2015 Fiscal Year Annual Research Report
計算・情報科学による転写サイクルにおける情報変換機構の解明
| Project Area | Integral understanding of the mechanism of transcription cycle through quantitative, high-resolution approaches |
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| Project/Area Number |
24118008
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中村 春木 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (80134485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 聡 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 助教 (40452825)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 転写因子 / 分子動力学計算 / 遺伝子 / 生体生命情報学 / 生物物理 / 生体分子 / 蛋白質 / ポリメラーゼ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
転写サイクルにおける情報変換機構のダイナミクスを解明することを目的として、エンハンソソームにおける転写制御因子や転写伸長因子の立体構造に基づく分子シミュレーション計算等による計算科学的手法と、ChIP-seq やマイクロアレイデータ等の実験データをバイオインフォマティクス技術による情報科学的手法によって解析・統合化し、情報変換システムとしての転写サイクルを考察・解明した。
具体的には、Ets1のN末IDR部位がリン酸化された構造に対する拡張アンサンブル法（McMD）計算の結果、IDRの相互作用の特異性を見出し、横浜市立大学緒方一博教授に対して提案したIDR領域の変異体解析実験の結果、我々の複合体モデルが検証できた。転写因子Runx1/CBFβ/Ets1とDNAとの複合体に対する分子動力学（MD）シミュレーション計算を解析した結果、熱ゆらぎの中で過渡的に相互作用の相手を切り替えながら他の分子と接している残基が特定でき、変異体解析結果との良い一致が得られた。さらに、愛媛大学平田章教授との共同研究によるアーキアRNAポリメラーゼ11量体形成機構を解明するため、D/L二量体状態と11量体状態のMDシミュレーションを実施し安定化因子を明らかにした。北海道大学高橋秀尚助教との共同研究によってMED26転写伸張因子に対し、実験結果をよく説明するMED26/TAF7複合体の立体構造モデルが構築できた。
一方、転写因子Dzip3、SMARCAD1のRNA-Seqの解析を行い、それぞれの転写因子について、遺伝子に対する結合サイトの関係や他の転写因子との距離関係などを解析した。また、ChIP-Seqの解析によりゲノムワイドにおける転写制御に関係するヒストン修飾やRNA ポリメラーゼ IIの局在状態の解析や、転写因子複合体の解析を行った。さらに、NGSを利用した新技術shRNA-Seqスクリーニングやnascent RNAを解析する4sU-Seqの解析を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算科学的アプローチでは、Ets1のN末部位のリン酸化された構造の拡張アンサンブル法（McMD計算）による結果を基に、リン酸化によるDNAとの相互作用がFuzzyでなく特異的な相互作用であることを突き止め、共同研究を行っている横浜市立大学の緒方一博教授グループに対してリン酸化セリンリッチ領域の変異体解析実験を提案し、計算によって推定した複合体モデルが検証できた。また、周期境界条件を用いず比較的近距離で静電相互作用をカットオフしても高い精度の計算が行えるZero-Multipole Summation法（ZMM）や、ダイナミックな原子間の相互作用を同定する新たなグラフ理論による解析法（mDCC）など独自の計算科学的方法論を確立し、複数の論文を出版できた。
一方、情報科学的なアプローチでは、他のウェットの班員から産出されたゲノムワイドな実験データの解析を進めた。転写制御において重要であるヒストン修飾や、転写装置であるRNA ポリメラーゼIIのChIP-Seqデータを統合的に解析し、局在状態と遺伝子発現量の相関の解析を行った。また、転写因子は複合体を形成し制御を行っているため、多数の転写因子に関するChIP-Seqデータを収集してそれらの協同的制御の解析も進めた。
他の班員により産出される膨大な実験データに対する計算科学・情報科学的解析手法の開発と支援として、NGSを使用した新規技術に関する解析法の開発を行った。shRNA-Seqスクリーニングの解析法の開発や、4sU-Seqというnascent RNA量を測定する手法から得られたデータ利用した解析を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算科学的アプローチによる研究では、平成28年度は最終年度として３つの研究テーマに対して研究を推進し、とりまとめる。第一に、転写因子Ets1の制御エレメント認識機構に関する検討を引き続き行い、共同研究を行っている横浜市立大学の緒方一博教授による実験結果を基に解析を進め、fuzzy相互作用でない特異的相互作用機序を確定する。第二に、愛媛大学平田章教授との共同研究によるアーキアRNAポリメラーゼ11量体のダイナミクス解析結果を、分子動力学計算だけでなく基準振動解析を含めてまとめる。第三に、北海道大学高橋秀尚助教との共同研究によるMED26転写伸張因子の複合体については、高効率の構造探索を行える分子シミュレーションによってMED26/TAF7およびMED26/EAF複合体の立体構造モデルを構築し、特異的な相互作用機構を明らかにする。
情報科学的アプローチによる研究では、転写因子の複合体や転写開始、転写伸長のシグナルとなるヒストン修飾や、転写装置であるRNA ポリメラーゼIIに関するChIP-Seqによるゲノムワイドにおける局在状態を解析し転写サイクルのメカニズムの解明を目指す。班員である田村グループと共同研究により、転写因子IRF8によって制御される遺伝子周辺におけるるヒストン修飾の局在状態と遺伝子の発現量の関係の解析を引き続き行う。班員である山口グループとの共同研究により、PolIIの局在状態の変化についての解析やRNA-Seqと4sU-seqを組み合わせmRNAの発現量調節に関する解析を行う。また班員である伊藤グループとの共同研究により、公共に公開されている転写因子、ヒストン修飾やPoll IIをはじめとしたChIP-SeqやRNA-Seqのデータを複合的に解析し、転写因子複合体による遺伝子調節の解析を行う。
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[Journal Article] Dzip3 regulates developmental genes in mouse embryonic stem cells by reorganizing 3D chromatin conformation2016
Author(s)
Daishi Inoue, Hitoshi Aihara, Tatsuharu Sato, Hirofumi Mizusaki, Masamichi Doiguchi, Miki Higashi, Yuko Imamura, Mitsuhiro Yoneda, Takayuki Miyanishi, Satoshi Fujii, Akihiko Okuda, Takeya Nakagawa, Takashi Ito
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 5
Pages: 16567
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] SMARCAD1 is an ATP-dependent stimulator of nucleosomal H2A acetylation via CBP, resulting in transcriptional regulation2016
Author(s)
Masamichi Doiguchi, Takeya Nakagawa, Yuko Imamura, Mitsuhiro Yoneda, Miki Higashi, Kazuishi Kubota, Satoshi Yamashita, Hiroshi Asahara, Midori Iida, Satoshi Fujii, Tsuyoshi Ikura, Ziying Liu, Tulip Nandu, W. Lee Kraus, Hitoshi Ueda, Takashi Ito
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 20179
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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