Roles of G-quadruplexes in initiation of DNA replication and their biological significance

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 20H05399
• 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: Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science
• Principal Investigator: 正井 久雄 公益財団法人東京都医学総合研究所, 基礎医科学研究分野, 所長 (40229349)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 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: グアニン４重鎖構造 / 複製開始 / RNA-DNAハイブリッド / 大腸菌染色体 / 複製環境適応 / 非ゲノム情報 / 変異 / 組換え / グアニン４重鎖 / DNA複製開始 / 大腸菌染色体複製 / 環境適応

Outline of Research at the Start

本研究では、非ゲノム情報であるG4/RNA-DNA ハイブリッドが、DNA 複製開始のシグナルとして機能する可能性を検証し、そのメカニズムと生物学的意義について解明する。具体的には、大腸菌のG4/RNA-DNA ハイブリッド依存的複製システムを用いてG4 形成が実際に複製開始に必須かを検証し、複製開始に関与するタンパク質-G4 相互作用を解明する。更にこの複製システムの、生物学的・進化的意義の解明を目指した実験を行う。又、動物細胞においてもG4 依存的DNA 複製を検証する。更に一細胞解析により、G4 の存在部位と複製開始部位の分布を比較し、G4 形成と複製開始の確率論的発生の関連を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

典型的な非B型DNA構造である、グアニン４重鎖(G4)構造は、生物種を問わず普遍的に存在し、その生物学的機能も次々と報告されている。G4は、配列ではなく、形成する核酸形態が重要な役割を果たす。又、G4の形成と崩壊は、生体内でダイナミックに変動している可能性があり、これまで見逃されている重要な非ゲノム情報である。数年前にヒトを含む高等生物の複製起点の近傍に高い頻度でG4形成配列が存在する事が明らかとなり、G4の複製開始における役割が示唆された。私たちは、G4がDNA複製開始のシグナルとして、あるいは、複製を抑制するクロマチン形成の拠点として機能することを発見した。本研究では、非ゲノム情報としてのG4の細胞内でのダイナミックな形成が、DNA複製開始をどのように制御するか、またその存在がゲノムの安定な維持継承にどのような影響を及ぼすかを解析し、その分子機構と生物学的意義の解明を目指す。本年度、転写プロモーターとG-rich配列を連結し、転写に依存して自律的に複製できるユニットを大腸菌細胞内で合成生物学的に樹立した。この複製システムを酵母と動物細胞に導入し、自律的に複製するかどうかを現在検討している。

