Molecular mechanisms underlying heterochromatin assembly

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 18H05532
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 中山 潤一 基礎生物学研究所, クロマチン制御研究部門, 教授 (60373338)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小布施 力史 大阪大学, 理学研究科, 教授 (00273855)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: ヘテロクロマチン / HP1 / ヒストン修飾 / 転写制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヘテロクロマチン構造形成の分子機構の解明を目指し、以下の２つの研究課題を中心に研究を実施した。

【１】HP1によるヘテロクロマチン制御（中山）：ヘテロクロマチン形成におけるHP1アイソフォームの機能分担を明らかにするため、分裂酵母のSwi6とChp2に着目して解析を進めた。Chp2はSwi6に比べて強固にクロマチンに結合し、これがChp2特異的な機能に関与していることが示唆されている。Chp2のクロマチン結合の詳細を明らかにするため、EMSAによってChp2の持つDNA/RNA結合能を調べたところ、Chp2がCSD領域を介してDNA/RNAに結合することが明らかになった。また、アフィニティー精製によって同定した新規のChp2相互作用因子について、その結合をIP-western法と酵母ツーハイブリッド法で検証した。

【２】増殖・分化のスイッチング過程におけるクロマチンの構造変換（中山・小布施）：分裂酵母の胞子形成に関して、本年度は胞子を用いたChIP法の改良と検討を行った。栄養増殖中の細胞と胞子で活性クロマチンの指標であるH3K4me2と不活性化クロマチンの指標であるH3K9me2の変化を調べたところ、それぞれの動態に違いがあることが明らかになった。ES細胞に関しては、これまでに、不活性化X染色体に局在する機能未知のHP1結合因子を同定し、HBiX2と名付けた。HBiX2を細胞から除去すると、不活性X染色体上のH3K27me3が減退し、H3K9me3が亢進することを間接蛍光抗体法で見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究項目1では、分裂酵母のHP1アイソフォームの機能分担の解明を目指し、Chp2特徴的な結合因子の同定、またDNA/RNA結合能を見出すことができたため。また研究項目2では、胞子を用いたChIP法を確立し、活性型／不活性型ヒストンメチル化修飾の動態変化を見出すことができたため。ES細胞の分化系では、新たに見出したHBiX2がX染色体上のH3K27me3とH3K9me3の制御に関わっていることを発見したため。

Strategy for Future Research Activity

研究項目1では、引き続きChp2の相互作用因子の解析を進めるとともに、Chp2の持つDNA/RNA結合能とChp2の機能との関連を解析する。研究項目２の分裂酵母の胞子形成に関しては、先行する研究によって見出した胞子特異的なクロマチン因子の動態変化、またそれらをコードする遺伝子の変異による胞子クロマチンへの影響を解析する。また、胞子クロマチンのヒストン修飾の動態を明らかにするため、ChIP-seq法を用いた解析を継続して行う。ES細胞に関しては、HBiXの除去によるヒストン修飾の変動をChIP-seq法を用いてより詳細に明らかにする。また、このヒストン修飾の変動に対する、HBiX2に結合するヒストン脱アセチル化酵素の役割を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of Toronto
• [Int'l Joint Research] University of Aberdeen(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Aberdeen
• [Int'l Joint Research] Leiden University Medical Center(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: Leiden University Medical Center
• [Journal Article] Proteomics-Based Systematic Identification of Nuclear Proteins Anchored to Chromatin via RNA (2020)
  • Author(s): Kyoko Hiragami-Hamada, Naoki Tani, Jun-Ichi Nakayama
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2161 Pages: 89-99
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-0680-3_8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for histone variant H3tK27me3 recognition by PHF1 and PHF19 (2020)
  • Author(s): Cheng Dong, Reiko Nakagawa, Kyohei Oyama, Yusuke Yamamoto, Weilian Zhang, Aiping Dong, Yanjun Li, Yuriko Yoshimura, Hiroyuki Kamiya, Jun-Ichi Nakayama, Jun Ueda, Jinrong Min
  • Journal Title: Elife Volume: 9 Pages: e58675
  • DOI: 10.7554/eLife.58675
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Homozygous nonsense variant in LRIF1 associated with facioscapulohumeral muscular dystrophy (2020)
  • Author(s): Kohei Hamanaka, Darina Sikrova, Satomi Mitsuhashi, Hiroki Masuda, Yukari Sekiguchi, Atsuhiko Sugiyama, Kazumoto Shibuya, Richard J L F Lemmers, Remko Goossens, Megumu Ogawa, Koji Nagao, Chikashi Obuse, Satoru Noguchi, Yukiko K Hayashi, Satoshi Kuwabara, Judit Balog, Ichizo Nishino, Silvere van der Maarel
  • Journal Title: Neurology Volume: 94 Pages: e2441-e2447
  • DOI: 10.1212/WNL.0000000000009617
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rare variant of the epigenetic regulator SMCHD1 in a patient with pituitary hormone deficiency (2020)
  • Author(s): Kenichi Kinjo, Keisuke Nagasaki, Koji Muroya, Erina Suzuki, Keisuke Ishiwata, Kazuhiko Nakabayashi, Atsushi Hattori, Koji Nagao, Ryu-Suke Nozawa, Chikashi Obuse, Kenji Miyado, Tsutomu Ogata, Maki Fukami, Mami Miyado
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 10985
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67715-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of an adaptor protein STING by Hsp90β to enhance innate immune responses against microbial infections (2020)
  • Author(s): Seiichi Sato, Kai Li, Nozomi Sakurai, Mei Hashizume, Sunanda Baidya, Hirotaka Nonaka, Koki Noguchi, Kozo Ishikawa, Chikashi Obuse, Akinori Takaoka
  • Journal Title: Cellular Immunology Volume: 356 Pages: 104188
  • DOI: 10.1016/j.cellimm.2020.104188
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mapping replication timing domains genome wide in single mammalian cells with single-cell DNA replication sequencing (2020)
  • Author(s): Hisashi Miura, Saori Takahashi, Takahiro Shibata, Koji Nagao, Chikashi Obuse, Katsuzumi Okumura, Masato Ogata, Ichiro Hiratani, Shin-Ichiro Takebayashi
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 15 Pages: 4058-4100
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0378-5
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン動態の分子制御機構の解析 (2021)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 第１４回エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] Protein Phosphatase 1 acts as a RIF1 effector to suppress DSB resection prior to Shieldin action (2021)
  • Author(s): 磯部 真也, 平賀 信一朗, 長尾 恒治, 笹沼 博之 , Donaldson D Anne, 小布施 力史
  • Organizer: 第38回 染色体ワークショッフ・第19回 核ダイナミクス研究会
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン構造とその制御機構の解析 (2020)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム 第５３回研究報告会
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン動態の分子制御機構の解析 (2020)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 日本分子生物学会 第４３回年会
• [Presentation] PP1, another RIF1 effector to shieldin, suppresses resection of damaged DNA ends as a barrier against HDR (2020)
  • Author(s): 磯部 真也, 平賀 信一朗, 長尾 恒治, 野崎 直仁, Donaldson D Anne, 小布施 力史
  • Organizer: 日本分子生物学会 第４３回年会