Structural basis of higher-order complexes connecting transcription and its related functions

• Project/Area Number: 20H05690
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 関根 俊一 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (50321774)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鯨井 智也 東京大学, 定量生命科学研究所, 助教 (70823566)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥189,150,000 (Direct Cost: ¥145,500,000、Indirect Cost: ¥43,650,000); Fiscal Year 2023: ¥31,590,000 (Direct Cost: ¥24,300,000、Indirect Cost: ¥7,290,000); Fiscal Year 2022: ¥31,590,000 (Direct Cost: ¥24,300,000、Indirect Cost: ¥7,290,000); Fiscal Year 2021: ¥50,830,000 (Direct Cost: ¥39,100,000、Indirect Cost: ¥11,730,000); Fiscal Year 2020: ¥43,810,000 (Direct Cost: ¥33,700,000、Indirect Cost: ¥10,110,000)
• Keywords: RNAポリメラーゼ / 転写 / ヌクレオソーム / リボソーム / クライオ電子顕微鏡 / 転写因子 / 転写伸長因子 / ヒストンシャペロン / 転写終結因子 / ncRNA / Rho / クライオ電顕

Outline of Research at the Start

DNAの遺伝情報をRNAに転写する巨大なタンパク質複合体であるRNAポリメラーゼは、細胞内の様々な分子と相互作用し、多くの生命機能を支え るハブとして機能している。本研究では、RNAポリメラーゼを中心に、ヌクレオソームやエピジェネティクス因子、巨大転写因子、RNAプロセシング因子、リボソーム等を含めた超複合体の構造解析を行うことで、転写のメカニズムおよび転写と他の生命機能との相互連関の構造基盤を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

DNAの遺伝情報をRNAに転写する巨大なタンパク質複合体であるRNAポリメラーゼは、細胞内の多数の分子と相互作用し、様々な生命機能を支えるハブとして機能している。しかしながら、転写と諸機能との接点で形成される分子の実体やその構造、機能や制御のメカニズムはほとんど分かっていない。重要な生命機能を担う高次複合体の構造基盤を解明するために、本年度は以下のように研究を進めた。
真核生物では、ゲノムDNAは高度に組織化されたクロマチン構造をとって細胞核内に収納されている。RNAポリメラーゼII (RNAPII)によるmRNAの転写は、クロマチン構造によって高度な制御を受けている。転写の初期段階において、一般に、RNAPIIは転写開始点の近傍で転写を休止する(Promoter-proximal pausing)。この現象の構造基盤を明らかにするために、ヌクレオソーム上で休止した哺乳類RNAPII転写伸長複合体の構造をクライオ電子顕微鏡を用いて解析した。
RNAPIIは、遺伝子の末端まで転写を行うと、DNAとRNAを解離して転写を終結する。この転写終結の分子メカニズムを明らかにするために、転写終結を担うヌクレアーゼとRNAPIIとの複合体の構造解析を進め、複数の構造を決定した。
細菌では、mRNAの転写を行っている最中のRNAPにリボソームが結合し、転写と翻訳は同調して行われる。RNAPによって転写されつつあるmRNA上に、リボソームのサブユニットや翻訳開始因子が集合して翻訳を開始する過程をクライオ電子顕微鏡で解析し、転写と共役した翻訳開始の構造基盤を明らかにした。
また、デングウイルスのゲノム複製を担うタンパク質-RNA複合体の構造を解析し、ウイルス複製における主要なステップの構造基盤を明らかにすることに成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

