静的・動的分子構造解析を基盤とした転写サイクル制御機構研究

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integral understanding of the mechanism of transcription cycle through quantitative, high-resolution approaches
• Project/Area Number: 24118005
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 緒方 一博 横浜市立大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90260330)
• Project Period (FY): 2012-06-28 – 2017-03-31
• Keywords: 転写因子 / Ｘ線結晶構造 / エンハンソソーム / Runx1 / Ets1 / Nrf2 / リン酸化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、エンハンソソーム形成機構を分子構造レベルで解析することで、細胞シグナル依存的な転写制御の基本原理の解明を目指している。分子動力学等の計算科学による解析（中村らとの共同研究）のほか、バイオインフォマティックスの手法を取り入れ（松本らとの共同研究）、多角的に研究を行っている。具体的には次の通りである。1) TCRαエンハンサー上に形成されるエンハンソソームの形成制御におけるRunx1の天然変性領域の化学修飾による効果を調べるため、同エンハンソソーム中に含まれるRunx1/CBFβ-Runx1/CBFβ-DNA５者複合体の結晶化を行い、予備的な回折データを得た。2) 酸化ストレス応答遺伝子群の発現を制御する転写因子Nrf2-MafGヘテロ2量体による抗酸化剤応答領域（ARE）の認識機構を調べるため、変異型Nrf2-MafG-DNA複合体の高分解構造を決定した。得られた構造情報は、Nrf2を標的とした創薬の基盤としても有用である。3) 転写因子Ets1の天然変性領域のリン酸化により、Ets1自身のDNA結合活性が強く抑制される機構を調べるため、中村らの協力の下、マルチカノニカル分子動力学法による分子シミュレーションを行った。得られた結果に基づき、リン酸化による制御の破綻が予想される変異型Ets1を作製し、DNA結合におけるリン酸化の影響についてキネティックス解析を行うことでシミュレーションの結果を検証している。従来の構造解析手法では解析不能であった、シグナル依存的なEts1の天然変性領域の化学修飾による転写制御の分子機構の一旦が明らかになった。4) 転写因子および転写関連タンパク質のアミノ酸変異が遺伝性疾患を引き起こすメカニズムについて、分子構造面から解析し報告した（松本らとの共同研究）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新学術領域研究における使命の一つである異分野融合として、中村班との共同研究による「分子構造解析と計算科学との融合」、および松本班との共同研究による「分子構造解析と疾患の遺伝学との融合」を試みてきた。「分子構造解析と計算科学との融合」研究では、得られた成果をすでに論文投稿中であるほか、現在さらに別の成果についても投稿準備中である。「分子構造解析と疾患の遺伝学との融合」研究でもすでに複数の論文報告を行っている。エンハンソソームの構造解析でも、タンパク質-DNA複合体の結晶化実験が順調に進行し分子構造情報が得られてきている。Nrf2-MafG-DNA複合体の構造解析についてはまもなく論文投稿の予定であり、概ね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

これまでに領域内の共同研究として推進してきた「計算科学と実験的分子構造解析との融合研究」の成果を取りまとめ、報告するとともに、構築した解析手法を領域内の他の研究グループとの共同研究にも応用していく。具体的には、計画班員（分担）の高橋らが見出している、MED26と相互作用するいくつかの転写関連分子の天然変性領域について、中村班による分子シミュレーションと我々による実験的構造解析により、相互作用メカニズムを解析する。

