• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2022 Fiscal Year Annual Research Report

Multiscale Theories of Genome Modality

Planned Research

Project AreaGenome modality: understanding physical properties of the genome
Project/Area Number 20H05934
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

高田 彰二  京都大学, 理学研究科, 教授 (60304086)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 剣持 貴弘  同志社大学, 生命医科学部, 教授 (10389009)
石本 志高  秋田県立大学, システム科学技術学部, 教授 (30391858)
山本 哲也  北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (40610027)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Keywordsクロマチン構造転移ダイナミクス / ゲノムDNAの構造転移ダイナミクス / SMCタンパク質 / 染色体ダイナミクス
Outline of Annual Research Achievements

(1)バクテリアSMCタンパク質が、ATP加水分解依存的に基質であるDNAを移動させる分子機構を解明するために、分子動力学シミュレーションを実施し、DNAセグメント捕捉によるDNA移動を実現し、その一方向性の原因として kleisinループの非対称配置が重要であることを見出した。
(2)ゲノムサイズDNAの高次構造と遺伝子発現活性との関連を明らかにすることを中核的な課題と位置付けて研究を進めた。特に、蛍光顕微鏡によるDNA一分子計測およびMD/MCシミュレーション解析を実施し、ゲノムサイズDNAの動的挙動について明らかにする。また、無細胞系発現実験を行い、DNA高次構造転移による遺伝子発現活性制御機構に関して定量的に検証した。
(3)メゾスケールモデルの開発を進めた。具体的には、シミュレーション実行環境を整え、ヌクレオソーム衝突マルチスケールアルゴリズムの開発を行った。後者により近接ヌクレオソームのμ秒スケールの挙動をより忠実に再現できた。また、A01-2班・瀧ノ上らと新プロジェクトを始動し、A02-1班・岡田らと連携し、DNA液滴相分離や非ヌクレオソーム型精子クロマチン凝縮に関する理論およびシミュレーション研究を行った。
(4)分裂期染色体の形成におけるコンデンシンの役割を明らかにするために、トポイソメラーゼIIとコンデンシンのループ押出しが抑制された系で、DNAが形成するビーン構造の形成機構を理論的に解析した。本理論によって、コンデンシン-コンデンシン相互作用とヌクレオソームの形成によるエネルギー低下が、ビーン構造のコンパクトなコアとその外側に形成されるハローをそれぞれ安定化することを理論的に明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

(1)前年度に引き続いてバクテリアSMCタンパク質によるDNA移動の分子機構解明のために、分子動力学シミュレーションを実施し、その結果の分析を進めた。とくに、DNA移動の一方向性の原因を探求し、それがkleisinループの非対称な配置によることを突き止めた。分子動力学シミュレーションによってSMCタンパク質のDNA移動を実現したのは世界で初めてであり、おおきな成果である。
(2)ゲノムサイズDNAの動的高次構造変化に関して、蛍光顕微鏡を用いて溶液中のDNA一分子ゆらぎを計測し、DNA直軸長の時系列データの自己相関関数を求めることにより、一分子レベルの粘弾性係数を定量的に評価可能であることを示した。また、無細胞系発現実験を行い、DNA高次構造転移が遺伝子発現の促進および抑制に関して直接的に寄与し、遺伝子発現活性を制御可能であることを明らかにした。
(3)メゾスケール高分子モデルに関しては、ヌクレオソーム衝突アルゴリズムの見直しを行い、計算機実験結果に基づいた2スケールアルゴリズムの開発を行った。また、新規計算機システムの設置、初期構築を行い、高速シミュレーション実施基盤を整えた。岡田らとの精子DNA凝縮に関する議論を深め、新たに瀧ノ上らとDNA液滴に関する議論およびシミュレーション初期設計を行った。
(4)前年度の絡み合ったDNAの体積相転移の理論モデルを拡張し、コンデンシン-コンデンシン相互作用を多価と仮定した時のビーン構造の理論モデルの構築を行った。昨年度行った転写凝集体とスーパーエンハンサによる転写活性化の理論モデルの拡張として、核小体のサブコンパートメントの制御機構の理論を構築している。