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

Research Products

• [Int'l Joint Research] Kyungpook National University(韓国)
• [Int'l Joint Research] Mayo Clinic(米国)
• [Journal Article] Structural perspectives on transcription in chromatin (2024)
  • Author(s): Sekine Shun-ichi、Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Trends in Cell Biology Volume: 34 Issue: 3 Pages: 211-224
  • DOI: 10.1016/j.tcb.2023.07.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 特集 クロマチンによる転写制御機構の最前線 Ⅰ.分子レベル 転写伸長因子およびヒストンシャペロンFACTによるヌクレオソーム転写制御機構 (2023)
  • Author(s): 畠澤 卓、鯨井 智也、胡桃坂 仁志
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 74 Issue: 3 Pages: 193-198
  • DOI: 10.11477/mf.2425201674
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2023-06-15
• [Journal Article] ERK2-topoisomerase II regulatory axis is important for gene activation in immediate early genes (2023)
  • Author(s): Bunch Heeyoun、Kim Deukyeong、Naganuma Masahiro、Nakagawa Reiko、Cong Anh、Jeong Jaehyeon、Ehara Haruhiko、Vu Hongha、Chang Jeong Ho、Schellenberg Matthew J.、Sekine Shun-ichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44089-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structures of RNA polymerase II-nucleosome complexes rewrapping transcribed DNA (2023)
  • Author(s): Akatsu Munetaka、Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Fujita Risa、Ito Tomoko、Osumi Ken、Ogasawara Mitsuo、Takizawa Yoshimasa、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 12 Pages: 105477-105477
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105477
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cryo-EM and biochemical analyses of the nucleosome containing the human histone H3 variant H3.8 (2023)
  • Author(s): Hirai Seiya、Kujirai Tomoya、Akatsu Munetaka、Ogasawara Mitsuo、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Ohkawa Yasuyuki、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 174 Issue: 6 Pages: 549-559
  • DOI: 10.1093/jb/mvad069
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structures of dengue virus RNA replicase complexes (2023)
  • Author(s): Osawa Takuo、Aoki Mari、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 83 Issue: 15 Pages: 2781-2791.e4
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2023.06.023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Transition of the Nucleosome during Transcription Elongation (2023)
  • Author(s): Kujirai Tomoya、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Cells Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1388-1388
  • DOI: 10.3390/cells12101388
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Basis of Damaged Nucleotide Recognition by Transcribing RNA Polymerase II in the Nucleosome (2023)
  • Author(s): Osumi Ken、Kujirai Tomoya、Ehara Haruhiko、Ogasawara Mitsuo、Kinoshita Chiaki、Saotome Mika、Kagawa Wataru、Sekine Shun-ichi、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 435 Issue: 13 Pages: 168130-168130
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2023.168130
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Contributions of histone tail clipping and acetylation in nucleosome transcription by RNA polymerase II (2023)
  • Author(s): Oishi Takumi、Hatazawa Suguru、Kujirai Tomoya、Kato Junko、Kobayashi Yuki、Ogasawara Mitsuo、Akatsu Munetaka、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Hayashi Gosuke、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 51 Issue: 19 Pages: 10364-10374
  • DOI: 10.1093/nar/gkad754
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis of the transcription termination factor Rho engagement with transcribing RNA polymerase from <i>Thermus thermophilus</i> (2023)
  • Author(s): Murayama Yuko、Ehara Haruhiko、Aoki Mari、Goto Mie、Yokoyama Takeshi、Sekine Shun-ichi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 6
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade7093
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis of RNA polymerase II transcription on the chromatosome containing linker histone H1 (2022)
  • Author(s): Hirano Rina、Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Uejima Tamami、Takizawa Yoshimasa、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7287-7287
