Regulation of nuclear periphery chromatin architecture by Rif1 through its binding to G-quadruplex

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 21H00264
• 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): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 複製タイミング / クロマチンループ / 染色体高次構造 / 核膜 / グアニン４重鎖DNA / RNA-DNAハイブリッド / 多量体形成 / 脂質結合 / グアニン４重鎖 / クロマチンドメイン / DNA複製タイミング / パルミトイル化

Outline of Research at the Start

進化的に保存された核因子Rif1は、DNA複製の時空間制御(特定のゲノム領域の複製が核内のどこで、いつ起こるか)の制御に重要な役割を果たす。また、Rif1は二重鎖DNA切断の修復や転写制御にも関与する。Rif1は代表的な非B型DNA構造である グアニン4重鎖(G4)を認識し、また、核膜に脂質修飾を介して連結する可能性が示唆された。本研究では、Rif1がG4結合と核膜結合を介して、どのようなメカニズムで核膜近傍に特有なクロマチンドメインを形成し、それにより複製、修復、転写が制御されるかを、その構造的基盤も含めて解明することを目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

１）Rif1の核膜局在変異が複製、修復、転写、組換えなど種々の染色体動態におよぼす影響の解析
動物細胞Rif1のC末端が核膜局在とDNA複製タイミング制御に必要であることを見出した。また、効率の良いDSB修復にもC末領域は必要である。胚性幹細胞では、Rif1の欠損により2細胞期特異的遺伝子群が数百倍の活性化を受ける。C末領域はコイル構造を介して多量体化し、それにより、クロマチン相互作用ドメインを形成し、複製や修復、さらに転写をも制御する可能性がある。
２）Rif1の核膜局在の機構と意義
Rif1C末領域は、両親媒性のコイル構造を形成し、多量体化し脂質に直接結合する。さらに、この結合が中央のN末HEAT repeatおよびIDP領域内を介したパルミトイル化と連動して、Rif1の核膜局在を促進する。2BPによりパルミトイル化を阻害するとS期中期・後期のfociが減少し、初期型のfociが増加した。これはパルミトイル化がRif1による複製タイミングの制御に重要であることを示唆する。分裂酵母のRif1増産により、染色体が核膜領域にリクルートされ、染色体分配が障害を受け、細胞死が誘導された。この現象は、Rif1のクロマチン結合に依存するが、PP1結合には依存しない。Rif1による染色体の核膜への適切な集合が、染色体の継承に重要であることが示された。
３）Rif1のG4認識の構造的基盤の解明
Rif1の全長タンパク質を精製し、高速AFMで解析した結果、N端HEAT repeat領域とC末多量体化ドメインが、自由な形態をとる長いIDP領域を介してダイナミックに形態を変化させていることが明らかとなった。これは、Rif1による染色体高次構造形成のメカニズムに重要な洞察を与える。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Histone Modification Analysis of Low-Mappability Regions (2023)
  • Author(s): Naoko Yoshizawa-Sugata , Hisao Masai
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 2519 Pages: 163-185
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2433-3_18
  • ISBN: 9781071624326, 9781071624333
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Claspin is Required for Growth Recovery from Serum Starvation through Regulating the PI3K-PDK1-mTOR Pathway in Mammalian Cells (2023)
  • Author(s): Yang Chi-Chun、Masai Hisao
  • Journal Title: Molecular and Cellular Biology Volume: 43 Issue: 1 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1080/10985549.2022.2160598
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Aberrant association of chromatin with nuclear periphery induced by Rif1 leads to mitotic defect (2023)
  • Author(s): Kanoh Yutaka、Ueno Masaru、Hayano Motoshi、Kudo Satomi、Masai Hisao
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 6 Issue: 4 Pages: e202201603-e202201603
  • DOI: 10.26508/lsa.202201603
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Claspin-Dependent and -Independent Chk1 Activation by a Panel of Biological Stresses (2023)
  • Author(s): Hsiao Hao-Wen、Yang Chi-Chun、Masai Hisao
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 1 Pages: 125-125
  • DOI: 10.3390/biom13010125
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hypoxia-inducible factor-1α and poly [ADP ribose] polymerase 1 cooperatively regulate Notch3 expression under hypoxia via a noncanonical mechanism (2022)
  • Author(s): Nakamura Hideaki、Sekine Hiroki、Kato Hiroyuki、Masai Hisao、Gradin Katarina、Poellinger Lorenz
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 298 Issue: 7 Pages: 102137-102137
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102137
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TT-pocket/HIRAN: binding to 3′-terminus of DNA for recognition and processing of stalled replication forks (2022)
  • Author(s): Masai Hisao
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 172 Issue: 2 Pages: 57-60
  • DOI: 10.1093/jb/mvac042
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Replicon hypothesis revisited (2022)
  • Author(s): Masai Hisao
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 633 Pages: 77-80
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.09.060
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Roles of Claspin in regulation of DNA replication, replication stress responses and oncogenesis in human cells (2021)
  • Author(s): Hsiao Hao-Wen、Yang Chi-Chun、Masai Hisao
  • Journal Title: Genome Instability & Disease Volume: 2 Issue: 5 Pages: 263-280
  • DOI: 10.1007/s42764-021-00049-8
  • 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] Regulation of HP1 protein by phosphorylation during transcriptional repression and cell cycle (2021)
  • Author(s): Oki Masaya、Masai Hisao
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: － Issue: 6 Pages: 629-632
  • DOI: 10.1093/jb/mvab040
  • NAID: 40022686976
  • 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
• [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
  • Invited
• [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」
  • Invited
• [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」
  • Invited
• [Book] ゲノムに潜む未解明のシグナル、グアニン４重鎖（実験医学増刊号「セントラルドグマの新常識」） (2022)
  • Author(s): 正井 久雄
  • Total Pages: 11
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758104043
• [Remarks] ゲノム動態プロジェクト
  • URL: https://www.igakuken.or.jp/genome/