Regulation of Enhanceosome by Cohesin

• Project/Area Number: 20H05686
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 白髭 克彦 東京大学, 定量生命科学研究所, 教授 (90273854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 須谷 尚史 東京大学, 定量生命科学研究所, 准教授 (30401524) ; 中戸 隆一郎 東京大学, 定量生命科学研究所, 准教授 (60583044)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥197,340,000 (Direct Cost: ¥151,800,000、Indirect Cost: ¥45,540,000); Fiscal Year 2024: ¥30,940,000 (Direct Cost: ¥23,800,000、Indirect Cost: ¥7,140,000); Fiscal Year 2023: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000); Fiscal Year 2022: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000); Fiscal Year 2021: ¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000); Fiscal Year 2020: ¥47,580,000 (Direct Cost: ¥36,600,000、Indirect Cost: ¥10,980,000)
• Keywords: 染色体高次構造 / 染色体動態 / コヒーシン / エンハンソソーム / 転写制御 / リモデリング複合体 / ヒストン密度 / in vitro転写系 / ATPase / 転写伸長反応 / コヒーシンローダー / prefab

Outline of Research at the Start

コヒーシンは真核細胞の染色体高次構造制御において中心的な役割を果たすタンパク質複合体であり、近年、ATP依存的にDNAにループ構造を導入するモーター活性を有することが示されてきている。その役割は、発生・分化制御やがん悪性化において重要な役割を果たすことが示唆される。一部のエンハンサーDNA上には「液-液相分離」に支配される不定形で動的な巨大タンパク質ネットワークが形成されていると報告されているが、本研究は、エンハンソソームによる転写伸長制御反応を特にコヒーシンに焦点を当てて分子的に理解すること、その生理的意義を明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

コヒーシンの転写調節機能を探るため、オーキシンデクロンシステムを用いてコヒーシンのサブユニットRad21を急速に分解除去し、転写産物量やRNAポリメラーゼII（Pol II）の染色体上での分布を調べた。トータルRNA-seq、新生RNAのみを検出するEU-seqを行い、コヒーシンの除去は一部の遺伝子の発現のみ変動させ、大部分の遺伝子では発現変動が見られないことがわかった。しかし、Pol IIのプロモーター結合は減少するがプロモーター近傍での一時停止が減少することがPol IIのChIP-seqにより明らかになった。
Pol IIの一時停止のステップへの進行を阻害すると、プロモーター結合の減少が見られなくなった。これらのことから、コヒーシンの除去により一時停止が不安定化し、Pol IIのプロモーターからの乖離が促進し、同時に遺伝子内部への流れ込みも増加していることが示唆された。そして、Pol IIの一時停止から伸長反応への移行を促す転写伸長因子複合体のプロモーターへのリクルートが、コヒーシン除去により増加しており、このことが一時停止を不安定化させていると考えている。
伸長反応中のPol IIとPAF1の相互作用がコヒーシン除去により減少していることも観察され、コヒーシン除去はPoll IIの一時停止だけではなく伸長反応の制御にも関わっていると予想される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

コヒーシンが転写のどの局面で必要であるかについて極めて重要な知見がもたらされ、さらに、その結果としての転写以上の実態も明らかとなった。まとめに向けて順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

