シミュレーション計算による動的クロマチンのダイナミクス解析

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Dynamic chromatin structure and function
• Project/Area Number: 25116003
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 河野 秀俊 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究主幹 (40291918)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: クロマチン / ヌクレオソーム / ヒストン / 分子シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

真核生物のゲノムDNAは核内にクロマチン構造としてコンパクトに収納されている。しかし、転写、複製、組換えでは、基本構造であるヌクレオソームからDNAが解けたり、ヌクレオソーム自体が一旦破壊され再構築されたりとその構造をダイナミックに変える。生物は、この過程を通して、制御因子などDNA結合タンパク質のアクセスを制御し、DNAの持つ情報を発現している。本計画班では、分子動力学シミュレーションを用い、原子レベルやアミノ酸や塩基をひとかたまりと見た粗視化レベルで、ヌクレオソームやポリヌクレオソームの構造安定性や構造揺らぎなどがクロマチンに及ぼす影響を調べる。これにより、動的なクロマチンと機能発現メカニズムの関係を明らかにする。さらに、計画班の他の実験研究者と共同し、核内でのクロマチン動態とヒストンバリアントや化学修飾の関係を構造安定性や揺らぎなど計算科学的なアプローチにより定量的に明らかにする。
本年度は、他の研究計画班で決定された、4種類のヒストンバリアントから構成されるヌクレオソームや化学修飾を受けたヌクレオソームについて、100ナノ秒から300ナノ秒の分子シミュレーション計算を実施し、実験的には捉えることが困難な、ナノ秒からミリ秒の原子、分子のダイナミクス解析を行った。また、新規に見つかったH3ヒストンバリアントの構造をシミュレーション計算により予測し、なぜヌクレオソームが不安定になるのかその要因を推定した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

順調に計算が進んでいる。また、他の計画班との連携も順調である。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、モノヌクレオソーム系でのダイナミクス解析、高次クロマチンダイナミクスシミュレーションの実施と解析、シミュレーション計算結果と生細胞イメージングデータとの相関解析等を行っていく。特に、博士研究員とともに、ヒストン構成の異なるヌクレオソームがつながったポリヌクレオソームの動態解析を行う。

Research Products

• [Journal Article] Two Arginine Residues Suppress the Flexibility of Nucleosomal DNA in the Canonical Nucleosome Core (2015)
  • Author(s): Kono, H., Shirayama, K., Arimura, Y., Tachiwana, H. & Kurumizaka, H.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 10 Pages: e0120635
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0120635
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Intensity of diffracted X-rays from biomolecules with radiation damage caused by strong X-ray pulses (2014)
  • Author(s): Kai, T., Tokuhisa, A., Moribayashi, K., Fukuda, Y., Kono, H. & Go, N
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 83 Pages: 094301
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.094301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local Dynamics Coupled to Hydration Water Determines DNA-sequence Dependent Deformability (2014)
  • Author(s): Nakagawa, H., Yonetani, Y., Nakajima, K., Ohira-kawamura, S., Kikuchi, T., Inamura, Y., Kataoka, M. & Kono, H.
  • Journal Title: Physical Reviews E. Volume: 90 Pages: 022723-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.90.022723
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Differences in Dynamics among Nucleosomes with Distinct Histone Compositions (2015)
  • Author(s): Kono, H.
  • Organizer: RIKEN Epigenetics in Kobe
  • Place of Presentation: 理研再生科学総合研究センター（神戸）
  • Year and Date: 2015-02-14 – 2015-02-14
  • Invited
• [Presentation] Free Energy Profile for Nucleosomal DNA Unwrapping (2015)
  • Author(s): Kono, H., Sakuraba, S. & Ishida, H.
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: 米国 ボルチモア
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-11
• [Presentation] Conformational sampling of unmodified and acetylated H3 histone tails on a nucleosome by all-atom model molecular dynamics simulations (2015)
  • Author(s): Ikebe, J., Sakuraba, S. & Kono, H.
  • Organizer: Biophysical Society 59th Annual Meeting
  • Place of Presentation: 米国 ボルチモア
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-11
• [Presentation] 生体分子MDの間違い探し (2014)
  • Author(s): 櫻庭俊、河野秀俊
  • Organizer: 第28回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 市民会館（仙台）
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] シミュレーションによる動的クロマチンダイナミクス (2014)
  • Author(s): 河野秀俊
  • Organizer: 分子研研究会「細胞核内反応の分子化学」
  • Place of Presentation: 分子研（岡崎）
  • Year and Date: 2014-09-27 – 2014-09-27
  • Invited
• [Presentation] ヌクレオソームにおけるH3ヒストンテールの構造アンサンブル (2014)
  • Author(s): 河野秀俊、池部仁善
  • Organizer: 第14回日本蛋白質科学学会年会
  • Place of Presentation: ワークピア横浜（横浜）
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • Invited