Research Products

• [Journal Article] Phenotypic spectrum of GNAO1 variants: epileptic encephalopathy to involuntary movements with severe developmental delay (2016)
  • Author(s): Saitsu H, Fukai R, Ben-Zeev B, Sakai Y, Mimaki M, Okamoto N, Suzuki Y, Monden Y, Saito H, Tziperman B, Torio M, Akamine S, Takahashi N, Osaka H, Yamagata T, Nakamura K, Tsurusaki Y, Nakashima M, Miyake N, Shiina M, Ogata K, Matsumoto N
  • Journal Title: Eur J Hum Genet Volume: 24(1) Pages: 129-134
  • DOI: 10.1038/ejhg.2015.92
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De novo DNM1 mutations in two cases of epileptic encephalopathy (2016)
  • Author(s): Nakashima M, Kouga T, Lourenco CM, Shiina M, Goto T, Tsurusak Yi, Miyatake S, Miyake N, Saitsu H, Ogata K, Osaka H, Matsumoto N
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 57(1) Pages: e18-e23
  • DOI: 10.1111/epi.13257
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biallelic mutations in nuclear pore complex subunit NUP107 cause early-childhood-onset steroid-resistant nephrotic syndrome (2015)
  • Author(s): Miyake N, Tsukaguchi H, Koshimizu E, Shono A, Matsunaga S, Shiina M, Mimura Y, Imamura S, Hirose T, Okudela K, Nozu K, Akioka Y, Hattori M, Yoshikawa N, Kitamura A, Cheong HI, Kagami S, Yamashita M, Fujita A, Miyatake S, Tsurusaki Y, Nakashima M, Saitsu H, Ohashi K, Imamoto N, Ryo A, Ogata K, Iijima K, Matsumoto N
  • Journal Title: Am J Hum Genet Volume: 97(4) Pages: 555-566
  • DOI: 10.1016/j.ajhg.2015.08.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of HOXD4 Mutations in Spinal Extradural Arachnoid Cyst (2015)
  • Author(s): Ogura Y, Miyake N, Kou I, Iida A, Nakajima M, Takeda K, Fujibayashi S, Shiina M, Okada E, Toyama Y, Iwanami A, Ishii K, Ogata K, Asahara H, Matsumoto N, Nakamura M, Matsumoto M, Ikegawa S
  • Journal Title: PLoS One Volume: 19(11) Pages: e0142126
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0142126
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short-lasting unilateral neuralgiform headache attacks with ispilateral facial flushing is a new variant of paroxysmal extreme pain disorder (2015)
  • Author(s): Imai N, Miyake N, Saito Y, Kobayashi E, Ikawa M, Manaka S, Shiina M, Ogata K, Matsumoto N
  • Journal Title: J Headache Pain Volume: 16(1) Pages: 519
  • DOI: 10.1186/s10194-015-0519-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GRIN1 mutations cause encephalopathy with infantile-onset epilepsy, and hyperkinetic and stereotyped movement disorders (2015)
  • Author(s): Ohba C, Shiina M, Tohyama J, Haginoya K, Lerman-Sagie T, Okamoto N, Blumkin L, Lev D, Mukaida S, Nozaki F, Uematsu M, Onuma A, Kodera H, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Tanaka F, Kato M, Ogata K, Saitsu H, Matsumoto N
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 56(6) Pages: 841-848
  • DOI: 10.1111/epi.12987
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Somatic mutations in the MTOR gene cause focal cortical dysplasia type Iib (2015)
  • Author(s): Nakashima M, Saitsu H, Takei N, Tohyama J, Kato M, Kitaura H, Shiina M, Shirozu H, Masuda H, Watanabe K, Ohba C, Tsurusaki Y, Miyake N, Zheng Y, Sato T, Takebayashi H, Ogata K, Kameyama S, Kakita A, Matsumoto N
  • Journal Title: Ann Neurol Volume: 78(3) Pages: 375-386
  • DOI: 10.1002/ana.24444
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel allosteric mechanism on protein-DNA interactions underlying the phosphorylation-dependent regulation of Ets1 target gene expressions (2015)
  • Author(s): Shiina M, Hamada K, Inoue-Bungo T, Shimamura M, Uchiyama A, Baba S, Sato K, Yamamoto M, Ogata K
  • Journal Title: J Mol Biol Volume: 427(8) Pages: 1655-1669
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2014.07.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel compound heterozygous LIAS mutations cause glycine encephalopathy (2015)
  • Author(s): Tsurusaki Y, Tanaka R, Shimada S, Shimojima K, Shiina M, Nakashima M, Saitsu H, Miyake N, Ogata K, Yamamoto T, Matsumoto N
  • Journal Title: J Hum Genet Volume: 60(10) Pages: 631-635
  • DOI: 10.1038/jhg.2015.72
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Ets1とRunx1のエンハンサー上での立体的な位置関係と協調性 (2015)
  • Author(s): 内山晃子，椎名政昭，浜田恵輔，豊後泰子，嶋村麻利子，緒方一博
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Kinetic characterization of a DNA binding activity of the transcription factor Ets1 and its regulation by phosphorylation in an intrinsically disordered region (2015)
  • Author(s): Shiina M, Kasahara K, Higo J, Baba S, Hamada K, Uchiyama A, Suzuki K, Sato K, Nakamura H, Ogata K
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 分子構造に基づく転写因子Nuclear factor (erythroid-derived2)-like2(Nrf2)の抗酸化剤応答配列認識機構の解析 (2015)
  • Author(s): 鈴木香絵，椎名政昭，浜田恵輔，石川涼平，金井達哉，豊後泰子，岡田千佳子，馬場しほ，鈴木隆史，太田 力，山本雅之，緒方一博
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Remarks] 横浜市立大学大学院医学研究科
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~seika/index.html