ヒストンバリアントH2A.Z非ゲノム情報の複製における分子機構と制御クロストーク

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 20H05378
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 原田 昌彦 東北大学, 農学研究科, 教授 (70218642)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: ヒストンバリアント / 細胞核 / クロマチン / 遺伝子発現制御 / ヒストン / エピジェネティクス / 遺伝子発現

Outline of Research at the Start

ヒストンバリアントのヌクレオソームへの導入が、エピジェネティック制御に重要な役割を果たす。ヒストンバリアントH2A.Zは、ゲノム上の特定領域に導入されて転写制御を行い、発生・分化・細胞がん化にも重要な役割を果たす。H2A.Zは多くの遺伝子のプロモーターに導入され、その導入情報はDNA 複製後も維持されるが、導入位置を決定する機構、および複製後もH2A.Z非ゲノム情報が維持される機構は不明である。そこで本研究では、H2A.Z非ゲノム情報がどのような機構で複製されるか、および H2A.Z非ゲノム情報が他の非ゲノム情報の複製にどのように寄与するか、などについて研究を行う。

Outline of Annual Research Achievements

ヒストンバリアントのクロマチンへの導入は、遺伝子機能の制御に重要なメカニズムの一つである。H2AヒストンのバリアントであるH2A.Zは、ゲノムの特定領域に導入されることで遺伝子の発現制御を行うことが知られている。さらにH2A.Zは、発生・分化・細胞がん化などの高次生命機能の発現にも重要な役割を果たす。しかし、ヒストンバリアントH2A.Zがクロマチン上の特定領域に導入される分子メカニズムや、複製後もこのH2A.Zの非ゲノム情報が維持される機構は不明なままであり、H2A.Zがどのように高次生命機能の制御に関わるかについての分子機構は十分に解明されていない。本研究では、これらの問題の解決を目指し、
H2A.Z遺伝子破壊酵母株やテトラサイクリン誘導的にヒストンバリアントH2A.Z発現をシャットダウンできる脊椎動物培養細胞(DT40細胞）などを用いて解析を開始した。さらに本研究を進める中で開発された、デグロンによって一過的にH2A.Zを分解可能な線虫株を用いた解析も行った。前年度に引き続き、クロマチン免疫沈降法と次世代シークエンサーを用いたChIP-seq法でH2A.Z導入を解析し、外的環境変化に対応した遺伝子発現変化と合わせて解析したところ、H2A.Zが遺伝子発現における環境応答に重要な役割を果たすことが示された。また、線虫株で一過的にH2A.Zを発現して発生を観察することにより、線虫においてH2A.Zが発生や、生殖腺の分化に重要な役割を果たすことが示された。このデグロン分解系を導入した線虫のシステムは、今後、H2A.Zの高次生命機能発現への関与を解析する上で有用であることが示された。

