複製開始蛋白質 DnaAに対する制御系の自律的連動システムの創生と動態原理の解析

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 16H00775
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 片山 勉 九州大学, 薬学研究院, 教授 (70264059)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2016: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 蛋白質 / 細菌 / 遺伝子 / 生体分子 / バイオテクノロジー / DnaA / 染色体DNA複製 / in vitro再構成系 / 生命分子

Outline of Annual Research Achievements

大腸菌染色体の複製開始因子DnaA蛋白質の機能制御には複数の高次複合体が連係し秩序だって機能する。活性型のATP-DnaAを不活性型のADP-DnaAに変換する系（DnaA-ATP加水分解反応系）にはDDAH系およびRIDA系とがある。ADP-DnaAをATP-DnaAに変換する系（DnaA結合ヌクレオチド交換反応系）には、DARS1系およびDARS2系とがある。DDAH系とDARS1(2)系では、染色体上の特異的な非コードDNA領域上でのDnaA蛋白質の高次複合体形成が必要とされる。RIDA系ではDNA上でのDNAポリメラーゼ・クランプサブユニットとDnaA蛋白質との動的複合体の形成が必要とされる。本研究ではこれらのin vitro再構成系が連動して自律的に機能する、新たな動的秩序系を構築し、その分子動態を解析することを目的とした。
昨年度は、DARS1(2)系―DDAH系連動システムについて、基本的に開発に成功した。本年度は、まずこの成果に基づき、さらなる最適化を試みた。その結果、ADP-DnaAから出発して１周回したDnaAサイクルがさらに半周回進む再構成系が基本的に構築できた。これ以上のDnaAサイクルの進行のためには未知の制御因子が必要とされるのかもしれない。
さらに本年度は、DARS1(2)系―RIDA系連動システムについても開発を試みた。その結果、基本的にはDnaAサイクルが１周回する再構成系が構築できた。さらに最適化の検討を進める必要性はある。
加えて昨年度と同様に、DnaA蛋白質が構築する動的な高次複合体の分子機構を解明するため、複製起点や、DDAH系、あるいは、DARS1(2)系で必要な非コードDNA領域上で形成されるDnaA蛋白質複合体についても詳細な解析を進めた。それらの成果を学会で発表したほか、複製起点での分子機構については論文発表した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Regulatory dynamics in the ternary DnaA complex for initiation of chromosomal replication in Escherichia coli (2017)
  • Author(s): Sakiyama Yukari、Kasho Kazutoshi、Noguchi Yasunori、Kawakami Hironori、Katayama Tsutomu
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 45 Issue: 21 Pages: 12354-12373
  • DOI: 10.1093/nar/gkx914
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The DnaA Cycle in Escherichia coli: Activation, Function and Inactivation of the Initiator Protein (2017)
  • Author(s): Katayama Tsutomu、Kasho Kazutoshi、Kawakami Hironori
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 8 Pages: 2496-2496
  • DOI: 10.3389/fmicb.2017.02496
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cooperative DnaA binding to the negatively supercoiled datA locus stimulates DnaA-ATP hydrolysis (2017)
  • Author(s): Kazutoshi Kasho, Hiroyuki Tanaka, Ryuji Sakai, Tsutomu Katayama
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 292 Issue: 4 Pages: 1251-1266
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.762815
  • NAID: 120005971209
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Near-atomic structural model for bacterial DNA replication initiation complex and its functional insights (2016)
  • Author(s): Masahiro Shimizu, Yasunori Noguchi, Yukari Sakiyama, Hironori Kawakami, Tsutomu Katayama, and Shoji Takada
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences USA Volume: 113 Issue: 50
  • DOI: 10.1073/pnas.1609649113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Chromosomal location of the DnaA-reactivating sequence DARS2 is important to regulate timely initiation of DNA replication in Escherichia coli (2016)
  • Author(s): Yukie Inoue, Hiroyuki Tanaka, Kazutoshi Kasho, Kazuyuki Fujimitsu, Taku Oshima, Tsutomu Katayama
