ゲノムDNAの相同組換え修復で働くSMCタンパク質の分子メカニズムの解析

• Project/Area Number: 19K06615
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43050:Genome biology-related
• Research Institution: Gakushuin University
• Principal Investigator: 毛谷村 賢司 学習院大学, 理学部, 研究員 (70464386)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 二本鎖DNA切断修復 / 相同組換え / SMCファミリー / ゲノムDNA / DNA修復 / SMCタンパク質

Outline of Research at the Start

ゲノムDNAの二本鎖切断は、突然変異やゲノム不安定性、細胞死などを引き起こす。生物種間で保存される相同組換え反応は、このような重篤なDNA損傷を誤りなく修復することができる極めて重要なDNA修復機構である。近年、この相同組換え修復に染色体DNA構造の維持に関与するファミリータンパク質（SMCタンパク質）が重要な役割を果たしていることが示唆されているものの、その分子メカニズムはよくわかっていない。本研究では、大腸菌の相同組換え修復に関与するSMCタンパク質の生化学的解析を中心に行い、相同組換え修復におけるその分子機能を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

二本鎖DNAの切断によるゲノムDNAの不安定化は、細胞死や遺伝子変異を誘発し、ヒトでは老化やがん化、様々な遺伝子疾患の原因になっている。DNA相同組換えは、DNA切断を誤りなく修復することができるため、ゲノムDNAの安定性を維持する上で重要なDNA修復反応である。この反応において、SMCタンパク質によるDNA構造の制御が重要であるが、その分子メカニズムはよくわかっていない。本研究では、大腸菌の相同組換え修復に関与し、かつSMCファミリーに属するRecNの分子機能を明らかすることで、相同組換え反応におけるSMCタンパク質の分子基盤の確立を目指した。RecNのDNA結合活性について詳細に解析した結果、RecNは二本鎖DNAよりも一本鎖DNAに結合し易いことがわかった。また、RecNはリング様構造を形成し、その中空にDNAを通すことでDNA上をスライディングすることが示唆された。さらに、このスライディング活性は、RecAリコンビナーゼの一本鎖DNA結合により抑制されることがわかった。これらのことから、RecNはDNA上にロードした後、RecAを介してDNA切断末端に集積することが考えられ、細胞内における動態と矛盾しないものであった。次に、一本鎖DNAに結合したRecNについて解析した結果、このRecNは、ATP依存的に二本鎖DNAとも結合可能であることがわかり、この活性は、RecAに依存して起こる相同なDNA鎖同士の対合の促進に機能することが示唆された。以上の成果をまとめ、RecNが相同な二つのDNA分子を近接させることで、RecAによる相同組換えの初期反応を促進するモデルを提唱し、学術論文として発表した（Commun. Biol., 2019）。

Research Products

• [Journal Article] Topological DNA binding of SMC-like RecN promotes RecA-mediated DNA double-strand break repair (2019)
  • Author(s): Keyamura, K., Hishida, T.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Issue: 1 Pages: 413-413
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0655-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monitoring of DNA Replication and DNA Double Strand Breaks in Saccharomyces cerevisiae by Pulsed-Field Gel Electrophoresis (2019)
  • Author(s): Keyamura, K., Hishida, T.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 2119 Pages: 123-133
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-0323-9_11
  • ISBN: 9781071603222, 9781071603239
• [Presentation] DNA二本鎖切断修復におけるNatB複合体の機能解析 (2020)
  • Author(s): 菅谷 夏希、田中 紫苑、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第2回日本遺伝学会春季大会
• [Presentation] Mec1変異体ライブラリー作製の実験系の構築 (2020)
  • Author(s): 清水 雅斗、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第2回日本遺伝学会春季大会
• [Presentation] DNA二本鎖切断修復に関与するRecN SMC様タンパク質の機能解析 (2019)
  • Author(s): 毛谷村 賢司、仁木 杏樹、菱田 卓
  • Organizer: 第16回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] DNA二本鎖切断修復における核様体動態制御機構の解析 (2019)
  • Author(s): 毛谷村 賢司、仁木 杏樹、菱田 卓
  • Organizer: 第91回日本遺伝学会
• [Presentation] 慢性的低線量率紫外線環境下におけるNER欠損株の損傷ストレス耐性メカニズムの解析 (2019)
  • Author(s): 芝田 眞菜、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第91回日本遺伝学会
• [Presentation] DNA損傷ストレスの耐性獲得に関与する代謝機能調節の解析 (2019)
  • Author(s): 相澤 美貴、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第91回日本遺伝学会
• [Presentation] 大腸菌RecNはDSB修復における核様体の動態制御に関与する (2019)
  • Author(s): 仁木 杏樹、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第25回DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] DNA損傷ストレス応答の制御に関与するヌクレオソーム領域の同定と解析 (2019)
  • Author(s): 林 匡史、吉田 麻美、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第25回DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] 出芽酵母を用いたタウリン酸化キナーゼの同定とその解析 (2019)
  • Author(s): 野田 俊輔、毛谷村 賢司、添田 義行、高島 明彦、菱田 卓
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会
• [Presentation] 大腸菌RecNによる核様体構造の維持機構の解析 (2019)
  • Author(s): 仁木 杏樹、毛谷村 賢司、菱田 卓
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会
• [Remarks] 学習院大学理学部生命科学科 分子生物学研究室ホームページ
  • URL: https://www.univ.gakushuin.ac.jp/sci/bio/laboratory/detail-hishida/