多能性幹細胞傷害後のクロマチン変換が及ぼすDNA損傷発生機構および修復経路の解明

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 20H04879
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 柴田 淳史 群馬大学, 未来先端研究機構, 准教授 (30707633)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: DNA修復 / 幹細胞 / クロマチン / DNA損傷

Outline of Research at the Start

植物幹細胞は多能性の維持において独自のゲノム制御システムを有している。植物幹細胞はDNA損傷に対して高感受性を示すが、細胞死に至るまでのシグナル応答は多くが未解明である。これまでの研究から、植物幹細胞が DNA 損傷を受けた場合、オーキシン発現量の低下に伴うクロマチン弛緩が生じることが明らかになりつつある。本研究では、動物細胞を植物研究のモデル生物として用い、幹細胞における DNA損傷発生、修復経路、そして細胞死までの分子機構を解明することで、動植物幹細胞ゲノム維持機構の共有性と独自性の統合的理解に迫る。

Outline of Annual Research Achievements

植物幹細胞は多能性の維持において独自のゲノム制御システムを有している。植物幹細はDNA損傷に対して高感受性を示すが、細胞死に至るまでのシグナル応答は多くが未解明である。これまでの研究から、植物幹細胞がDNA損傷を受けた場合、オーキシン発現量の低下に伴うクロマチン弛緩が生じることが明らかになりつつある。本研究では、動物細胞を植物研究のモデル生物として用い、幹細胞におけるDNA損傷発生、修復経路、そして細胞死までの分子機構を解明することで、動植物幹細胞ゲノム維持機構の共有性と独自性の統合的理解に迫る。本年度は、細胞の運命を左右する重篤なDNA損傷の一つであるDNA二本鎖切断（DSB)後の損傷応答に着目し、DSB誘導後のクロマチン構造変化とDSBマーカーの局在性を、超高解像度蛍光顕微鏡3D-SIMを用いて解析した。また、DSB発生時の核内クロマチン弛緩状態をモニターするため、部位特異的DSB誘導系であるAsiSIアッセイを構築し、ATAC-seqを行った。これらの結果から、DSB部位の近傍のみにおいてクロマチンが弛緩し、遠位では複数のヌクレオソームが構築するナノドメインの配置変化が起こることを見出した。さらに、DSB後のクロマチン構造変換に影響を及ぼす分子機構を解明すべく、DNA損傷後の遺伝子発現をRNA-seqによるトランスクリプトーム解析を行った結果、分化した細胞ではCAF-1，HP-1，KAP-1の顕著な低下が認められたことから、遺伝子発現レベルでのクロマチン構造制御が行われている可能性が示唆された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Int'l Joint Research] インドネシア大学(インドネシア)
• [Int'l Joint Research] タタ記念病院(インド)
• [Int'l Joint Research] サセックス大学(英国)
• [Journal Article] RAP80 suppresses the vulnerability of R-loops during DNA double-strand break repair (2022)
  • Author(s): Yasuhara Takaaki、Kato Reona、Yamauchi Motohiro、Uchihara Yuki、Zou Lee、Miyagawa Kiyoshi、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 38 Issue: 5 Pages: 110335-110335
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110335
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Expression of non-homologous end joining factor, Ku80, is negatively correlated with PD-L1 expression in cancer cells after X-ray irradiation (2021)
  • Author(s): Kumazawa Takuya、Mori Yasumasa、Sato Hiro、Permata Tiara、Uchihara Yuki、Noda Shin-Ei、Okada Kohei、Kakoti Sangeeta、Suzuki Keiji、Ikota Hayato、Yokoo Hideaki、Gondhowiardjo Soehartati、Nakano Takashi、Ohno Tatsuya、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 23 Issue: 1 Pages: 29-29
  • DOI: 10.3892/ol.2021.13147
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 64Cu-ATSM Predicts Efficacy of Carbon Ion Radiotherapy Associated with Cellular Antioxidant Capacity (2021)
  • Author(s): Nachankar Ankita、Oike Takahiro、Hanaoka Hirofumi、Kanai Ayaka、Sato Hiro、Yoshida Yukari、Obinata Hideru、Sakai Makoto、Osu Naoto、Hirota Yuka、Takahashi Akihisa、Shibata Atsushi、Ohno Tatsuya
  • Journal Title: Cancers Volume: 13 Issue: 24 Pages: 6159-6159
  • DOI: 10.3390/cancers13246159
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome Maintenance Mechanisms at the Chromatin Level (2021)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Shibata Atsushi、Umeda Masaaki
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10384-10384
  • DOI: 10.3390/ijms221910384
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ATM’s Role in the Repair of DNA Double-Strand Breaks (2021)
  • Author(s): Shibata Atsushi、Jeggo Penny A.
  • Journal Title: Genes Volume: 12 Issue: 9 Pages: 1370-1370
  • DOI: 10.3390/genes12091370
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanism of chromosome rearrangement arising from single-strand breaks (2021)
  • Author(s): Kot Palina、Yasuhara Takaaki、Shibata Atsushi、Hirakawa Miyako、Abe Yu、Yamauchi Motohiro、Matsuda Naoki
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 572 Pages: 191-196
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.08.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High linear energy transfer carbon-ion irradiation upregulates PD-L1 expression more significantly than X-rays in human osteosarcoma U2OS cells (2021)
  • Author(s): Permata Tiara Bunga Mayang、Sato Hiro、Gu Wenchao、Kakoti Sangeeta、Uchihara Yuki、Yoshimatsu Yukihiko、Sato Itaru、Kato Reona、Yamauchi Motohiro、Suzuki Keiji、Oike Takahiro、Tsushima Yoshito、Gondhowiardjo Soehartati、Ohno Tatsuya、Yasuhara Takaaki、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Journal of Radiation Research Volume: 62 Issue: 5 Pages: 773-781
  • DOI: 10.1093/jrr/rrab050
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modulation of immune responses by DNA damage signaling (2021)
  • Author(s): Uchihara Yuki、Permata Tiara Bunga Mayang、Sato Hiro、Shibata Atsushi
  • Journal Title: DNA Repair Volume: 104 Pages: 103135-103135
  • DOI: 10.1016/j.dnarep.2021.103135
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of radiotherapy induced alteration of CD8+ T cells and PD-L1 expression in patients with uterine cervical squamous cell carcinoma (2021)