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35003-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis of nucleosome disassembly and reassembly by RNAPII elongation complex with FACT (2022)
  • Author(s): Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Shirouzu Mikako、Kurumizaka Hitoshi、Sekine Shun-ichi
  • Journal Title: Science Volume: 377 Issue: 6611
  • DOI: 10.1126/science.abp9466
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Structural basis of nucleosome transcription by the RNAPII elongation complex (2023)
  • Author(s): Sekine S, Ehara H, Kujirai Y, Kurumizaka H
  • Organizer: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デングウイルスのゲノム複製複合体のクライオ電子顕微鏡解析 (2023)
  • Author(s): 関根俊一
  • Organizer: 第70回 日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] Cryo-EM structure of the DEK-nucleosome complex and its implications on gene regulation (2023)
  • Author(s): Kujirai T, Echigoya K, Kishi Y, Takizawa Y, Saeki M, Ito T, Negishi L, Masumoto H, Kimura H, Gotoh Y, Kurumizaka H
  • Organizer: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 転写伸長におけるヌクレオソーム構造のダイナミクス (2023)
  • Author(s): 鯨井智也
  • Organizer: 筑波大学開学50周年記念TARAシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 転写におけるヌクレオソームの崩壊と再構築の構造解析 (2023)
  • Author(s): 鯨井智也、江原晴彦、白水美香子、関根俊一、胡桃坂仁志
  • Organizer: 第16回日本エピジェネティクス研究会年会
  • Invited
• [Presentation] クロマチン転写の構造生物学 (2023)
  • Author(s): 江原晴彦、鯨井智也、白水美香子、胡桃坂仁志、関根俊一
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Cryo-EM analysis on the nucleosome disassembly and reassembly during transcription elongation (2023)
  • Author(s): Ehara H, Kujirai Y, Shirouzu M, Kurumizaka H, Sekine S
  • Organizer: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RNAポリメラーゼによる転写伸長と終結のメカニズム (2023)
  • Author(s): 関根俊一
  • Organizer: よこはまNMR研究会 第70回ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Structural basis of nucleosome transcription by the RNAPII elongation complex (2022)
  • Author(s): Sekine Shun-ichi
  • Organizer: SBDR Webinar
  • Invited
• [Presentation] 転写伸長におけるヌクレオソームの崩壊と再構築機構の構造生物学的解析 (2022)
  • Author(s): 鯨井 智也、江原 晴彦、白水 美香子、関根 俊一、胡桃坂 仁志
  • Organizer: 第40 回染色体ワークショップ・第21 回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] 転写におけるヌクレオソーム構造変換のクライオEM構造解析 (2022)
  • Author(s): 鯨井智也、江原晴彦、白水美香子、関根俊一、胡桃坂仁志
  • Organizer: 生理研研究会「新世代のクライオ電子顕微鏡」
  • Invited
• [Presentation] 転写におけるヌクレオソーム構造のダイナミクス (2022)
  • Author(s): 鯨井智也、江原晴彦、白水美香子、関根俊一、胡桃坂仁志
  • Organizer: 第15回日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] 理研横浜クライオ電子顕微鏡施設 (2021)
  • Author(s): 関根俊一
  • Organizer: 日本分子生物学会 第44回年会
  • Invited
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡による核内での転写の構造基盤 (2021)
  • Author(s): 関根俊一
  • Organizer: よこはまNMR研究会 第66回ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Structural basis of RNA polymerase II transcription on nucleosomal DNA (2021)
  • Author(s): Shun-ichi Sekine
  • Organizer: RIKEN BDR symposium 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural Basis of Nucleosome Transcription by RNA Polymerase II (2020)
  • Author(s): Shun-ichi Sekine
  • Organizer: 3rd HKUST IAS Focused Program on Mechanisms of Gene Transcription and Its Regulations
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡解析から明らかになったヌクレオソームDNA転写のダイナミクス (2020)
  • Author(s): 鯨井智也
  • Organizer: 令和2年度第2回量子線科学セミナー
  • Invited
• [Book] クライオ電子顕微鏡ハンドブック (2023)
  • Author(s): 鯨井智也、胡桃坂仁志（難波 啓一、加藤 貴之、牧野 文信 編）
  • Total Pages: 460
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860438043
• [Book] セントラルドグマの新常識 (2022)
  • Author(s): 鯨井智也、胡桃坂仁志（田口 英樹、小林 武彦、稲田 利文 編）
  • Total Pages: 264
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758104043
• [Book] RNA Polymerases as Molecular Motors: On the Road (2021)
  • Author(s): Sekine, S., Uejima, T., Ehara, H. (ed. Robert Landick, Terence Strick, Jue Wang)
  • Total Pages: 252
  • Publisher: Royal Society of Chemistry
• [Book] エピゲノムで新たな解明が進む「先天性疾患」 (2021)
  • Author(s): 大角健、鯨井智也、胡桃坂仁志 （副島英伸、秦健一郎編）
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 株式会社メディカル ドゥ
• [Remarks] 理化学研究所 生命機能科学研究センター 転写制御構造生物学研究チーム
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/sekine-s/index.html