Strategy for Future Research Activity

(1)真核生物のSMCタンパク質であるコヒーシンにおいても、バクテリアSMCと同様の作動原理が働いているかを解明することが、次の大きな課題である。また、基質DNAにタンパク質が結合した状態におけるDNA移動のメカニズムも興味深いものである。今後はこれらの分析を進める。
(2)ヒストンやポリアミン、各種の多価カチオンなどのDNAの高次構造に対する作用を、蛍光顕微鏡による一分子DNA観察の手法を活用することにより調べる。また、遺伝子発現活性変化の定量的な計測も進める。静電相互作用を取り入れたMDシミュレーション解析も行い、対イオンの併進エントロピーの効果なども含めて、DNA高次構造転移と遺伝子発現活性に関する新規な理論モデルの創出を目指す。
(3)モデル構築をさらに進める。具体的には、ヌクレオソーム衝突アルゴリズムの数学的整備と高速精緻化に向けたさらなる改良、衝突アルゴリズム高速化とリンカーDNA物性や周囲環境の実装を進め、シミュレーションの完成および実験との比較・検証を目指す。また、A01-2班・瀧ノ上、A02-1班・岡田らと連携し、DNA液滴相分離や非ヌクレオソーム型精子クロマチン凝縮に関する理論およびシミュレーション研究を行う。
(4)今年度の研究で構築したビーン理論によって、トポイソメラーゼIIとヒストンシャペロンを抑制した時に形成されるスパークラー構造に関するアイデアを得ることができた。来年度は、平野計画班と連携して、スパークラーの理論モデルを構築し、ヒストンシャペロンとコンデンシンの活性に関する相図の完成を目指す。また、進捗が滞っている転写モデルの構築も深谷公募班と連携して行う。

  • Research Products

    (24 results)

All 2023 2022

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 7 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] FO-F1 coupling and symmetry mismatch in ATP synthase resolved in every FO rotation step2023

    • Author(s)
      Kubo Shintaroh、Niina Toru、Takada Shoji
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 122 Pages: 2898~2909

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.09.034

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Elasticity control of entangled chromosomes: Crosstalk between condensin complexes and nucleosomes2023

    • Author(s)
      Yamamoto Tetsuya、Kinoshita Kazuhisa、Hirano Tatsuya
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 122 Pages: 3869~3881

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2023.08.006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Polymer brush inspired by ribosomal RNA transcription2023

    • Author(s)
      Yamamoto Tetsuya、Li Wei
    • Journal Title

      The European Physical Journal E

      Volume: 46 Pages: 61

    • DOI

      10.1140/epje/s10189-023-00323-5

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coarse-grained molecular dynamics simulations of base-pair mismatch recognition protein MutS sliding along DNA2022

    • Author(s)
      Inoue Keisuke、Takada Shoji、Terakawa Tsuyoshi
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 19 Pages: -

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0015

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rotational Mechanism of FO Motor in the F-Type ATP Synthase Driven by the Proton Motive Force2022

    • Author(s)
      Kubo Shintaroh、Takada Shoji
    • Journal Title

      Frontiers in Microbiology

      Volume: 13 Pages: -

    • DOI

      10.3389/fmicb.2022.872565

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cooperation among c-subunits of FoF1-ATP synthase in rotation-coupled proton translocation2022

    • Author(s)
      Mitome Noriyo、Kubo Shintaroh、Ohta Sumie、Takashima Hikaru、Shigefuji Yuto、Niina Toru、Takada Shoji
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 11 Pages: -

    • DOI

      10.7554/eLife.69096

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The stoichiometric interaction model for?mesoscopic MD simulations of liquid-liquid phase separation2022

    • Author(s)
      Murata Yutaka、Niina Toru、Takada Shoji
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 121 Pages: 4382~4393

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.10.001

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Molecular dynamics simulations for the study of chromatin biology2022

    • Author(s)
      Brandani Giovanni B.、Gopi Soundhararajan、Yamauchi Masataka、Takada Shoji
    • Journal Title

