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Elucidation of the principles in the replication initiation mechanisms that support bidirectional replication and in the regulatory systems for the replication initiation

Research Project

Project/Area Number 20H03212
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

Katayama Tsutomu  九州大学, 薬学研究院, 教授 (70264059)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
KeywordsDNA複製 / 細胞周期 / 複製起点 / DnaA / ヘリカーゼ / 細菌 / 複合体動態 / 核様体 / ゲノム / タンパク質
Outline of Research at the Start

代表者は世界最先端に立って大腸菌染色体の複製開始複合体の分子動態とその制御機構を明らかにしてきた。複製開始複合体は複製起点oriCと複製開始タンパク質DnaAを主要因子とする。この複合体によりoriC DNAが一本鎖化し複製装置の導入が遂行される。以前の成果に基づき、まず本研究では、この複製装置導入の分子機構を解析する。また代表者が明らかにしたDnaA活性の制御システム3系統について細胞周期と連係する分子機構を解析する。

Outline of Final Research Achievements

The replication initiation complex of Escherichia coli consists of a replication origin oriC DNA, DnaA protein multimers, DnaA assembly-stimulating factor DiaA protein, and DNA bending protein IHF. In this study, we found that two DnaA pentamers promote expansion and stabilization of the single-stranded region of oriC DNA, enabling efficient helicase loading. The chromosomal DNA factor DARS2 timely activates DnaA during the cell cycle. This requires binding of Fis protein, which is expressed in an exponential growth phase-specific manner, to DARS2. In this study, we clarified that Fis binds to DARS2 in a timely manner during the cell cycle ensuring the timely activation of DARS2, that the activated form of DnaA inhibits DARS2-Fis binding by a negative feedback manner, and the molecular mechanisms underlying the feedback regulation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

染色体DNA複製は遺伝や細胞増殖の基本である。染色体DNA複製の開始反応は細胞周期と共役して制御される。また染色体DNAでは複製起点DNAが局所的に一本鎖化され、そこから両方向に複製が進むような分子機構が普遍的である。本研究は、細胞モデルとされる大腸菌において、このような染色体DNA複製の開始反応のメカニズムや開始反応に対する高次な制御機構を分子でレベルで明らかにした。この成果は、細菌における染色体DNA複製の普遍的な分子機構や制御機構を理解するため重要な意義がある。また病原菌のみならず真核細胞の増殖機構の理解にも貢献できる。抗菌剤や抗がん剤の開発の基礎としても意義がある。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (59 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (51 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 7 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Concerted actions of DnaA complexes with DNA-unwinding sequences within and flanking replication origin oriC promote DnaB helicase loading2022

    • Author(s)
      Sakiyama Yukari、Nagata Mariko、Yoshida Ryusei、Kasho Kazutoshi、Ozaki Shogo、Katayama Tsutomu
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 298 Issue: 6 Pages: 102051-102051

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.102051

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  • [Journal Article] Whole-Genome Analysis Reveals That the Nucleoid Protein IHF Predominantly Binds to the Replication Origin oriC Specifically at the Time of Initiation2021

    • Author(s)
      Kasho Kazutoshi、Oshima Taku、Chumsakul Onuma、Nakamura Kensuke、Fukamachi Kazuki、Katayama Tsutomu
    • Journal Title

      Frontiers in Microbiology

      Volume: 12

    • DOI

      10.3389/fmicb.2021.697712

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  • [Journal Article] Negative feedback for DARS2-Fis complex by ATP-DnaA supports the cell cycle-coordinated regulation for chromosome replication2021

    • Author(s)
      Miyoshi Kenya、Tatsumoto Yuka、Ozaki Shogo、Katayama Tsutomu
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 49 Issue: 22 Pages: 12820-12835

    • DOI

      10.1093/nar/gkab1171

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  • [Journal Article] DnaB helicase is recruited to the replication initiation complex via binding of DnaA domain I to the lateral surface of the DnaB N-terminal domain2020

    • Author(s)
      Hayashi Chihiro、Miyazaki Erika、Ozaki Shogo、Abe Yoshito、Katayama Tsutomu
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 295 Issue: 32 Pages: 11131-11143

    • DOI

      10.1074/jbc.ra120.014235

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      盧 楚元、吉田竜星、尾崎省吾、片山 勉
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      第18回21世紀大腸菌研究会
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      尾崎 省吾、若杉 泰敬、片山 勉
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      日本遺伝学会第94回大会
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      吉田竜星, 尾﨑省吾, 川上広宣, 片山 勉
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      第95回日本生化学会大会 シンポジウム「生化学で切り拓くDNA複製、修復、染色体構造の制御メカニズム」
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      Tsutomu Katayama
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      NIG International Symposium 2022: Chromosome Replication in the New Era - Old and New Questions in Life Science
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      Shogo Ozaki, Dengyu Wang, Yasutaka Wakasugi, Naoto Itani, and Tsutomu Katayama
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      NIG International Symposium 2022: Chromosome Replication in the New Era - Old and New Questions in Life Science
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    • Int'l Joint Research
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      NIG International Symposium 2022: Chromosome Replication in the New Era - Old and New Questions in Life Science
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      Tsuomu Katayama, Ryusei Yoshida, Chuyuan Lu, Kazuma Korogi, Takumi Tsuruda, Kazutoshi Kasho, Shogo Ozaki
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      盧 楚元、尾崎省吾、片山 勉
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  • [Presentation] 大腸菌における複製開始促進因子DARS2を活性化する核様体蛋白質の適時的な結合制御機構の解析2020

    • Author(s)
      三善賢弥、辰本優香、尾崎省吾、永田麻梨子、片山 勉
    • Organizer
      日本遺伝学会第92回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] カウロバクター細胞内におけるDnaBヘリカーゼの複製起点への集合、装着動態の解析2020

    • Author(s)
      村岡龍哉, 尾崎省吾, 片山 勉
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Molecular mechanisms of specific nucleoid proteins in regulations for the replication initiation of the Escherichia coli chromosome2020

    • Author(s)
      Tsutomu Katayama, Kenya Miyoshi, Ryusei Yoshida, Chuyuan Lu, Kazuma Korogi, Kosuke Ito, Kazutoshi Kasho, Hironori Kawakami, Mariko Nagata and Shogo Ozaki
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会 Workshop “Frontiers of nucleoid DNA replication and quality control”
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 九州大学大学院薬学研究院_分子生物薬学分野

    • URL

      http://bunsei.phar.kyushu-u.ac.jp

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  • [Remarks] 九州大学研究者情報_片山 勉

    • URL

      http://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K001101/index.html

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  • [Remarks] 九州大学薬学研究院_研究成果

    • URL

      https://www.phar.kyushu-u.ac.jp/topics/view.php?page=1&B_Code=586

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  • [Remarks] 九州大学_研究成果

    • URL

      https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/721

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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