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

• [Journal Article] The auxin-inducible degron 2 (AID2) system enables controlled protein knockdown during embryogenesis and development in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Negishi T, Kitagawa S, Horii N, Tanaka Y, Haruta N, Sugimoto A, Sawa H, Hayashi KI, Harata M, Kanemaki MT.
  • Journal Title: Genetics Volume: 220 Issue: 2
  • DOI: 10.1093/genetics/iyab218
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nucleoskeleton proteins for nuclear dynamics (2021)
  • Author(s): Miyamoto Kei、Harata Masahiko
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: - Issue: 3 Pages: 237-241
  • DOI: 10.1093/jb/mvab006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] THz irradiation inhibits cell division by affecting actin dynamics (2021)
  • Author(s): Yamazaki S, Ueno Y, Hosoki R, Saito T, Idehara T, Yamaguchi Y, Otani C, Ogawa Y, Harata M, Hoshina H.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 16 Issue: 8 Pages: e0248381-e0248381
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0248381
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In Vitro-Evolved Peptides Bind Monomeric Actin and Mimic Actin-Binding Protein Thymosin-beta4 (2021)
  • Author(s): Gubeli RJ, Bertoldo D, Shimada K, Gerhold CB, Hurst V, Takahashi Y, Harada K, Mothukuri GK, Wilbs J, Harata M, Gasser SM, Heinis C.
  • Journal Title: ACS Chem Biol Volume: 16 Issue: 5 Pages: 820-828
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00825
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modulating dynamics and function of nuclear actin with synthetic bicyclic peptides (2021)
  • Author(s): Machida N, Takahashi D, Ueno Y, Nakama Y, Gubeli RJ, Bertoldo D, Harata M.
  • Journal Title: J Biochem Volume: 169 Issue: 3 Pages: 295-302
  • DOI: 10.1093/jb/mvaa130
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of the molecular evolution of histone variant H2A.Z using a linker-mediated complex strategy and yeast genetic complementation (2021)
  • Author(s): Kitagawa Saho、Kusakabe Masayuki、Takahashi Daisuke、Narimiya Takumi、Nakabayashi Yu、Seki Masayuki、Horigome Chihiro、Harata Masahiko
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 86 Issue: 1 Pages: 104-108
  • DOI: 10.1093/bbb/zbab190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An improved functional analysis of linker-mediated complex (iFALC) strategy (2020)
  • Author(s): Nakabayashi Yu、Harata Masahiko、Seki Masayuki
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 526 Issue: 4 Pages: 1164-1169
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.04.039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Actin-Family Protein Arp4 Is a Novel Suppressor for the Formation and Functions of Nuclear F-Actin (2020)
  • Author(s): Yamazaki Shota、Gerhold Christian、Yamamoto Koji、Ueno Yuya、Grosse Robert、Miyamoto Kei、Harata Masahiko
  • Journal Title: Cells Volume: 9 Issue: 3 Pages: 758-758
  • DOI: 10.3390/cells9030758
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Propagation of THz irradiation energy through aqueous layers: Demolition of actin filaments in living cells (2020)
  • Author(s): Yamazaki Shota、Harata Masahiko、Ueno Yuya、Tsubouchi Masaaki、Konagaya Keiji、Ogawa Yuichi、Isoyama Goro、Otani Chiko、Hoshina Hiromichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 9008-9008
  • DOI: 10.1038/s41598-020-65955-5
  • NAID: 120006848270