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 21 Issue: 9 Pages: 1015-1023
  • DOI: 10.1111/gtc.12395
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始に対する新たな制御システム：DnaBヘリカーゼ装着を標的とする新規因子 (2018)
  • Author(s): 野口泰徳, 片山 勉
  • Organizer: 第12回ゲノム微生物学会
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始を制御する非コードDNA因子DARS2を不活性化する因子の探索 (2018)
  • Author(s): 三善賢弥, 加生和寿,, 尾崎省吾, 片山 勉
  • Organizer: 第12回ゲノム微生物学会
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製起点におけるDnaAタンパク質の集合機構、DNA開裂構造体の形成機構、および、複製ヘリカーゼの導入機構 (2018)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 2017年度国立遺伝学研究所研究会 「単細胞システム細胞内装置の構造と機能」
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌の複製開始複合体の分子構築と機能メカニズム (2017)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 2016年度 国立遺伝学研究所研究会「単細胞システム細胞装置のダイナミズム」
  • Place of Presentation: 国立遺伝学研究所（静岡県三島市）
  • Year and Date: 2017-03-27
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始複合体の全体構造とその機能的意義 (2017)
  • Author(s): 片山 勉, 清水 将裕, 野口 泰徳, 﨑山 友香里, 川上 広宣, 加生 和寿, 高田 彰二
  • Organizer: 第11回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 慶応大学湘南藤沢キャンパス（神奈川県藤沢市）
  • Year and Date: 2017-03-02
• [Presentation] Toward Development of Integrated Regulatory Systems for The Replication Initiator Protein (2017)
  • Author(s): 加生 和寿, 片山 勉
  • Organizer: The 5th International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Function
  • Place of Presentation: 東京大学駒場キャンパス （東京都目黒区）
  • Year and Date: 2017-01-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanistic analysis of DARS-DnaA complex formation (2017)
  • Author(s): 杉山 諒, 加生 和寿, 片山 勉
  • Organizer: KAIST-Kyushu University Joint Seminar
  • Place of Presentation: 休暇村志賀島（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-01-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptional-dependent regulation of DnaA binding locus datA (2017)
  • Author(s): 酒井 隆至, 加生 和寿, 片山 勉
  • Organizer: KAIST-Kyushu University Joint Seminar
  • Place of Presentation: 休暇村志賀島（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-01-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DnaA 活性化領域DARS2 (DnaA-reactivating sequence 2) の染色体上の位置は複製開始タイミング制御のため重要である (2017)
  • Author(s): 井上祐希江, 加生和寿, 田中宏幸, 藤光和之, 大島 拓, 片山 勉
  • Organizer: 平成29年度日本生化学会九州支部例会
• [Presentation] 複製開始蛋白質DnaAに対する制御系の自律的連動システムの創生と動態原理の解析 (2017)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 新学術領域研究「生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能発現」2017全体班会議
• [Presentation] 大腸菌での複製開始タイミングを決定する核様体因子 IHFとDNA因子との適時的結合の制御機構 (2017)
  • Author(s): 加生和寿, 大島 拓, 片山 勉
  • Organizer: 第14回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] 大腸菌染色体における核様体形成因子による複製開始制御への役割の検討 (2017)
  • Author(s): 井上祐希江, 加生和寿, 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第８９回大会
• [Presentation] 複製開始蛋白質DnaAを不活化するDNA因子datAの制御における転写の重要性 (2017)
  • Author(s): 酒井隆至, 加生和寿, 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第８９回大会
• [Presentation] 複製開始制御を担うDNA部位と核様体因子 IHFとの複合体の解離機構の解析 (2017)
  • Author(s): 加生和寿, 大島 拓, 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第８９回大会
