Analysis of genomic instability caused by environmental stress

• Project/Area Number: 21H04761
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小林 武彦 東京大学, 定量生命科学研究所, 教授 (40270475)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,210,000 (Direct Cost: ¥31,700,000、Indirect Cost: ¥9,510,000); Fiscal Year 2024: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 環境適応 / ゲノムの安定性 / ヒストン修飾 / 酵母 / rDNA / 環境ストレス / ゲノムの不安定性 / 出芽酵母 / リボソームRNA遺伝子 / ヒストンの脱アセチル化酵素 / 酸性度 / クロマチン構造 / 非コード転写 / ヒストン脱アセチル化酵素 / ゲノム安定性 / クロマチン免疫沈降法 / 非コードプロモーター / 酸性培地 / 寿命

Outline of Research at the Start

地球上の生物はそれぞれの生活環境、例えば気温、明るさ、塩濃度、酸性度などに適応して進化した。特に自力での移動が難しい植物や微生物では、環境の変化に適応できないと即「死」を意味する。申請者らは最近、出芽酵母を用いた研究で培地の酸性度によってゲノムの安定性が変化する現象を見出した。これまで、紫外線や変異原物質がゲノムの不安定化を誘導することは知られていたが、環境の酸性度によるゲノムの変化は初めての発見である。本研究提案では、酸性度に応じてゲノムの安定性を変化させる遺伝子を同定し、それらがどのように環境の酸性度を感知し、ゲノムの安定性を制御するのか解析する。

Outline of Annual Research Achievements

地球上の生物はそれぞれの生活環境、例えば気温、明るさ、塩濃度、酸性度などに適応して進化した。特に自力での移動が難しい植物や微生物では、環境の変化に適応できないと即「死」を意味する。申請者らは、出芽酵母を用いた研究で培地の酸性度によってゲノムの安定性が変化する現象を見出した。本研究提案では、酸性度に応じてゲノムの安定性を変化させる遺伝子を同定し、それらがどのように環境の酸性度を感知し、ゲノムの安定性を制御しているのか解析する。
酵母を使ったこれまでの実験で、酸性培地で酵母を培養するとゲノムの不安定領域であるリボソームRNA遺伝子(rDNA)が、安定化することを見出した 。rDNAの不安定性に影響を与える要因として、1)DNA複製阻害配列での複製の停止、2)その結果生じるDNAの切断、3)非コードプロモー ター(E-pro)の転写による姉妹染色分体の乖離、の3つがあげられる。全ての可能性を検討したところ、酸性条件下ではDNA複製阻害配列での停止頻度およびDNAの切断には変化はなかったが、非コードプロモーター(E-pro)の転写産物量が低下していることが観察された。そこでデータベースから転写調節に関わるヒストン修飾関連の遺伝子(59個)を選び出し、それらをノックアウトして、酸性条件下でのrDNAの安定性に与える影響を調べた。その結果 、複数の酸性条件とrDNAの安定性を結びつける候補遺伝子を得ることに成功した。中でも1番顕著にrDNAの安定化がみられなくなったrpd3欠損株の解析を中心に行なった。Rpd3はヒストンの脱アセチル化酵素(HDAC)で、転写の抑制作用をもつことが知られている。そこで酸性条件下でのRpd3のE-proの転写への関与を調べたところ、その抑制を介してrDNAの安定化に寄与していることを発見した。さらにクロマチン免疫沈降法によりRpd3のrDNAへの結合も確認した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、酸性条件下でrDNAが安定化する分子メカニズムについて、その大筋が解明できた。