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impairment of nuclear F-actin formation and its relevance to cellular phenotypes in Hutchinson-Gilford progeria syndrome (2020)
  • Author(s): Takahashi Yuto、Hiratsuka Shogo、Machida Nanako、Takahashi Daisuke、Matsushita Junpei、Hozak Pavel、Misteli Tom、Miyamoto Kei、Harata Masahiko
  • Journal Title: Nucleus Volume: 11 Issue: 1 Pages: 250-263
  • DOI: 10.1080/19491034.2020.1815395
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SMARCA4 deficiency-associated heterochromatin induces intrinsic DNA replication stress and susceptibility to ATR inhibition in lung adenocarcinoma (2020)
  • Author(s): Kurashima K, Kashiwagi H, Shimomura I, Suzuki A, Takeshita F, Mazevet M, Harata M Yamashita T, Yamamoto Y, Kohno T, Shiotani B
  • Journal Title: NAR Cancer Volume: 2 Issue: 2 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1093/narcan/zcaa005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞内蛋白質に対するテラヘルツ光照射影響 (2022)
  • Author(s): 上野佑也、山崎祥他、大谷知行、原田昌彦、保科宏道
  • Organizer: 理研シンポジウム第 9 回「光量子工学研究」―エクストリームフォトニクスが拓く未来の光科学―
• [Presentation] 核内アクチン繊維形成とゲノム機能制御におけるアクチンファミリーArp4の役割、The actin-family protein Arp4 suppresses formation of nuclear actin filament (2021)
  • Author(s): 上野 佑也、山崎 祥他、GERHOLD Christian、山本 浩志、宮本 圭、原田 昌彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] DNA損傷依存的な姉妹染色分体間接着への核膜孔の関与 Relocation of DNA breaks to nuclear pores is involved in damage-induced sister chromatid cohesion (2021)
  • Author(s): 折原行希，高橋大輔，小西辰紀，尾間由佳子，島田健士, Susan M. Gasser, 原田昌彦, 堀籠智洋
  • Organizer: 第38回染色体ワークショップ・第19回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] DNA損傷依存的な姉妹染色分体間接着への核膜孔の関与 Relocation of DNA breaks to nuclear pores is involved in damage-induced sister chromatid cohesion (2021)
  • Author(s): 折原行希，高橋大輔，小西辰紀，尾間由佳子，島田健士, Susan M. Gasser, 原田昌彦, 堀籠智洋
  • Organizer: 日本農芸化学会 2021 年度（令和3 年度）［仙台］大会
• [Presentation] 細胞内のアクチン繊維形成はTHz光照射によって促進される (2021)
  • Author(s): 細木 亮輔,山崎祥他,上野裕也,保科宏道,小川雄一,原田昌彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 放射光が食と農の未来を拓く (2021)
  • Author(s): 原田昌彦
  • Organizer: 東北大学多元物質科学研究所イノベーション・エクスチェンジ2020
  • Invited
• [Presentation] 東北大学農学研究科の取り組みと農学分野における利用可能性 (2021)
  • Author(s): 原田昌彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会、シンポジウム「農芸化学領域における次世代放射光施設利活用ポテンシャルと将来展望」
  • Invited
• [Presentation] DNA損傷依存的な姉妹染色分体間接着には核膜孔との結合が必要である (2021)
  • Author(s): 折原行希、高橋大輔、小西辰紀、岡田大和、尾間由佳子、島田健士、Susan M. Gasser、 原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第54回研究報告会
• [Presentation] Roles of the histone variant H2A.Z in post-embryonic development of C. elegans (2021)
  • Author(s): Saho Kitagawa, Natsumi Horii, Nami Haruta, Yukako Oma, Akane Konno, Masato Kanemaki, Sugimoto, and Masahiko Harata
  • Organizer: 23rd International C. elegans Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional analysis of histone variant H2A.Z in response to nickel exposure of Caenorhabditis elegans (2021)
  • Author(s): Natsumi Horii, Saho kitagawa, Mayu Aida, Masahiko Harata
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会 2021
• [Presentation] 大腸菌培養におけるフッ素系不活性溶媒添加の影響解析 (2021)
  • Author(s): 細木亮輔、川田晃士、山重貴久、菊池正二郎、小川雄一、原田昌彦
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部第156回大会
• [Presentation] 老化した出芽酵母における DNA 二本鎖切断の核膜結合に関する解析 (2021)
  • Author(s): 堀川和希、原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 酵母研究若手の会 第7回研究会
• [Presentation] 老化した出芽酵母におけるDNA二本鎖切断の解析 (2021)
  • Author(s): 堀川和希、原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部 第156回大会
