遺伝子転写再構築系による転写サイクル制御機構の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integral understanding of the mechanism of transcription cycle through quantitative, high-resolution approaches
• Project/Area Number: 24118003
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: 伊藤 敬 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 教授 (90306275)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大熊 芳明 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 客員研究員 (70192515)
• Project Period (FY): 2012-06-28 – 2017-03-31
• Keywords: クロマチン / 遺伝子転写

Outline of Annual Research Achievements

ヒストンの翻訳後修飾とクロマチン構造の役割を解明することによって、生体内での転写サイクルと生命現象との接点を明らかにする。
平成26年度はヒストンH2Aのリン酸化により転写調節される遺伝子をRNA-seqにより明らかにした。Up-regulateされる遺伝子の中で癌遺伝子に分類されるサイクリンD１に関して着目しプロモーター領域の解析を行った。サイクリンD１はヒストンH2Aリン酸化酵素VRK１により活性化され癌細胞増殖に関与していることを明らかにした。癌細胞を用いてVRK１をノックダウンすることによりサイクリンD１プロモーター領域のヒストンH2Aリン酸化は低下し、細胞増殖も抑えられることが明らかになった。siVRK1によるノックダウンに抵抗性の変異VRK１を作成し導入するとVRK１をノックダウンしたのちもH2Aのリン酸化は維持され細胞増殖も低下しないことを明らかにした。
また培養細胞にヒストンH2AのC末端リン酸化を模倣する変異T120DをNIH3T3に導入すると癌化トランスフォームし、この癌化細胞をヌードマウスに移植すると腫瘍を形成した。変異T120DによりトランスフォームしたNIH3T3の４株について調べると全例においてサイクリンD１の発現が上昇し、そのプロモーター領域に於いてヒストンH2Aリン酸化が上昇していた。これらの実験によりヒストンの翻訳後修飾自体が癌化を引き起こすのを明らかにした。これらの結果は癌化の機構を明らかにするとともに、新規の抗がん剤の標的も明らかにしたことになる。癌ゲノムのデータベースからVRK１自体の変異があることも見出し、現在これらのVRK１変異が癌化に関与しているかいなかを明らかにしていく予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ヒストンの翻訳後修飾とクロマチン構造の役割を解明する過程で、癌化と現象の原因を明らかにすることができた。さらにヒストンH2AのC末端リン酸化がヒストンH2AのC末端ユビキチン化と拮抗し遺伝子転写を調節することも明らかにした。
これらの結果はヒストンH2AのC末端のリン酸化やユビキチン化を触媒する酵素が抗がん剤の標的となることを示唆している。さらにこれらの研究を推進ことにより、詳細に生体内での転写サイクルと生命現象との関わりを明らかにしていけると考える。

Strategy for Future Research Activity

今回申請者ら培養細胞を用いてヒストンの翻訳後修飾とクロマチン構造の役割を解明する過程で、癌化と関係を明らかにしてきた。今後この研究結果を動物実験と試験管内の実験により確認していく予定である。
従来、試験管内遺伝子転写の生化学的解析はプラミドDNAを用いた再構築により行われてきた。我々は従来の手技を発展させ、全ゲノムを用いてクロマチンを再構築し転写サイクルによる遺伝子転写開始機構を明らかにしたいと考えている。申請者らが明らかにしてきたクロマチン形成因子NAP1とACFを用い、ヒトゲノムDNA及びヒストンタンパクにより全ゲノムクロマチンを作成できることを確かめている。この系によりより詳細なゲノム全体での遺伝子転写を明らかにできると考えている。これらの全ゲノムクロマチンの再構築により明らかにした現象は細胞レベルの実験により検証する予定である。
さらに動物実験として、癌ゲノムのデータベースから明らかにした変異VRK１を作成し、NIH3T3に導入しヌードマウスに摂取し、造腫瘍性の有無を確認し、癌化への関与を調べる。同時に癌ゲノムのデータベースから明らかにしたヒストンの変異を導入したH2Aを作成し、同様にNIH3T3に導入しヌードマウスに摂取し、造腫瘍性の有無を確認し、癌化への関与を調べる。
新学術領域の残り２年間により新規の研究領域を展開していきたい。