Strategy for Future Research Activity

非コードの転写調節がrDNAの安定性維持に重要な働きを担っていることが判明したので、今後は酸性度のならず、さまざまな非コードの転写に関わる因子を同定し、それらとrDNAの安定性との関連を解析していきたい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ストラスブルグ大(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Regensburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] IFOM(イタリア)
• [Journal Article] Changed life course upon defective replication of ribosomal RNA genes (2022)
  • Author(s): Mei Hattori, Chihiro Horigome, Theo Aspert, Gilles Charvin, Takehiko Kobayashi
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 97 Issue: 6 Pages: 285-295
  • DOI: 10.1266/ggs.22-00100
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2022-12-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>RPS12</i> and <i>UBC4</i> Are Related to Senescence Signal Production in the Ribosomal RNA Gene Cluster (2022)
  • Author(s): Yanagi Shuichi、Iida Tetsushi、Kobayashi Takehiko
  • Journal Title: Molecular and Cellular Biology Volume: 42 Issue: 5 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1128/mcb.00028-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of ribosomal RNA-gene transcription, copy number and nucleolus organization in eukaryotes. (2022)
  • Author(s): Hori, Y., Engel, C., and Kobayashi, T.
  • Journal Title: Nature Reviews Mol Cell Biol Volume: 24 Issue: 6 Pages: 414-429
  • DOI: 10.1038/s41580-022-00573-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 長鎖シークエンサーで判明したヒトrDNAの真の姿 (2022)
  • Author(s): 堀 優太郎，嶋本 顕，小林武彦
  • Journal Title: 実感医学 Volume: 40 Pages: 1290-1293
• [Journal Article] The human ribosomal DNA array is composed of highly homogenized tandem clusters. (2021)
  • Author(s): Hori, Y, Shimoto, A, and Kobayashi, T.
  • Journal Title: Genome Research Volume: 31 Issue: 11 Pages: 1971-1982
  • DOI: 10.1101/gr.275838.121
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The S-phase Cyclin Clb5 Promotes rDNA Stability by Maintaining Replication Initiation Efficiency in rDNA. (2021)
  • Author(s): Mayuko Goto, Mariko Sasaki, and Takehiko Kobayashi
  • Journal Title: Molecular and Cellular Biology Volume: 5 Issue: 5 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1128/mcb.00324-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 培地の酸性度が酵母のゲノムおよび 分裂寿命に与える影響 (2022)
  • Author(s): 長谷川曜、大岡浩之、若月剛、山本歩、小林武彦
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第55回研究報告会
• [Presentation] 培地の酸性度がリボソームRNA遺伝子の安定性及び細胞老化に与える影響 (2022)
  • Author(s): 長谷川耀、小林武彦
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] 転写伸長因子Spt4によるrDNA不安定化を介した細 胞老化誘導機構の解析 (2022)
  • Author(s): 横山正明、佐々木真理子、小林武彦
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] A romantic molecular geneticist meets genome revolution (2022)
  • Author(s): Kobayashi, T.
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
  • Invited
• [Presentation] リボソームRNA反復遺伝子群の安定性に影響を与えるゲノム領域の解析 (2022)
  • Author(s): 村井太一、小林武彦
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] 老化研究最前線 (2022)
  • Author(s): 小林武彦
  • Organizer: 第3回IQBパブリックレクチャー
  • Invited
• [Presentation] 生物はなぜ死ぬのかー老化のメカニズムを研究し、死の意味を考えるー (2022)
  • Author(s): 小林武彦
  • Organizer: 日本香粧品学会
  • Invited
• [Presentation] 生物はなぜ死ぬのか (2022)
  • Author(s): 小林武彦
  • Organizer: 日本実験動物学会
  • Invited
• [Presentation] 生物は遺伝物質を壊しながら進化した? (2022)
  • Author(s): 小林武彦
  • Organizer: 細胞を作る会
  • Invited
• [Presentation] It’s an rDNA world (2022)
  • Author(s): Kobayashi, T.
  • Organizer: Social DNAing Webinar in Columbia Univ.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Budding yeast as an aging model system (2021)
  • Author(s): Takehiko Kobayashi
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] DNA replication initiation affects stability of ribosomal RNA gene repeat and lifespan (2021)
  • Author(s): Takehiko Kobayashi
  • Organizer: "Yeast and Life Sciences" Cold spring Harbor Asia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 実験システムとしての酵母 －老化研究を例に (2021)
  • Author(s): 小林武彦
  • Organizer: 酵母合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] S期サイクリンClb5によるゲノム安定性維持機構 (2021)
  • Author(s): 佐々木真理子
  • Organizer: 佐々木真理子酵母遺伝学フォーラム第54回研究報告会
• [Presentation] 転写伸長因子Spt4によるrDNAの安定性を介した細胞老化制御機構の解析 (2021)
  • Author(s): 横山正明
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
• [Presentation] DNA複製阻害時のDNA二本鎖切断修復によるrDNAコピー数制御機構の解明 (2021)
  • Author(s): 佐々木真理子
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
• [Presentation] ゲノム修復から見るゲノム安定性のプロファイル (2021)
  • Author(s): 飯田哲史
  • Organizer: 日本遺伝学会第93回大会
  • Invited
• [Presentation] DNA複製阻害時のDNA二本鎖切断修復と転写制御機構のインタープレイ (2021)
  • Author(s): 佐々木真理子
  • Organizer: 日本遺伝学会第93回大会
• [Presentation] DNA複製阻害時のDNA二本鎖切断修復とゲノム不安定化 (2021)
  • Author(s): 佐々木真理子
  • Organizer: 第26回DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Book] 実験医学増刊 Vol.40 No.12 セントラルドグマの新常識 (2022)
  • Author(s): 田口英樹，小林武彦，稲田利文／編
  • Total Pages: 264
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758104043
• [Book] 寿命延長～老化・長寿命の基盤研究最前線～, (2022)
  • Author(s): 堀 優太郎、小林 武彦
  • Total Pages: 460
  • Publisher: NTS出版
  • ISBN: 9784860437732
• [Book] 遺伝学の百科事典ー継承と多様性の源、日本遺伝学会編 (2022)
  • Author(s): 日本遺伝学会
  • Total Pages: 690
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621306604
• [Book] Homologous Recombination. Methods in Molecular Biology, vol 2153 (2021)
  • Author(s): Sasaki, M., Kobayashi, T.
  • Total Pages: 555
  • Publisher: Humana press
  • ISBN: 9781071606438
• [Remarks] 小林武彦研究室
  • URL: https://tako-lab.net
• [Remarks] 東京大学定量生命科学研究所
  • URL: https://www.iqb.u-tokyo.ac.jp/lab/kobayashi/