• [Presentation] 核膜孔結合によるrDNA安定化機構の解明 (2021)
  • Author(s): 岡田大和、原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 第7回酵母研究若手の会
• [Presentation] DNA損傷誘導性姉妹染色分体間接着には損傷部位と核膜孔との結合が必要である (2021)
  • Author(s): 岡田大和、折原行希、高橋大輔、小西辰紀、尾間由佳子、島田健士、Susan M. Gasser、原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部 第156回大会
• [Presentation] テラヘルツ光照射による細胞内アクチン繊維形成の制御技術の探索 (2021)
  • Author(s): 上野佑也、山崎祥他、小川雄一、保科宏道、原田昌彦
  • Organizer: テラヘルツ科学の最先端VIII
• [Presentation] テラヘルツ光照射による細胞内アクチンフィラメント操作の試み、Application of terahertz wave for manipulation of intracellular actin filaments (2021)
  • Author(s): 上野 佑也、山崎 祥他、坪内 雅明、小川 雄一、保科 宏道、大谷 知行、原田 昌彦
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 早?症細胞における核内アクチン動態変化とその機構の解析 (2021)
  • Author(s): 高橋祐人、町田奈々子、松下純平、宮本圭、原田昌彦
  • Organizer: 第73回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 高強度テラヘルツ光照射がDNA損傷修復反応に与える影響の解析 (2021)
  • Author(s): 細木亮輔、上野佑也、山崎祥他、保科宏導、小川雄一、原田昌彦
  • Organizer: 第44回回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 早老症細胞における核内アクチンとラミンAのクロストーク (2021)
  • Author(s): 高橋祐人、名嘉真良広、町田奈々子、Tom Misteli、原田昌彦
  • Organizer: 第39回染色体ワークショップ・第19回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] ゲノム機能制御および個体発生・分化におけるヒストンバリアントH2A.Zの機能解明 (2021)
  • Author(s): 北川紗帆、堀井菜摘、春田奈美、尾間由佳子、金野あかね、鐘巻将人、杉本亜砂子、原田昌彦
  • Organizer: 第39回染色体ワークショップ・第20回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] DNA損傷依存的な姉妹染色体分体間接着には核膜孔との結合が必要である (2021)
  • Author(s): Yamato Okada, Yuki Orihara, Daisuke Takahashi, Tatsunori Konishi, Yukako Oma, Kenji Shimada, Susan M. Gasser, Masahiko Harata, Chihiro Horigome
  • Organizer: 第４４回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 老化した出芽酵母におけるDNA二本鎖切断の核膜結合に関する解析 (2021)
  • Author(s): 堀川和希、原田昌彦、堀籠智洋
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 早老症細胞における核内アクチン動態変化とその機構の解析 (2021)
  • Author(s): 高橋祐人、町田奈々子、松下純平、宮本圭、原田昌彦
  • Organizer: 第73回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] ヒストンバリアントH2A.Z導入機構と機能の進化的保存性解析 (2020)
  • Author(s): 北川紗帆、高橋大輔、日下部将之、尾間由佳子、奥裕之、成宮巧、中林悠、関政幸、原田昌彦
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第 53 回研究報告会
• [Presentation] THz wave irradiation activates polymerization of protein inside cells、THz光照射による細胞内タンパク質の重合反応促進 (2020)
  • Author(s): 上野佑也、山崎祥他、細木亮輔、小川雄一、保科弘道、大谷知行、原田昌彦
  • Organizer: 東北大学＆理化学研究所 連携シンポジウム
• [Presentation] アクチンファミリータンパク質Arp4は核内アクチン繊維の形成と機能を制御する、The actin-family protein Arp4 regulates the formation and functions of nuclear actin filament (2020)
  • Author(s): 上野佑也 、山崎祥他 、Christian Gerhold 、山本浩志 、宮本圭 、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Evolutionary conservativeness of the histone variant H2A.Z in its deposition and functions (2020)
  • Author(s): 北川紗帆 、日下部将之 、奥裕之 、高橋大輔 、成宮巧 、中林悠、関政幸、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 早老症細胞における核内アクチン繊維の形成異常と早老症病態との関連性 Nuclear F-actin formation and the etiology of Hutchinson-Gilford progeria syndrome (2020)
  • Author(s): 高橋祐人、平塚晶吾、町田奈々子、Pavel Hozak、Tom Misteli、宮本圭、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ヒストンバリアントH2A.Zのゲノム導入部位決定機構解析 (2020)
  • Author(s): 高橋大輔、北川紗帆、小田有沙、仮屋園遼、尾間由佳子、太田邦史、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] H2A.Zヒストンバリアントアイソフォーム間における酸化ストレス応答遺伝子EGR1転写制御機構の差異の解析 (2020)
  • Author(s): 荻原望、高橋大輔、堀哲也、深川竜郎、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] テラヘルツ光照射による細胞内アクチン重合化の促進 (2020)
  • Author(s): 細木亮輔、山崎祥他、上野佑也、保科宏道、小川雄一、原田昌彦
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会