計測と再構築による生細胞内クロマチンダイナミクスの高次元的理解

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Dynamic chromatin structure and function
• Project/Area Number: 25116005
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 木村 宏 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30241392)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山縣 一夫 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (10361312)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 発現制御 / 発生・分化 / ゲノム / 細胞・組織 / バイオテクノロジー / エピジェネティクス制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、クロマチン動態の正確な「計測」と再構成ポリヌクレオソームを用いた「再構築」を行い、生細胞や生物個体におけるクロマチンので動的変化とその機能発現における意義を明らかにすることを目的として行っており、本年度は、以下の研究成果を得た。
１．熱ショックストレスに応答した内在性転写単位の活性化メカニズムの解明のために、mCherryやHaloTag融合型の熱ショック転写因子（heat shock factor 1; HSF1)を発現する細胞を樹立し、FabLEM解析により、熱ショックに応答したヒストンとRNAポリメラーゼIIの翻訳後修飾の動態を解析した。また、dCas9-EGFPと特異的なsgRNAを用いて、サテライトIII領域の生細胞可視化系を開発した。
２．H4K20me1-mintbody (mCherry version）を発現するマウスを用いて、初期胚における局在解析を試みた。生細胞ではmCherryのシグナルが検出できたものの、固定した胚の切片ではmCherryのシグナルの検出は困難であった。そこで、固定したサンプルで調製法を検討中である。
３．マウスH3mmTバリアントの機能解析を進め、精子形成過程での発現時期について明らかにした。
４．ゼブラフィッシュ受精卵に蛍光標識Fabを導入し、胚性ゲノム活性化のタイミングの解析を行った。胚性ゲノム活性化は、RNAポリメラーゼIIのリン酸化を指標に同定することが可能となったため、そのタイミングで変動するヒストン修飾を探索した。
５．マウス受精卵にDNAビーズを導入し、クロマチンや細胞核の形成を評価する系を確立中である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

FabLEM法やmintbodyを用いた生細胞解析により、クロマチンダイナミクスと転写制御に関する多くの新規知見が得られている。また、マウス初期胚におけるクロマチン再構成系も期待が持てる結果がでている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究体制を継続し、培養細胞系、ゼブラフィッシュ胚、マウス胚を用いた計測系、再構成系を駆使して、クロマチンダイナミクスの理解につなげていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max‐Delbruck Centre for Mol. Med./Max Planck Institute-CBG(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max‐Delbruck Centre for Mol. Med./Max Planck Institute-CBG
• [Int'l Joint Research] University of Colorado, Aurora/Colorado State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Colorado, Aurora/Colorado State University
• [Int'l Joint Research] University of Edinburgh/University of Cambridge(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Edinburgh/University of Cambridge
• [Int'l Joint Research] University of Toulouse(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: University of Toulouse
• [Journal Article] Crystal Structure and Characterization of Novel Human Histone H3 Variants, H3.6, H3.7, and H3.8 (2017)
  • Author(s): Taguchi H, Xie Y, Horikoshi N, Maehara K, Harada A, Nogami J, Sato K, Arimura Y, Osakabe A, Kujirai T, Iwasaki T, Semba Y, Tachibana T, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 56 Pages: 2184-2196
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b01098.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 3. Global histone modification fingerprinting in human cells using epigenetic reverse phase protein array (2017)
  • Author(s): Partolina M, Thoms HC, MacLeod KG, Rodriguez-Blanco G, Clarke MN, Venkatasubramani AV, Beesoo R, Larionov V, Neergheen-Bhujun VS, Serrels B, Kimura H, Carragher NO, Kagansky A.