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] Loss of full-length DNA replication regulator Rif1 in two-cell embryos is associated with zygotic transcriptional activation (2021)
  • Author(s): Yoshizawa-Sugata Naoko、Yamazaki Satoshi、Mita-Yoshida Kaoru、Ono Tomio、Nishito Yasumasa、Masai Hisao
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 297 Issue: 6 Pages: 101367-101367
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.101367
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Discovery of AS-0141, a Potent and Selective Inhibitor of CDC7 Kinase for the Treatment of Solid Cancers (2021)
  • Author(s): Irie Takayuki、Asami Tokiko、Sawa Ayako、Uno Yuko、Taniyama Chika、Funakoshi Yoko、Masai Hisao、Sawa Masaaki
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 64 Issue: 19 Pages: 14153-14164
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01319
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extracellular DJ-1 induces sterile inflammation in the ischemic brain. (2021)
  • Author(s): Nakamura K, Sakai S, Tsuyama J, Nakamura A, Otani K, Kurabayashi K, Yogiashi Y, Masai H, Shichita T
  • Journal Title: PLOS Biol Volume: 19 Issue: 5 Pages: e3000939-e3000939
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3000939
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A KDM6 inhibitor potently induces ATF4 and its target gene expression through HRI activation and by UTX inhibition (2021)
  • Author(s): Kitajima Shojiro、Sun Wendi、Lee Kian Leong、Ho Jolene Caifeng、Oyadomari Seiichi、Okamoto Takashi、Masai Hisao、Poellinger Lorenz、Kato Hiroyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4538-4538
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83857-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of cellular G-quadruplex by using a loop structure as a structural determinant (2020)
  • Author(s): Masai Hisao、Kanoh Yutaka、Kakusho Naoko、Fukatsu Rino
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 531 Issue: 1 Pages: 75-83
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.191
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] G-quadruplex DNA and RNA: Their roles in regulation of DNA replication and other biological functions (2020)
  • Author(s): Masai Hisao、Tanaka Taku
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 531 Issue: 1 Pages: 25-38
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.132
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] G-quadruplexes: tools, roles, and goals (2020)
  • Author(s): Masai Hisao、Tan Zheng
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 531 Issue: 1 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.05.092
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] LDL-mimetic lipid nanoparticles prepared by surface KAT ligation for<i>in vivo</i>MRI of atherosclerosis (2020)
  • Author(s): Fracassi Alessandro、Cao Jianbo、Yoshizawa-Sugata Naoko、T?th ?va、Archer Corey、Gr?ninger Olivier、Ricciotti Emanuela、Tang Soon Yew、Handschin Stephan、Bourgeois Jean-Pascal、Ray Ankita、Liosi Korinne、Oriana Sean、Stark Wendelin、Masai Hisao、Zhou Rong、Yamakoshi Yoko
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 11 Issue: 44 Pages: 11998-12008
  • DOI: 10.1039/d0sc04106h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cancer-derived UTX TPR mutations G137V and D336G impair interaction with MLL3/4 complexes and affect UTX subcellular localization. (2020)
  • Author(s): Kato H, Asamitsu K, Sun W, Kitajima S, Yoshizawa-Sugata N, Okamoto T, Masai H, Poellinger L
  • Journal Title: Oncogene. Volume: 39 Issue: 16 Pages: 3322-3335
  • DOI: 10.1038/s41388-020-1218-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Roles of G4 binding and multimization of Rif1 in S phase regulation in fission yeast cells. (2021)
  • Author(s): Hisao Masai, Yutaka Kanoh, Kaho Takasawa, Daisuke Koida, Seiji Matsumoto
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference YEAST AND LIFE SCIENCES
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Claspin is required for growth recovery from serum starvation through regulating the PI3K-PDK1-mTOR pathway. (2021)
  • Author(s): Chi-Chun Yang, Hisao Masai
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference, DNA METABOLISM, GENOMIC STABILITY & HUMAN DISEASE
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms of membrane association of Rif1 and its role in replication timing regulation (2021)
  • Author(s): Tomohiro Iguchi, Sayuri Ito, Naoko Kokusho, Yutaka Kanoh, Kaho, Takasawa, Kenji Moriyama, Hiroyuki Sasanuma, Hisao Masai.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting EUKARYOTIC DNA REPLICATION & GENOME MAINTENANCE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chromatin regulation that involves assembly of protein, lipid and DNA with a special higher-order structure (2021)
  • Author(s): 正井久雄
  • Organizer: シンポジウム「染色体の多様な機能を支えるタンパク質高次複合体」第94回日本生化学会大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Association of Rif1 with nuclear membrane is essential for genome-wide replication timing regulation (2021)
  • Author(s): Tomohiro Iguchi, Sayuri Ito, Naoko Kakusho, Satoshi Yamazaki, Asami Oji, Rino Fukatsu, Ichiro Hiratani, Hiroyuki Sasanuma, Hisao Masai
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会 シンポジウム 「DNA構造ダイナミクスを基盤とするゲノム複製と維持の生物種を超えた共通原理」
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genetic interaction network of BRCA2 tumor suppressor gene (2021)
  • Author(s): Hiroyuki Sasanuma, Kousei Yamada, Ngo Trinh, Hisao Masai, Kosuke Yusa
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会 ワークショップ「ゲノム安定性：その破綻を誘導する分子機構と破綻によりおこるゲノム異常」
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Claspin, a key regulator of replication checkpoint, is differentially regulated in cancer and non-cancer cells. (2020)
  • Author(s): Chi-Chun Yang、Hisao Masai
  • Organizer: 11th international symposium on DNA Damage Response & Human Disease
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グアニン４重鎖/RNA-DNAハイブリッド構造によるDNA複製の制御機構 (2020)
  • Author(s): 正井久雄
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会 シンポジウム『ゲノム反応中間体としての非B型核酸:その構造と生物学的意義』
  • Invited
• [Presentation] G4/RNA-DNAハイブリッドに依存する環状染色体DNAの複製機構 (2020)
  • Author(s): 正井 久雄 、 田中 卓 、鷺 朋子 、深津 理乃 、関 由美香
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020 ワークショップ 『核様体DNAの複製と品質維持の最前線研究』
  • Invited
• [Presentation] Cdc7ーASKキナーゼ複合体の脳の発生における役割 (2020)
  • Author(s): 堀 かりん、 井口 智弘、山崎 聡志、小野 富男、丸山 千秋、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] 転写によるRNA-DNAハイブリッド上でのG４構造形成 (2020)
  • Author(s): 井上 直也 、覺正 直子 、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] 細胞融合によるPD-L1の発現上昇は腫瘍形成を促進する (2020)
  • Author(s): 田島 陽一 、 芝崎 太 、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] 免疫細胞の増殖と分化におけるCdc7と活性化サブユニットASK(Dbf4)の役割 (2020)
  • Author(s): 井口 智弘、 山崎 聡志、小野 富男、石井 里絵、堀 かりん、小林 駿介、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] multi-replicon 様式の大腸菌染色体複製メカニズム (2020)
  • Author(s): 田中 卓、 鷺 朋子、西藤 泰昌、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] Rif1多量体形成能の複製タイミング制御における役割の解明 (2020)
  • Author(s): 高沢 佳芳、 加納 豊、松本 清治、小林 駿介、深津 理乃、覺正 直子、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] RNA-DNAハイブリッド/G4構造に依存する大腸菌plasmidの複製開始メカニズムの解析 (2020)
  • Author(s): 深津 理乃 、 田中 卓 、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] リン酸化によるClaspinの分子内相互作用によるDNA複製の制御 (2020)
  • Author(s): YOU Zhiying 、 YANG ChiChun 、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] 分裂酵母のRif1の過剰発現は増殖を阻害し、M期の進行を妨害することで細胞死を誘導する (2020)
  • Author(s): 加納 豊、 松本 清治、上野 勝、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] 大腸菌におけるゲノム上のRNA-DNA hybrid・グアニン4重鎖構造のプロファイルと第二の複製系での役割の解明 (2020)
  • Author(s): 鷺 朋子、 田中 卓、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] ClaspinはPI3 kinaseとmTORと相互作用し、血清飢餓からの増殖と栄養系シグナル伝達に必要である (2020)
  • Author(s): 楊 其駿 、 正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] ヒトRif1C末領域はその核膜局在と複製タイミング制御に必要とされる (2020)
  • Author(s): 伊藤 さゆり、 井口 智弘、覺正 直子、大字 亜沙美、平谷 伊智朗、正井 久雄
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Presentation] Molecular Insights into Claspin-Mediated Skew of CD4+ T Cell Differentiation and Its Response to Replication Stress. (2020)
  • Author(s): HSIAO Hao-Wen、 IGUCHI Tomohiro、MASAI Hisao
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会 MBSJ2020
• [Remarks] ゲノム動態プロジェクト
  • URL: https://www.igakuken.or.jp/genome/