ゲノム複製開始機構の普遍性と多様性、および、複製開始制御システムの動的な制御機構

• Project/Area Number: 23K27131
• Project/Area Number (Other): 23H02438 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 片山 勉 九州大学, 薬学研究院, 教授 (70264059)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2026: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: DNA複製 / 複製開始複合体 / 染色体 / 細胞周期 / 試験管内再構成

Outline of Research at the Start

染色体DNAの複製開始反応は、細胞周期の制御や環境に応じた細胞増殖の制御とも連係している。そのためこの反応そのものの分子メカニズム、および、その制御システムの解明は、細胞の増殖や恒常性維持の分子機構の理解にも重要となる。さらにそれらの進化の理解のためにも重要となる。代表者は世界最先端で大腸菌染色体の複製開始反応の分子メカニズムとその制御システムを明らかにしてきた。本研究ではそのような成果を基にして複製開始メカニズムの進化的普遍性と多様性を解析し共通原理の解明を進める。また複製開始制御システムが細胞周期と連係する分子機構の解明を進める

Outline of Annual Research Achievements

1. 複製開始複合体の機構の普遍性と多様性---大腸菌の複製開始複合体は、複製起点oriC, 複製開始タンパク質DnaA、DNA屈曲タンパク質から形成される。本年度は、進化的に最も保存性の高いDNA屈曲タンパク質HUによる複製開始メカニズムを解明し、大腸菌などが特有に持つIHFタンパク質と比較し機能的な普遍性と多様性を明らかにした。加えてDnaAとoriCの構造における機能構造相関も解明した。
2. 複製ヘリカーゼ装着の分子機構と制御機構---複製ヘリカーぜの装着機構では、まず、１段階めでDnaBが開始複合体に安定に結合する。このメカニズムは過去に解明した。次の２段階めとなる動的な相互作用によってDnaBがoriC開裂領域に装着されるが、このメカニズムは不明である。本年度は、この段階に重要となるDnaBの機能構造の解析を進めた。
3. DARSシステムの分子機構と制御機構---DARS2はDnaAを適時的に活性化するDNA因子である。DARS2-IHF-Fis複合体が適時的に形成されDnaAを活性化する。DARS2-Fis結合の制御機構については過去に解明した。本年度はDARS2-IHF結合の動的制御に重要な因子を生化学的および分子遺伝学的な手法によって探索し、複数の重要因子を明らかにした。
4. DDAHシステムの分子機構と制御機構---datAはDnaA を適時的に不活性化するDNA因子である。 datA-IHF複合体が適時的に形成されDnaAを不活性化する。適時的なIHF結合・解離の制御には複数の未知因子が必要である。本年度は、これらの同定・解析を進め、１つの因子がdatA部位のRNAポリメラーゼによる転写反応であることが明らかとなった。
以上の成果は独自性が高く、複製開始機構の普遍性・多様性の理解、および、開始制御機構の理解のため重要な意義がある。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

DNA屈曲因子HUによる複製開始メカニズムが解明され、国際的に評価の高いジャーナルで論文発表に至った。DnaAとoriCの構造（開裂部位、DnaA結合部位の配置と配向）における多様性が合理的に理解できるようになり、論文発表を行なった。DnaBヘリカーゼ装着の分子機構についても計画していた実験によるデータが十分得られ、具体的な機構モデルが想定できるようになり、その検証も進んできた。datA-IHF複合体の解離に必要となるdatA領域の転写機構が明らかとなり、論文発表に至った。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に従って順調に進展しているため、本年度の新たな成果にもとづいて、今後さらに推進してゆく。