  • Author(s): Mori Yasumasa、Sato Hiro、Kumazawa Takuya、Permata Tiara、Yoshimoto Yuya、Murata Kazutoshi、Noda Shin-Ei、Kaminuma Takuya、Ando Ken、Oike Takahiro、Okonogi Noriyuki、Okada Kohei、Kakoti Sangeeta、Suzuki Keiji、Ikota Hayato、Yokoo Hideaki、Nakano Takashi、Ohno Tatsuya、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 21 Issue: 6 Pages: 446-446
  • DOI: 10.3892/ol.2021.12707
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative volumetric analysis of the Golgi apparatus following X-ray irradiation by super-resolution 3D-SIM microscopy (2021)
  • Author(s): Oike Takahiro、Uchihara Yuki、Permata Tiara Bunga Mayang、Gondhowiardjo Soehartati、Ohno Tatsuya、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Medical Molecular Morphology Volume: - Issue: 2 Pages: 166-172
  • DOI: 10.1007/s00795-020-00277-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] UBC13-Mediated Ubiquitin Signaling Promotes Removal of Blocking Adducts from DNA Double-Strand Breaks (2020)
  • Author(s): Akagawa Remi、Trinh Hai Thanh、Saha Liton Kumar、Tsuda Masataka、Hirota Kouji、Yamada Shintaro、Shibata Atsushi、Kanemaki Masato T.、Nakada Shinichiro、Takeda Shunichi、Sasanuma Hiroyuki
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 4 Pages: 101027-101027
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RNF8 promotes high linear energy transfer carbon-ion-induced DNA double-stranded break repair in serum-starved human cells (2020)
  • Author(s): Nakajima Nakako Izumi、Yamauchi Motohiro、Kakoti Sangeeta、Cuihua Liu、Kato Reona、Permata Tiara Bunga Mayang、Iijima Moito、Yajima Hirohiko、Yasuhara Takaaki、Yamada Shigeru、Hasegawa Sumitaka、Shibata Atsushi
  • Journal Title: DNA Repair Volume: 91-92 Pages: 102872-102872
  • DOI: 10.1016/j.dnarep.2020.102872
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Roles for 53BP1 in the repair of radiation-induced DNA double strand breaks (2020)
  • Author(s): Shibata Atsushi、Jeggo Penny A.
  • Journal Title: DNA Repair Volume: 93 Pages: 102915-102915
  • DOI: 10.1016/j.dnarep.2020.102915
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] DNA Repair and Signaling in Immune-Related Cancer Therapy (2020)
  • Author(s): Kakoti Sangeeta、Sato Hiro、Laskar Siddhartha、Yasuhara Takaaki、Shibata Atsushi
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Biosciences Volume: 7 Pages: 205-205
  • DOI: 10.3389/fmolb.2020.00205
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Roles for the DNA-PK complex and 53BP1 in protecting ends from resection during DNA double-strand break repair (2020)
  • Author(s): Shibata Atsushi、Jeggo Penny A
  • Journal Title: Journal of Radiation Research Volume: 61 Issue: 5 Pages: 718-726
  • DOI: 10.1093/jrr/rraa053
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Immune responses regulated by DNA damage signaling (2022)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 12th International Symposium Gunma University Initiative for Advanced Research (GIAR)、Hybrid conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放射線の細胞への影響 (2022)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会 第12回放射線生物学セミナー
  • Invited
• [Presentation] Radiation-induced DNA damage and repair: a look into carbon-ion dependent Clustered DNA Double Strand Breaks (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: International Training Course on Carbon Ion Radiotherapy 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射線照射が誘発する免疫応答の分子機構からみた放射線免疫治療併用の可能性 (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第62回日本肺癌学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 修復：線量によって変化するDNA修復機構 (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第34回学術大会
  • Invited
• [Presentation] 正確なDNA修復へと導くDNA二本鎖切断修復経路の決定メカニズム (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 放射線治療時に生じるDNA損傷を起因とする腫瘍免疫活性化の分子メカニズム (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第59回日本癌治療学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 放射線分子生物学の知見をどのようにして私たちの健康に役立てるのか？ (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 日本放射線影響学会 第64回大会・シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 放射線照射により惹起される免疫応答系リガンドの発現制御機構 (2021)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第49回放射線による制癌シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ゲノムの安定性維持機構の破綻による細胞影響から病態理解へ (2020)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 生命科学研究の最前線～生命の神秘を解き明かし、世界の医療発展に貢献する～ (2020)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 群馬大学グローバルフロンティアリーダー（GFL）先端研究学際講演会
  • Invited
• [Presentation] G1期細胞におけるDNA二本鎖切断修復選択機構 (2020)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 日本放射線影響学会第63回大会
  • Invited
• [Presentation] 転写活性領域におけるDNA二本鎖切断修復の経路選択機構 (2020)
  • Author(s): 柴田 淳史
  • Organizer: 第20回日本抗加齢医学会総会
  • Invited
• [Remarks] 柴田研究室HP
  • URL: https://shibataxlab.com
• [Remarks] 柴田研究室HP
  • URL: https://shibataxlab.com/