• [Presentation] 大腸菌をモデルとした染色体複製開始の分子機構と制御システムに関する研究 (2017)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第８９回大会（木原賞受賞講演）
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌DnaA複合体の染色体複製起点の開裂およびDnaBヘリカーゼ装着における機能構造動態 (2017)
  • Author(s): 﨑山友香里, 加生和寿, 野口泰徳, 川上広宣, 片山 勉
  • Organizer: 第24回DNA複製・組換え・修復ワークショップ
• [Presentation] 複製開始タンパク質DnaAを活性化する特異的なDNA配列DARS (DnaA reactivating sequence) におけるDnaA間相互作用様式の解析 (2017)
  • Author(s): 杉山 諒, 加生和寿, 片山 勉
  • Organizer: 2017年生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始におけるDnaAタンパク質とその制御DNA因子DARS2およびdatAの分子動態機構 (2017)
  • Author(s): 片山 勉, 加生 和寿, 﨑山友香里, 酒井隆至, 杉山 諒, 井上祐希江, 川上広宣
  • Organizer: 2017年生命科学系学会合同年次大会 ワークショップ「原核細胞ゲノム動態の新たな基礎研究の展開」（オーガナイザー：片山 勉, 石野良純）
• [Presentation] Mechanisms of DnaA assembly at the replication origin and in vitro reconstitution of the DnaA cycle, which regulates the initiation of chromosomal replication in E. coli (2017)
  • Author(s): 片山 勉, 加生和寿, 﨑山友香里, 川上広宣
  • Organizer: The 6th International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製開始と分配の制御における不連続複製の役割 (2016)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 岡崎フラグメント50周年シンポジウム 「DNA複製の過去・現在・未来ーゲノム複製からエピゲノム複製へ」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-12-21
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌のoriCにおける複製開始とその制御のため複製開始因子DnaAタンパク質が構築する高次複合体の分子機構 (2016)
  • Author(s): 片山 勉, 加生 和寿, 﨑山 友香里, 赤間 勇介, 井上 祐希江, 酒井 隆至, 杉山 諒, 川上 広宣
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会 シンポジウム「染色体複製複合体の形成と構造変化の分子機構とその制御」
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30
• [Presentation] 細菌DNA複製開始複合体の近原子構造モデルと機能解析 (2016)
  • Author(s): 清水 将裕, 野口 泰徳, 﨑山 友香里, 川上 広宣, 片山 勉, 高田 彰二
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会 シンポジウム「染色体複製複合体の形成と構造変化の分子機構とその制御」
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30
• [Presentation] Structure, Mechanism and Regulation of Escherichia coli Replication Initiation Complexes in DNA Unwinding (2016)
  • Author(s): 片山 勉, 﨑山 友香里, 野口 泰徳, 川上 広宣
  • Organizer: The 10th 3R (Replication, Recombination and Repair) Symposium
  • Place of Presentation: ホテル一畑（島根県松江市）
  • Year and Date: 2016-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional Dynamics of Replication Initiation Complex in Escherichia coli (2016)
  • Author(s): 﨑山 友香里, 野口 泰徳, 川上 広宣, 片山 勉
  • Organizer: The 10th 3R (Replication, Recombination and Repair) Symposium
  • Place of Presentation: ホテル一畑（島根県松江市）
  • Year and Date: 2016-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of Timely Replication Initiation by A Nucleoid Protein IHF on DnaA Activating And Inactivating DNA Elements (2016)
  • Author(s): 加生 和寿, 井上 祐希江, 大島 拓, 藤光 和之, 片山 勉
  • Organizer: The 10th 3R (Replication, Recombination and Repair) Symposium
  • Place of Presentation: ホテル一畑（島根県松江市）
  • Year and Date: 2016-11-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大腸菌の複製開始複合体における２重鎖DNA開裂とヘリカーゼ相互作用の分子機構 (2016)
  • Author(s): 片山 勉, 﨑山 友香里, 赤間 勇介, 野口 泰徳, 川上 広宣, 加生 和寿
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会 シンポジウム「ゲノムの維持と継承を制御するタンパク質と核酸の相互作用」