コヒーシンの欠損によって異常な構造を持つRNAが作られていること、そして、コヒーシンそのものがRNAポリメラーゼ複合体の成熟に役割を持つことを示せたことは独自の成果と言える。今後はそのメカニズムに踏み込むべく、特にコヒーシンが具体的にどのような分子メカニズムで上記の経路に寄与しうるのかを明らかにする必要がある。一つにはRNAチェックポイントで破壊されていると考えられるRNAの実態を明らかにすることである。様々なRNA分解酵素のKDをコヒーシンAID株を用いて系統的に行い、total RNA-seqを行うことで異常構造RNAについて系統的に明らかにする。現在、クライオ電顕を用いATPase activeなコヒーシンと結合しているポリメラーゼ複合体の構造、コヒーシン非存在下でのポリメラーゼ複合体の構造を明らかにしようと共同研究を推進しており、これにより具体的にどのステップにコヒーシンが必要化を明らかにできることを期待している。また、今までコヒーシンが役割を持つのはCdk9による転写複合体の活性化後であるという研究成果が得られているため、コヒーシンATPaseがCdk9によって活性化する可能性を考え生化学的、細胞生物学的解析を進める。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
• [Int'l Joint Research] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Center for Biological Research(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
• [Int'l Joint Research] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Center for Biological Research(スペイン)
• [Journal Article] Context-dependent perturbations in chromatin folding and the transcriptome by cohesin and related factors (2023)
  • Author(s): Nakato Ryuichiro、Sakata Toyonori、Wang Jiankang、Nagai Luis Augusto Eijy、Nagaoka Yuya、Oba Gina Miku、Bando Masashige、Shirahige Katsuhiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5647-5647
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41316-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human soft tissue sarcoma traits. (2023)
  • Author(s): Sorimachi Y, Kobayashi H, Shiozawa Y, Koide S, Nakato R, Shimizu Y, Okamura T, Shirahige K, Iwama A, Goda N, Takubo K, Takubo K.
  • Journal Title: Stem Cell Reports Volume: S2213-6711(23) Issue: 5 Pages: 00097-8
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2023.03.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell cycle-dependent gene networks for cell proliferation activated by nuclear CK2α complexes (2023)
  • Author(s): Homma Miwako Kato、Nakato Ryuichiro、Niida Atsushi、Bando Masashige、Fujiki Katsunori、Yokota Naoko、Yamamoto So、Shibata Takeshi、Takagi Motoki、Yamaki Junko、Kozuka-Hata Hiroko、Oyama Masaaki、Shirahige Katsuhiko、Homma Yoshimi
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 7 Issue: 1 Pages: e202302077-e202302077
  • DOI: 10.26508/lsa.202302077
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EVI1 exerts distinct roles in AML via ERG and cyclin D1 promoting a chemoresistant and immune-suppressive environment (2023)
  • Author(s): Masamoto Yosuke、Chiba Akira、Mizuno Hideaki、Hino Toshiya、Hayashida Hiroki、Sato Tomohiko、Bando Masashige、Shirahige Katsuhiko、Kurokawa Mineo
  • Journal Title: Blood Advances Volume: 7 Issue: 8 Pages: 1577-1593
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2022008018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transient Methionine Deprivation Triggers Histone Modification and Potentiates Differentiation of Induced Pluripotent Stem Cells. (2023)
  • Author(s): Ozawa H, Kambe A, Hibi K, Murakami S, Oikawa A, Handa T, Fujiki K, Nakato R, Shirahige K, Kimura H, Shiraki N, Kume S
  • Journal Title: Stem Cells. Volume: 41(3) Issue: 3 Pages: 271-286
  • DOI: 10.1093/stmcls/sxac082
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Epigenetic Legacy of Maternal Protein Restriction: Renal Ptger1 DNA Methylation Changes in Hypertensive Rat Offspring (2023)
  • Author(s): Jia Huijuan、Miyoshi Moe、Li Xuguang、Furukawa Kyohei、Otani Lila、Shirahige Katsuhiko、Miura Fumihito、Ito Takashi、Kato Hisanori
  • Journal Title: Nutrients Volume: 15 Issue: 18 Pages: 3957-3957
  • DOI: 10.3390/nu15183957
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HSF1 phosphorylation establishes an active chromatin state via the TRRAP TIP60 complex and promotes tumorigenesis (2022)
  • Author(s): Fujimoto Mitsuaki、Takii Ryosuke、Matsumoto Masaki、Okada Mariko、Nakayama Keiich I.、Nakato Ryuichiro、Fujiki Katsunori、Shirahige Katsuhiko、Nakai Akira
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4355-4355