Research Products

• [Journal Article] Read-through transcription of tRNA underlies the cell cycle-dependent dissociation of IHF from the DnaA-inactivating sequence datA (2024)
  • Author(s): Kasho Kazutoshi、Sakai Ryuji、Ito Kosuke、Nakagaki Wataru、Satomura Rion、Jinnouchi Takafumi、Ozaki Shogo、Katayama Tsutomu
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 15 Pages: 1360108-1360108
  • DOI: 10.3389/fmicb.2024.1360108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] IHF and Fis as Escherichia coli Cell Cycle Regulators: Activation of the Replication Origin oriC and the Regulatory Cycle of the DnaA Initiator (2023)
  • Author(s): Kasho Kazutoshi、Ozaki Shogo、Katayama Tsutomu
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 14 Pages: 11572-11572
  • DOI: 10.3390/ijms241411572
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-stranded DNA recruitment mechanism in replication origin unwinding by DnaA initiator protein and HU, an evolutionary ubiquitous nucleoid protein (2023)
  • Author(s): Yoshida Ryusei、Ozaki Shogo、Kawakami Hironori、Katayama Tsutomu
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 51 Issue: 12 Pages: 6286-6306
  • DOI: 10.1093/nar/gkad389
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermotoga maritima oriC involves a DNA unwinding element with distinct modules and a DnaA-oligomerizing region with a novel directional binding mode (2023)
  • Author(s): Lu Chuyuan、Yoshida Ryusei、Katayama Tsutomu、Ozaki Shogo
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 7 Pages: 104888-104888
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104888
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 核様体タンパク質から複製開始メカニズムの共通原理を展望する (2023)
  • Author(s): 片山 勉、吉田竜星、川上広宣、加生和寿、尾崎省吾
  • Journal Title: 日本ゲノム微生物学会 ニュースレター Volume: 28 Pages: 2-5
  • Open Access
• [Presentation] 大腸菌複製開始起点へのDnaBヘリカーゼ装着阻害をレスキューする機構におけるPriCの役割の解析 (2024)
  • Author(s): 呉 沁霏、興梠和真、吉田竜星、鶴田 匠、尾崎省吾、片山 勉
  • Organizer: 第18回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 大腸菌oriC-IHF-DnaA-DnaB-DnaC複合体の動態と新たな制御メカニズム (2023)
  • Author(s): 片山 勉、鶴田 匠、呉 沁霏、興梠和真、吉田竜星、加生和寿、尾崎省吾
  • Organizer: 第27回 DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始を制御するDNA因子datA、DARS2への核様体因子IHFの適時的結合を支えるメカニズムの解析 (2023)
  • Author(s): 加生 和寿、伊藤孝輔、里村龍音、吉田瑞希、中薗 奨、片山 勉
  • Organizer: 第27回 DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] 細菌種に高度に保存されたHUタンパク質はDnaA複合体の形成に依存して複製起点に結合しDUE開裂を進める (2023)
  • Author(s): 吉田竜星、尾﨑省吾、川上広宣、片山 勉
  • Organizer: 第27回 DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] 大腸菌の複製開始タイミング制御に必須の核様体因子 IHF を細胞周期に応じて制御する新規因子の探索 (2023)
  • Author(s): 加生和寿、伊藤孝輔、里村龍音、吉田瑞希、中薗 奨、片山 勉
  • Organizer: 令和５年度 日本生化学会九州支部例会
• [Presentation] 細菌染色体の複製開始の分子機構：多様性に潜む普遍性 (2023)
  • Author(s): 片山 勉、吉田竜星、盧 楚元、鶴田 匠、若杉泰敬、加生和寿、尾崎省吾
  • Organizer: 日本遺伝学会第95回大会 ワークショップ「ドグマを超えた微生物分子ダイナミクス研究の挑戦」（世話人：仁木 宏典、片山 勉）
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始促進因子DARS2とその活性化因子IHFとの適時的相互作用を制御する因子の網羅的探索 (2023)
  • Author(s): 吉田瑞希、加生和寿、片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第95回大会
• [Presentation] A common insight into mechanisms of duplex unwinding at the origin DNA during eubacterial chromosome replication (2023)
  • Author(s): 尾崎 省吾, 盧 楚元, 吉田 竜星, 若杉 泰敬, 片山 勉
  • Organizer: 第96回 日本生化学会大会 シンポジウム「Novel Perspectives on Dynamic Mechanisms in Initiation Complexes and Initiation Regulation for Chromosome DNA Replication」(Organizer: Tsutomu Katayama)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大腸菌の複製開始タイミングを統括的に制御するDNA屈曲因子IHFの結合・解離を細胞周期に応じて制御する新規因子の探索 (2023)
  • Author(s): 加生和寿、伊藤孝輔、里村龍音、吉田瑞希、中薗 奨、片山 勉
  • Organizer: 第96回 日本生化学会大会
• [Presentation] A common mechanism and architecture of the dynamic nucleoprotein complex formed at the origin DNA (2023)
  • Author(s): 尾崎省吾, 盧 楚元, 吉田竜星, 若杉 泰敬, 佐藤 翔平, 片山 勉
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細菌の染色体DNA複製起点において複製ヘリカーゼを両方向に装着する分子機構の解析 (2023)
  • Author(s): 吉田竜星, 尾崎 省吾, 加生和寿, 片山 勉
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Precise regulation of replication initiation by timely binding and dissociation of the nucleoid protein IHF in Escherichia coli (2023)
  • Author(s): 加生和寿, 伊藤孝輔, 里村龍音, 吉田瑞希, 中薗 奨, 中垣 渉, 片山 勉
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会 シンポジウム「Decoding the Universality of Cell Growth Principles in Microorganisms」（オーガナイザー：河野暢明、尾崎省吾）
  • Int'l Joint Research
• [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
• [Remarks] 九州大学大学院薬学研究院＿研究成果
  • URL: https://www.phar.kyushu-u.ac.jp/research/view.php?S_Publ_Year=2023&word=&page=&B_Code=682
• [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