  • Journal Title: Cell Death Discov Volume: 3 Pages: 16077
  • DOI: 10.1038/cddiscovery.2016.77.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Xeroderma pigmentosum group C protein interacts with histones: regulation by acetylated states of histone H3 (2017)
  • Author(s): Kakumu E, Nakanishi S, Shiratori HM, Kato A, Kobayashi W, Machida S, Yasuda T, Adachi N, Saito N, Ikura T, Kurumizaka H, Kimura H, Yokoi M, Sakai W, Sugasawa K.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 22 Pages: 310-327
  • DOI: 10.1111/gtc.12479
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reduction in chromosome mobility accompanies nuclear organization during early embryogenesis in Caenorhabditis elegans (2017)
  • Author(s): Arai R, Sugawara T, Sato Y, Minakuchi Y, Toyoda A, Nabeshima K, Kimura H, Kimura A.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: not determined
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Testis-Specific Histone Variant H3t Gene Is Essential for Entry into Spermatogenesis (2017)
  • Author(s): Ueda J, Harada A, Urahama T, Machida S, Maehara K, Hada M, Makino Y, Nogami J, Horikoshi N, Osakabe A, Taguchi H, Tanaka H, Tachiwana H, Yao T, Yamada M, Iwamoto T, Isotani A, Ikawa M, Tachibana T, Okada Y, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H, Yamagata K.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 18 Pages: 593-600
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.065.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Genetically Encoded Probe for Live-Cell Imaging of H4K20 Monomethylation (2016)
  • Author(s): Sato Y, Kujirai T, Arai R, Asakawa H, Ohtsuki C, Horikoshi N, Yamagata K, Ueda J, Nagase T, Haraguchi T, Hiraoka Y, Kimura A, Kurumizaka H, Kimura H.
  • Journal Title: J Mol Biol Volume: 428 Pages: 3885-3902
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2016.08.010.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Histone H4 lysine 20 acetylation is associated with gene repression in human cells (2016)
  • Author(s): Kaimori JY, Maehara K, Hayashi-Takanaka Y, Harada A, Fukuda M, Yamamoto S, Ichimaru N, Umehara T, Yokoyama S, Matsuda R, Ikura T, Nagao K, Obuse C, Nozaki N, Takahara S, Takao T, Ohkawa Y, Kimura H, Isaka Y.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 6 Pages: 24318
  • DOI: 10.1038/srep24318.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structure and function of human histone H3.Y nucleosome. (2016)
  • Author(s): Kujirai T, Horikoshi N, Sato K, Maehara K, Machida S, Osakabe A, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res Volume: 44 Pages: 6127-6141
  • DOI: 10.1093/nar/gkw202
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Tracking chromatin modification dynamics during gene activation in vivo (2017)
  • Author(s): Hiroshi Kimura
  • Organizer: Swiss-Japan Symposium “Chromatin Structure and Dynamics”
  • Place of Presentation: Basel, Switzerland
  • Year and Date: 2017-01-20 – 2017-01-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualizing the dynamics of histone H4K20 methylation in living cells (2016)
  • Author(s): Yuko Sato and Hiroshi Kimura
  • Organizer: 3R Meeting
  • Place of Presentation: 松江市
  • Year and Date: 2016-11-13 – 2016-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Histone modification dynamics in living cells (2016)
  • Author(s): Hiroshi Kimura
  • Organizer: Colorado Chromatin Meeting 2016
  • Place of Presentation: Fort Collins, Colorado, USA
  • Year and Date: 2016-08-08 – 2016-08-08
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Tracking post-translational modifications in living cells (2016)
  • Author(s): Hiroshi Kimura
  • Organizer: UK-Japan Symposium “From single molecules to cells and tissues”
  • Place of Presentation: Leicester, UK
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京工業大学 木村研究室
  • URL: http://kimura-lab.bio.titech.ac.jp/
• [Remarks] 東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター
  • URL: https://cell-biology.jimdo.com/
• [Remarks] 東京工業大学 リサーチデポジトリ 木村 宏
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100673940
• [Remarks] 新学術領域「クロマチン動構造」
  • URL: http://nucleosome.kyushu-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ＤＮＡ結合タンパク質の結合領域の近傍に所望のＤＮＡ断片を挿入する方法 (2016)
  • Inventor(s): 大川恭行、原田、哲仁、胡桃坂仁志、木村宏、等
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人九州大学、国立大学法人東京工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2016-167967
  • Filing Date: 2016-08-30