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32034-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cohesin-dependent chromosome loop extrusion is limited by transcription and stalled replication forks. (2022)
  • Author(s): Jeppsson K, Sakata T, Nakato R, Milanova S, Shirahige K, Bjorkegren C.
  • Journal Title: Sci Adv. Volume: 8(23) Issue: 23
  • DOI: 10.1126/sciadv.abn7063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-scale multi-omics analysis suggests specific roles for intragenic cohesin in transcriptional regulation. (2022)
  • Author(s): Wang J, Bando M, Shirahige K, Nakato R.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 13(1) Issue: 1 Pages: 3218-3218
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30792-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly rigid H3.1/H3.2-H3K9me3 domains set a barrier for cell fate reprogramming in trophoblast stem cells (2022)
  • Author(s): Hada M, Miura H, Tanigawa A, Matoba S, Inoue K, Ogonuki N, Hirose M, Watanabe N, Nakato R, Fujiki K, Hasegawa A, Sakashita A, Okae H, Miura K, Shikata D, Arima T, Shirahige K, Hiratani I, Ogura A.
  • Journal Title: Genes Dev Volume: 36 Issue: 1-2 Pages: 84-102
  • DOI: 10.1101/gad.348782.121
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pericentromeric noncoding RNA changes DNA binding of CTCF and inflammatory gene expression in senescence and cancer (2021)
  • Author(s): Kenichi Miyata, Yoshinori Imai, Satoshi Hori, Mika Nishio, Tze Mun Loo, Ryo Okada, Liying Yang, Tomoyoshi Nakadai, et. al.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 118 Issue: 35
  • DOI: 10.1073/pnas.2025647118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Checkpoint-mediated DNA polymerase ε exonuclease activity curbing counteracts resection-driven fork collapse. (2021)
  • Author(s): Pellicano G, Al Mamun M, Jurado-Santiago D, Villa-Hernandez S, Yin X, Giannattasio M, Lanz MC, Smolka MB, Yeeles J, Shirahige K, Garcia-Diaz M, Bermejo R.
  • Journal Title: Mol Cell. Volume: 81(13) Issue: 13 Pages: 2778-2792
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.04.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bioinformatical dissection of fission yeast DNA replication origins (2020)
  • Author(s): Koji Masuda, Claire Renard-Guillet, Katsuhiko Shirahige, Takashi Sutani
  • Journal Title: Open Biol . Volume: Volume 10Issue 7 Issue: 7 Pages: 200052-200052
  • DOI: 10.1098/rsob.200052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcription-dependent cohesin repositioning rewires chromatin loops in cellular senescence (2020)
  • Author(s): Olan Ioana、Parry Aled J.、Schoenfelder Stefan、Narita Masako、Ito Yoko、Chan Adelyne S. L.、Slater Guy St.C.、Bihary Dora、Bando Masashige、Shirahige Katsuhiko、Kimura Hiroshi、Samarajiwa Shamith A.、Fraser Peter、Narita Masashi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 6049-6049
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19878-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Is Cohesin Really Necessary for Transcription? (2023)
  • Author(s): Katsuhiko Shirahige
  • Organizer: ロッテルダム大学 セミナー
  • Invited
• [Presentation] Is Cohesin Really Necessary for Transcription? (2023)
  • Author(s): Katsuhiko Shirahige
  • Organizer: CdLS Meeting （イタリア シエナ）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Is Cohesin Really Necessary for Transcription? (2023)
  • Author(s): Katsuhiko Shirahige
  • Organizer: ウィーン大学セミナー
  • Invited
• [Presentation] Is Cohesin Really Necessary for Transcription? (2023)
  • Author(s): Katsuhiko Shirahige
  • Organizer: Cohesinopathy Symposium （スペイン ザラゴザ）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Is Cohesin Really Necessary for Transcription? (2023)
  • Author(s): Katsuhiko Shirahige
  • Organizer: 生命ダイナミクスシンポジウム（台湾大学）
  • Int'l Joint Research / Invited