Structural analysis of megadalton complexes in the dynamic genome

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Autonomous biological systems of megadalton complexity
• Project/Area Number: 21H05154
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Nozawa Kayo 東京工業大学, 生命理工学院, 准教授 (10808554)
• Project Period (FY): 2021-08-23 – 2024-03-31
• Keywords: クライオ電子顕微鏡解析 / クロマチン構造 / RNAポリメラーゼII / 遺伝子発現制御 / メガダルトン複合体

Outline of Final Research Achievements

In this study, we tried to elucidate the molecular mechanism of how cohesin is involved in transcriptional regulation using an in vitro system. We reconstituted a transcription complex containing RNA polymerase II and cohesin on a nucleosome template that mimics the chromatin structure. We also used cryo-electron microscopy to understand the complex formation of cohesin and nucleosome. In addition, we reported that a nucleosome-like structure (H3-H4 octasome) can be formed with just two types of histones, H3 and H4 (Nozawa et al., 2022). In the collaborative project, we tried to artificially reconstruct the DNA-loop structure anchored to the nuclear membrane by incorporating recombinant proteins and DNA in liposomes. Since there was no established method that enabled cryo-EM observation of soluble proteins or nucleic acids inside liposomes, we optimized a protein encapsulation method in liposomes for cryo-EM analysis.

Free Research Field

タンパク質・核酸の立体構造解析

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、DNAループの異常が各種のガンに関係していることが報告され、中でもガン原遺伝子の上流で多数のDNAループがクラスターを作るスーパーエンハンサー構造の解明が待たれているが、本研究はその解明にも大きく貢献すると考えられる。加えて、融合研究で構築する人工細胞可視化システムでは、細胞内容物のバックグラウンドが全くない状態で、核膜に裏打ちされたゲノム構造を解明することができる。これまで核膜の構造がDNAループの転写活性化機構に与える影響は全く明らかになっていないため、本研究を通じて早老症などの遺伝子疾患に関しても新たな知見が得られる可能性がある。