Regulation of epithelial integrity through the nonequilibrium dynamics of the histone methylation during replication

Publicly Offered Research

Project Area	Information physics of living matters
Project/Area Number	20H05523
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Complex systems
Research Institution	Hokkaido University
Principal Investigator	及川司北海道大学, 医学研究院, 講師 (20457055)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	非平衡性 / メチル化ヒストン / ヒストン / H3K27me3 / 非平衡 / 上皮細胞 / 上皮間葉転換 / ヒストンメチル化 / 複製 / 非平衡ダイナミクス
Outline of Research at the Start	研究代表者らは細胞株を用いた研究から、がん抑制遺伝子産物p53が、上皮性を司るE-cadherin遺伝子(CDH1)領域において転写抑制性メチル化ヒストン(K27-trimethylated histone H3: H3K27me3)の安定な複製に寄与することを明らかにした。同時に、p53が存在しなくてもH3K27me3複製が不安定化しない細胞株も存在した。速度論的シミュレーションから、非平衡状態でフィードバック系を複数内包する修飾ヒストンの複製過程そのものが、H3K27me3複製の安定性に寄与する可能性を見出した。本研究はこの知見に関し、シミュレーションと細胞株を用いた実験による検証を行う。
Outline of Annual Research Achievements	遺伝子発現に関わるヒストン修飾は、細胞内代謝産物によって動的に制御されているが、ヌクレオソーム構造の再編成を伴うDNA複製時、娘鎖においてヒストンの化学修飾状態が維持または変化する機構は良くわかっていない。申請者らは、転写抑制性メチル化ヒストン修飾(K27-trimethylated histone H3: H3K27me3)のゲノム上におけるパターンがDNA複製を経ても安定に維持されるにあたり、がん抑制遺伝子産物p53が重要な役割を果たすことを見出した。p53が存在しない時、DNA複製期に細胞質から核内へ輸送される新規未修飾ヒストンH3.1が、核膜に一時的に蓄積し、ここで異所性にH3K27me3化された。このH3K27me3化には、核膜近傍領域においてPRC2タンパク複合体の触媒サブユニットであるEZH2とH3との分子近接が観察された。従って、娘鎖において少なくとも一部のゲノム領域で、新規未修飾ヒストンH3が供給される代わりに、H3K27me3が供給されると考えられる。この系を用い、DNA複製部位において新規未修飾ヒストンH3の供給量が減少し、代わりにH3K27me3が供給されたとき、娘鎖においてメチル化ヒストンパターン(H3K27me3, H3K4me3)がどのように遷移するか、理論解析を進めた。その結果、DNA複製部位への未修飾新規ヒストンの流入量、あるいはメチル基ドナーであるSAMの供給量が過剰であるなど、平衡から遠く離れた時、メチル化ヒストンのわずかな初期濃度差(擾乱)が増幅し、ある複製回数以降から不可逆的に隔たるというシミュレーション結果を得た。これを上記のp53喪失の系で検証したところ、p53を喪失した上皮細胞においては、既にH3K27me3化されているゲノム領域(PRC2標的領域)でH3K27me3量の増加が観察された。
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。