      Current Opinion in Structural Biology

      Volume: 77 Pages: 102485~102485

    • DOI

      10.1016/j.sbi.2022.102485

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Triblock copolymer micelle model of spherical paraspeckles2022

    • Author(s)
      Yamamoto Tetsuya、Yamazaki Tomohiro、Hirose Tetsuro
    • Journal Title

      Frontiers in Molecular Biosciences

      Volume: 9 Pages: 925058

    • DOI

      10.3389/fmolb.2022.925058

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Activation/Inhibition of Gene Expression Caused by Alcohols: Relationship with the Viscoelastic Property of a DNA Molecule2022

    • Author(s)
      Fujino Kohei、Nishio Takashi、Fujioka Keita、Yoshikawa Yuko、Kenmotsu Takahiro、Yoshikawa Kenichi
    • Journal Title

      Polymers

      Volume: 15 Pages: 149~149

    • DOI

      10.3390/polym15010149

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Energy landscape of nucleosomes2023

    • Author(s)
      Shoji Takada
    • Organizer
      American Chemical Society Spring 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulations to Reveal Molecular Mechanism of DNA-Stimulated ATPase Activity of SMC Proteins2022

    • Author(s)
      Masataka Yamauchi, Tsuyoshi Terakawa, Giovanni B. Brandani, Shoji Takada
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] SMC蛋白質のDNAによって刺激されるATPase活性の分子機構解明2022

    • Author(s)
      山内 仁喬、寺川 剛、Giovanni B. Brandani、高田 彰二
    • Organizer
      第3回 生体分子シミュレーションス・モデリング研究会
  • [Presentation] Modeling heterogeneous chromatin structure ensembles using metainference from Hi-C data2022

    • Author(s)
      Chenyang Gu, Giovanni Brandani
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Coarse-grained and all-atom MD simulation studies on dimerization and phase separation for transcription factor Nanog2022

    • Author(s)
      Azuki Mizutani, Cheng Tan, Yuji Sugita, Shoji Takada
    • Organizer
      第22回日本蛋白質科学学会年会
  • [Presentation] Elastic control of entangled chromosome: crosstalk between condensins and nucleosomes2022

    • Author(s)
      Tetsuya Yamamoto, Kazuhisa Kinoshita, Tatsuya Hirano
    • Organizer
      第40回染色体ワークショップ・第21回核ダイナミクス研究会
  • [Presentation] Physics of structural formation of entangled chromosomes2022

    • Author(s)
      Tetsuya Yamamoto
    • Organizer
      第74回細胞生物学会年会シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 閉鎖系での枯渇効果による高分子鎖の状態転移現象: 振動盤を用いた実空間モデルによる研究2022

    • Author(s)
      奥村太基,鷹取慧,剣持貴弘,吉川研一
    • Organizer
      第77回物理学会年次大会
  • [Presentation] Chromatin dynamics in human cells by improved Brownian dynamics method2022

    • Author(s)
      Yuki Takahashi, Yukitaka Ishimoto
    • Organizer
      18th European Mechanics Conference (EMMC18)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An improved Brownian dynamics for chromatin in human cells2022

    • Author(s)
      Yuki Takahashi, Yukitaka Ishimoto
    • Organizer
      8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biomechanical excursion from cell shapes to dragonfly wings2022

    • Author(s)
      石本 志高
    • Organizer
      非平衡・多階層・複雑系研究会
  • [Presentation] An improved Brownian dynamics for chromatin in human cells2022

    • Author(s)
      髙橋 勇毅, 津川 暁, 石本 志高
    • Organizer
      非平衡・多階層・複雑系研究会
  • [Presentation] Biomechanical excursion on soft/bio materials 20222022

    • Author(s)
      石本 志高
    • Organizer
      ソフトバイオ研究会2022
  • [Presentation] Brownian dynamics simulation for chromatin in human cells2022

    • Author(s)
      Yuki Takahashi, Yukitaka Ishimoto
    • Organizer
      ソフトバイオ研究会2022

URL: 

Published: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi