生物はDNA修復機構を有し、遺伝情報の恒常性維持に努めている。これまでの我々の研究においてDNA修復に関与すると考えられる新規の酵素、Endonuclease Q (EndoQ)を超好熱性アーキアより発見した。
EndoQは配列上、アーキアのThermococcales属と一部のメタン生成菌に保存されているが、一部の真正細菌にも保存されている。そこで、常温性メタン生成菌（Methanosarcina acetivorans）と真正細菌（Bacillus pumilus）由来のEndoQを生化学的に機能解析を行ったところ、これらはEndoQの活性を示した。つまり、EndoQが一部のアーキアと一部の真正細菌において機能的にDNA修復に関与しうることが明らかになった。
さらに、EndoQはすでに報告されている修復タンパク質と一部基質特異性が重複するため、ゲノム配列上にEndoQを含む複数の脱アミノ化塩基修復タンパク質を有するMethanosarcina acetivoransを用いて、細胞内脱アミノ化塩基修復経路の役割分担を調べた結果、このアーキアが各脱アミノ化塩基に対して複数の酵素活性を保持していることが明らかになった。さらに、アーキアにおける修復遺伝子の分布解析により、それらは個々に独立した系で修復に関与することが示唆された。
以上の結果をもとに、極限環境下というDNA損傷が起こりやすい環境に生息する生物、あるいはDNA損傷の頻度が高い環境下の初期の生命体が、遺伝情報を保持するためにどのように特有の機構を獲得してきたのかに関して洞察を行った。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Illinois(米国)
• [Journal Article] A Functional Endonuclease Q exists in the Bacterial domain ~Identification and Characterization of Endonuclease Q from Bacillus pumilus ~ (2017)
  • Author(s): Shiraishi, M., Ishino, S., Cann, I., & Ishino, Y.
  • Journal Title: Biosci. Biotech. Bioch. Volume: 81 Pages: 931-937
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] PCNA is involved in the EndoQ-mediated DNA repair process in Thermococcales. (2016)
  • Author(s): Shiraishi, M., Ishino, S., Yoshida, K., Yamagami, T., Cann, I., & Ishino, Y.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: in press
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] EndoQ and EndoV work individually for damaged DNA base repair in Pyrococcus furiosus. (2015)
  • Author(s): Ishino, S, Makita, N, Shiraishi, M, Yamagami, T, and Ishino, Y.
  • Journal Title: Biochimie Volume: 118 Pages: 264-269
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A novel endonuclease that may be responsible for damaged DNA base repair in Pyrococcus furiosus (2015)
  • Author(s): Shiraishi, M., Ishino, S., Yamagami, T., Egashira, Y., Kiyonari, S., and Ishino, Y.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res Volume: 5 Issue: 5 Pages: 2853-2863
  • DOI: 10.1093/nar/gkv121
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] A novel DNA repair pathway for damaged bases in Thermococcles (2016)
  • Author(s): Miyako Shiraishi, Sonoko Ishino, Yuriko Egashira, Shinichi Kiyonari, Takeshi Yamagami, Isaac Cann, and Yoshizumi Ishino.
  • Organizer: Extremophiles 2016, 11th International Congress on Extremophiles
  • Place of Presentation: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-09-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel DNA repair pathway found in achaeal order Thermococcales (2016)
  • Author(s): Miyako Shiraishi, Sonoko Ishino, Yuriko Egashira, Shinichi Kiyonari, Takeshi Yamagami, Isaac Cann, and Yoshizumi Ishino
  • Organizer: Focused Meeting 2016: Molecular Biology of Archaea 5
  • Place of Presentation: London School of Hygiene and Tropical Medicine (UK)
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel endonuclease responsible for damaged DNA repair in archaeal order Thermococcales (2016)
  • Author(s): Miyako Shiraishi, Sonoko Ishino, Yuriko Egashira, Shinichi Kiyonari, Takeshi Yamagami, Issac Cann, and Yoshizumi Ishino.
  • Organizer: 日本農芸化学会2016年度大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-27
• [Presentation] Isolation and characterization of a novel endonuclease responsible in damaged DNA repair pathway from thermococcal archaea (2015)
  • Author(s): Miyako Shiraishi, Sonoko Ishino, Yuriko Egashira, Shinichi Kiyonari, Takeshi Yamagami, Issac Cann, and Yoshizumi Ishino.
  • Organizer: Department of Microbiology Research Conference
  • Place of Presentation: Allerton Park & Retreat Center, Monticello, IL (USA)
  • Year and Date: 2015-10-17
• [Presentation] Biochemical characterization of the novel enzyme Endonuclease Q for DNA damage repair. (2014)
  • Author(s): Makita, N., Shiraishi, M., Ishino, S., Yamagami, T., Miyazono, K., Tanokura, M., and Ishino, Y.
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: みなとみらい、横浜
  • Year and Date: 2014-11-24 – 2014-11-26