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: 22H04707
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• 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 / 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

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、真核細胞においてもG4 依存的DNA複製の可能性を検証する。更に、これらの研究から同定した要素を組み合わせて複製開始を担うことのできる人工レプリコンを開発する。

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。2023年度、転写プロモーターを染色体上のG-rich配列（G4形成配列）の上流に組み込むことにより、染色体全体の複製を維持できる可能性を見出した。また、その複製開始のメカニズムを、in vitroのDNA複製系を用いて解析した。さらに、この複製系は変異を誘導しやすく、それにより環境への適応度を増加させている可能性を示した。今後、同様な複製システムが真核細胞で機能しているかどうか否か、また、生物におけるRNA-DNA ハイブリッド依存的のDNA複製システムの生物学的意義をさらに解析を行い追究していく。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Phosphorylation inhibits intramolecular interactions, DNA-binding and protein interactions of Claspin through disordered/ structured conformation transition (2024)
  • Author(s): You Zhiying、Hsiao Hao-Wen、Yang Chi-Chun、Goto Hidemasa、Masai Hisao
  • Journal Title: bioRxiv Volume: －
  • DOI: 10.1101/2024.01.08.574761
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homology recognition without double-stranded DNA-strand separation in D-loop formation by RecA (2024)
  • Author(s): Shibata Takehiko、Ikawa Shukuko、Iwasaki Wakana、Sasanuma Hiroyuki、Masai Hisao、Hirota Kouji
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 52 Issue: 5 Pages: 2565-2577
  • DOI: 10.1093/nar/gkad1260
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homologous recombination contributes to the repair of acetaldehyde-induced DNA damage (2024)
  • Author(s): Yamazaki Kosuke、Iguchi Tomohiro、Kanoh Yutaka、Takayasu Kazuto、Ngo Trinh Thi To、Onuki Ayaka、Kawaji Hideya、Oshima Shunji、Kanda Tomomasa、Masai Hisao、Sasanuma Hiroyuki
  • Journal Title: Cell Cycle Volume: 3 Issue: 4 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1080/15384101.2024.2335028
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Water-Soluble Gd(III)-Porphyrin Complexes Capable of Both Photosensitization and Relaxation Enhancement (2023)
  • Author(s): Nemeth Tamas、Yoshizawa-Sugata Naoko、Pallier Agnes、Tajima Youichi、Ma Yue、Toth Eva、Masai Hisao、Yamakoshi Yoko
  • Journal Title: Chemical Biomedical Imaging Volume: 1 Issue: 2 Pages: 157-167
  • DOI: 10.1021/cbmi.3c00007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cdc7 kinase is required for postnatal brain development (2023)
  • Author(s): Hori Karin、Yamazaki Satoshi、Ohtaka‐Maruyama Chiaki、Ono Tomio、Iguchi Tomohiro、Masai Hisao
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 28 Issue: 10 Pages: 679-693
  • DOI: 10.1111/gtc.13059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell fusion upregulates PD-L1 expression for evasion from immunosurveillance (2023)
  • Author(s): Tajima Youichi、Shibasaki Futoshi、Masai Hisao
  • Journal Title: Cancer Gene Therapy Volume: 31 Issue: 1 Pages: 158-173
  • DOI: 10.1038/s41417-023-00693-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Catalytic domain-dependent and -independent transcriptional activities of the tumour suppressor histone H3K27 demethylase UTX/KDM6A in specific cancer types (2023)
  • Author(s): Sun Wendi、Lee Kian Leong、Poellinger Lorenz、Masai Hisao、Kato Hiroyuki
  • Journal Title: Epigenetics Volume: 18 Issue: 1 Pages: 2222245-2222245
  • DOI: 10.1080/15592294.2023.2222245
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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
• [Presentation] Regulation of replication timing and nuclear localization of chromatin by Fission yeast Rif1 protein (2023)
  • Author(s): Hisao Masai, Yutaka Kanoh, Daisuke Kohda, Tomoko Sagi
  • Organizer: 11th International Fission Yeast Meeting POMBE 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] From DNA replication to G-quadruplex: my long journey on science with my mentor, Ken-ichi Arai (2023)
  • Author(s): Hisao Masai
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia meeting on The Now and Future of RNA Therapeutics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Association of Rif1 with nuclear membrane is essential for genome-wide replication timing regulation (2023)
  • Author(s): Tomohiro Iguchi, Sayuri Ito, Naoko Kakusho, Rino Fukatsu, Kenji Moriyama, Asako Sawano, Asami Oji, Mikihiro Shibata, Atsushi Miyawaki, Ichiro Hiratani, Hiroyuki Sasanuma and Hisao Masai
  • Organizer: CSHL Meeting 2023 on Eukaryotic DNA Replication & Genome Maintenance