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25
• [Presentation] 核様体蛋白質IHFと特異的なDNA部位との複合体形成・解離による複製開始タイミング制御 (2016)
  • Author(s): 加生 和寿, 大島 拓, 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第88回大会 ワークショップ「バクテリアの全ゲノム解析から見えてきた新たな遺伝子と蛋白質の分子動態」
  • Place of Presentation: 日本大学国際関係学部（静岡県三島市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] 大腸菌染色体の複製起点oriC上で形成されるDnaA多量体の機能動態の解明 (2016)
  • Author(s): 﨑山 友香里, 野口 泰徳, 川上 広宣, 片山 勉
  • Organizer: 日本遺伝学会第88回大会 プレナリーワークショップ --昨年のBP賞受賞講演から-
  • Place of Presentation: 日本大学国際関係学部（静岡県三島市）
  • Year and Date: 2016-09-07
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌の染色体複製起点oriCにおけるDnaA複合体のダイナミクス (2016)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 日本進化学会 第18回東京大会 ワークショップ「生物進化に伴うDNA複製装置のDynamics」
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス （東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Invited
• [Presentation] 複製開始蛋白質DnaAに対する制御系の自律的連動システムの創生と動態原理の解析 (2016)
  • Author(s): 片山 勉
  • Organizer: 新学術領域研究「生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能発現」2016全体班会議
  • Place of Presentation: 長浜ロイヤルホテル (滋賀県長浜市)
  • Year and Date: 2016-06-11
• [Presentation] DnaA活性を制御するdatA領域の機能調節における転写の重要性の検討 (2016)
  • Author(s): 酒井 隆至, 加生 和寿, 片山 勉
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] 複製開始因子DnaAを活性化するDNA配列DARSにおけるDnaA複合体の形成様式の解明 (2016)
  • Author(s): 杉山 諒, 加生 和寿, 片山 勉
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] 複製開始蛋白質DnaAを活性化する非コードDNA領域DARS2 (DnaAreactivating sequence 2)の染色体上における位置は複製開始タイミング制御に重要である (2016)
  • Author(s): 井上 祐希江, 田中 宏幸, 加生 和寿, 藤光 和之, 大島 拓, 片山 勉
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] DnaB複製ヘリカーゼ装着におけるDnaA多量体の機能動態 (2016)
  • Author(s): 崎山 友香里, 西村 昌洋, 野口 泰徳, 川上 広宣, 片山 勉
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] 大腸菌染色体datA配列による複製開始蛋白質DnaA不活性化機構のDNA超らせんに応じた制御の解析 (2016)
  • Author(s): 加生 和寿, 田中 宏幸, 酒井 隆二, 片山 勉
  • Organizer: 平成28年度日本生化学会九州支部例会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス（鹿児島県鹿児島市）
  • Year and Date: 2016-05-14
• [Book] “Initiation of DNA replication at the chromosomal origin of E. coli, oriC” (pp79-98), In "DNA Replication: From Old Principles to New Discovery,"( H. Masai and M. Foiani ed.) (2017)
  • Author(s): Tsutomu Katayama
  • Total Pages: 581
  • Publisher: SpringerNature (Singapore)
• [Book] 生物の科学 遺伝（Vol. 71, No. 1） (2017)
  • Author(s): 神崎 秀嗣, 片山 勉, 児玉 悟, 新蔵 礼子, 矢島 孝浩
  • Total Pages: 96
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
• [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] 九州大学研究者情報＿片山 勉
  • URL: http://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K001101/index.html
• [Remarks] 九州大学大学院薬学研究院＿研究成果
  • URL: http://www.phar.kyushu-u.ac.jp/bbs/view2.php?S_Publ_Year=2017&word=&page=1&B_Code=399
• [Remarks] 九州大学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＿News＿研究成果
  • URL: http://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/63
• [Remarks] 九州大学 大学院薬学研究院＿研究成果
  • URL: http://www.phar.kyushu-u.ac.jp/bbs/view2.php?S_Publ_Year=2016&word=&page=1&B_Code=357