Research Products

• [Journal Article] PRDM16 enhances nuclear receptor-dependent transcription of the brown fat-specific Ucp1 gene through interactions with MED1 subunit of the Mediator (2015)
  • Author(s): Iida, S., Chen, W., Nakadai, T., Ohkuma, Y., and ＊Roeder, R.G.
  • Journal Title: Genes Dev. Volume: 29 Pages: 308-321
  • DOI: 10.1101/gad.252809.114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association of the Winged Helix Motif of the TFIIEα Subunit of TFIIE with Either the TFIIEβ Subunit or TFIIB Distinguishes Its Functions in Transcription. (2015)
  • Author(s): Tanaka, A., Akimoto, Y., Kobayashi, S., Hisatake, K., Hanaoka, F., and Ohkuma, Y.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 20 Pages: 203-216
  • DOI: 10.1111/gtc.12212
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Human Mediator MED17 Subunit Plays Essential Roles in Gene Regulation by Associating with both Transcription and DNA Repair Machineries. (2015)
  • Author(s): Kikuchi, Y., Umemura, H., Nishitani, S., Iida, S., Fukasawa, R., Hayashi, H., Hirose, Y., Tanaka, A., Sugasawa, K., and Ohkuma, Y.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 20 Pages: 191-202
  • DOI: 10.1111/gtc.12210
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Specification and Global Reprogramming of Histone Epigenetic Marks during Gamete Formation and Early Embryo Development in C. elegans. (2014)
  • Author(s): Samson M, Jow MM, Wong CC, Fitzpatrick C, Aslanian A, Saucedo I, Estrada R, Ito T, Park SK, Yates JR, Chu, D. S.
  • Journal Title: PLoS Genet Volume: 10 Pages: e1004588
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1004588
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ssu72 regulates and coordinates 3’ end formation of RNAs transcribed by RNA polymerase II in vertebrates. (2014)
  • Author(s): Wani, S., Yuda, M., Fujiwara, Y., Yamamoto, M., Harada, F., Ohkuma, Y., and Hirose, Y.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 9 Pages: e106040
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0106040
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mediator MED18 Subunit Plays a Negative Role in Transcription via the CDK/Cyclin Module. (2014)
  • Author(s): Kumafuji, M., Umemura, H., Furumoto, T., Fukasawa, R., Tanaka, A., and Ohkuma, Y.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 19 Pages: 582-593
  • DOI: 10.1111/gtc.12155
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcription Cofactor PC4 Plays Essential Roles in Collaboration with the Small Subunit of General Transcription Factor TFIIE. (2014)
  • Author(s): Akimoto, Y., Yamamoto, S., Iida, S., Hirose, Y., Tanaka, A., Hanaoka, F., and Ohkuma, Y.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 19 Pages: 879-890
  • DOI: 10.1111/gtc.12187
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 発癌誘導に関与するヒストンH2A変異体の解析 (2014)
  • Author(s): 相原 仁, 水崎 博文, 中川 武弥, 伊藤 敬
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-11-27
• [Presentation] istone H2A Thr 120 phosphorylation results in cancer via up regulation of Cyclin D1 (2014)
  • Author(s): Hirofumi Mizusaki, Hitoshi Aihara, Takashi Ito
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-11-25
• [Presentation] Dzip3はマウスES細胞において分化に関与する様々な遺伝子を調節する (2014)
  • Author(s): 井上 大嗣, 相原 仁, 水崎 博文, 土井口 真康, 中山 敏幸, 中川 武弥, 伊藤 敬
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
  • Year and Date: 2014-11-25
• [Presentation] Histone H2A Thr 120 phosphorylation results in cancer via up regulation of Cyclin D1 (2014)
  • Author(s): Hirofumi Mizusaki, Hitoshi Aihara, Takashi Ito
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting & Courses Epigenetics & Chromatin
  • Place of Presentation: Cold Spring Harbor, USA
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] Histone H2A Mutation Might Play Roles in Carcinogenesis (2014)
  • Author(s): Hitoshi Aihara, Hirofumi Mizusaki, Takeya Nakagawa, Takashi Ito
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting & Courses Epigenetics & Chromatin
  • Place of Presentation: Cold Spring Harbor, USA
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Remarks] 長崎大学医学部生化学教室
  • URL: http://www.med.nagasaki-u.ac.jp/biochem/
• [Remarks] 長崎大学医学部生化学教室業績
  • URL: http://www.med.nagasaki-u.ac.jp/biochem/results.html