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] G4 binding and oligomerization activities of fission yeast Rif1protein are required for long-range regulation of origin firing. (2023)
  • Author(s): H. Masai, Y. Kanoh, D. Kohda, T. Sagi
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference on YEAST AND LIFE SCIENCES
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transcription can drive DNA replication (2023)
  • Author(s): Hisao Masai
  • Organizer: 70 Years of DNA Double Helix: Celebration of Breakthroughs in Life Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of replication timing and DNA repair by nuclear membrane tethering of Rif1 (2023)
  • Author(s): Hisao Masai, Tomohiro Iguchi, Sayuri Ito, Mikihiro Shibata, Naoko Kakusho, Rino Fukatsu, Asami Oji, Ichiro Hiratani, Hiroyuki Sasanuma
  • Organizer: The 14th International Symposium on DNA Damage Response & Human Disease
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Biological functions of G-quadruplexes in regulation of DNA replication (2023)
  • Author(s): Hisao Masai
  • Organizer: 50th International Symposium on Nucleic Acid Chemistry,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of Rif1 C-terminal function for chromatin higher order structure. (2023)
  • Author(s): Yutaka Kanoh, Kaho Takasawa, Seiji Matsumoto, Hisao Masai
  • Organizer: The 11th International Fission Yeast Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural stem cell- or Hematopoietic stem cell-specific knockout of Cdc7 or ASK(Dbf4) causes common and distinct phenotypes (2023)
  • Author(s): Tomohiro Iguchi, Karin Hori, Satoshi Yamazaki, Rie Ishii, Hiroyuki Sasanuma, Hisao Masai.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oligomerization of Rif1 is essential for its ability to suppresses replication over a long distance S. Pombe. (2023)
  • Author(s): Yutaka Kanoh, Kaho Takasawa, Seiji Matsumoto, Hisao Masai
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference, YEAST AND LIFE SCIENCES
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 染色体DNA複製開始複合体と開始制御メカニズムの新たな展望 (2023)
  • Author(s): Hisao Masai, Taku Tanaka, Tomohiro Iguchi, Sayuri Ito, Naoko Kakusho, Rino Fukatsu, Yutaka Kanoh, Tomoko Sagi, and Hiroyuki Sasanuma
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 染色体動態・維持・機能を決定する多様な因子 (2023)
  • Author(s): 井口 智弘、伊藤 さゆり、覺正 直子、深津 理乃、森山 賢治、坂上-沢野 朝子、大字 亜沙美、柴田 幹大、宮脇 敦史、平谷 伊智朗、笹沼 博之、正井 久雄
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 転写に依存するmulti-replicon 様式の大腸菌染色体複製とG4形成の役割 (2023)
  • Author(s): 田中 卓、鷺 朋子、深津 理乃、覺正 直子、正井 久雄
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Rifの欠失は特異なエンハンサー構造を形成し、初期胚での胚ゲノム活性化と連動する (2023)
  • Author(s): 吉沢 直子、正井 久雄
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Oligomerization of Rif1 is essential for its ability to suppresses replication over a long distance S. Pombe. (2023)
  • Author(s): Yutaka Kanoh, Kaho Takasawa, Seiji Matsumoto, Hisao Masai
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Investigation of the contribution of type 2 Topoisomerase-dependent DNA breaks to cancer development (2023)
  • Author(s): Trinh Ngo, Hisao Masai, Hiroyuki Sasanuma
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Functions associated with the long IDP segment of Rif1, a regulator of replication timing, DSB repair and chromatin architecture (2023)
  • Author(s): Bingyi Li, Kosuke Yamazaki, Tomohiro Iguchi, Hiroyuki Sasanuma, Hisao Masai
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Cell fusion upregulates PD-L1 expression and promotes tumor formation. (2023)
  • Author(s): Youichi Tajima, Hisao Masai
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Rif1の細胞周期依存的なマルチオミクス解析 (2023)
  • Author(s): 山﨑航輔,冨田拓哉,佐伯泰,正井久雄,笹沼博之
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウスのCD4+T細胞における転写制御と分化におけるClaspinの役割 (2023)
  • Author(s): 蕭 皓文、井口 弘 、笹沼 博之、正井 久雄
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] ClaspinのN末端リン酸化による複製ストレス活性化、分子内相互作用、DNA結合の制御 (2023)
  • Author(s): Zhiying You, Chi-Chun Yang, Hisao Masai
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] グアニン四重鎖特異的なタンパク質リクルート法の開発 (2023)
  • Author(s): 指田万奈帆、長澤和夫、寺正行、笹沼博之、正井久雄
  • Organizer: 第46回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] グアニン四重鎖-タンパク質間を連結するリガンドの合成 (2023)
  • Author(s): 指田 万奈帆、笹沼 博之、正井 久雄、長澤 和夫、寺 正行
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第17回年会
• [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/