ゲノムの死と再生:DNA二重鎖切断とその帰結のバイオロジー

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13141201
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小林 一三 東京大学, 医科学研究所, 助教授 (30126057)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 板谷 光泰 三菱化学生命科学研究所, 主任研究員
• Keywords: 遺伝子 / ゲノム / 細菌 / 進化 / バイオテクノロジー

Research Abstract

A.自然に起きる染色体切断とそのプロセシング
大腸菌で無処理の状態でできる「大きな切断染色体」をパルスフィールドゲル電気泳動で検出・解析した。種変異体を調べ、相同組み換え遺伝子が染色体二重鎖切断の修復に関与していることを示唆した。
dnaA-independentなori依存性の枯草菌ゲノムで大規模なゲノム構造変異が生じていることをパルスフィールド電気泳動法で示唆した。
B.制限修飾遺伝子の攻撃によって起きる染色体切断とその帰結
(1)制限修飾遺伝子の自己増幅
BamHI制限修飾遺伝子の枯草菌染色体上でのタンデムな自己増幅を、制限酵素機能に依存して再現した。ウイルス様増幅サイクルの仮説を提唱した。
(2)制限修飾遺伝子の攻撃に伴うゲノム再編
大腸菌での制限修飾遺伝子の染色体攻撃が、PaeR71制限修飾遺伝子の「サブゲノム間の転移」を引き起こし、かつ選択することを示した。
(3)制限と「二重鎖切断修復」型組換え修復
感染バクテリオファージラムダDNAの複製後に、I型あるいはIII型の制限酵素が両娘DNAを攻撃すること、それらの切断がファージの二重鎖切断修復型相同組換えによって修復されることを示唆した。
(4)相同相互作用に関係した非相同組換え
大腸菌への制限切断プラスミド導入系で、相同相互作用に依存した非相同組換えの証拠を得た。
C.制限修飾遺伝子とゲノム多型
近縁の細菌のゲノム配列の比較によって、制限修飾遺伝子がゲノム再編に関与した証拠を得た。
D.相同相互作用のランダム・ウォーク・モデル
ホリディー中間体の連結点がホモロジーに沿ってランダムウォークするというモデルを、左右への移動が非対称な場合に拡張し、in vitroでの実験結果との良い一致を得た。
減数分裂での交叉の間の干渉を、このモデルを巨視的なものにして、二つのランダムウォーカーの衝突によって説明した。

Research Products

• [Publications] Katayama, Y., Takeuchi, F., Ito T., Ma, X.X., Ui-Mizutani, Y., Kobayashi, I., Hiramatsu, K: "Identification in a Methicillin-Susceptible Staphylococcus hominis of an Active Primordial Mobile Genetic Element for the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) which -in Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus -is the Carrier of the Resistance Gene mec A"J.Bacteriol.. (刊行中).
• [Publications] Roberts, R.J., et al.: "A nomenclature for restriction enzymes, DNA methyltransferases, homing endonucleases and their genes"Nucleic Acids Res.. (刊行中).
• [Publications] Sadykov, M., Asami, Y, Niki, H., Handa, N., Itaya, M., Tanokura, M., Kobayashi, I.: "Multiplication of a restriction modification gene complex"Mol.Microbiol.. (刊行中).
• [Publications] Takahashi, N., Yoshikura, H., Kobayashi, I.: "An Escherichia coli strain, BJ5183, that shows highly efficient conservative (two-progeny) DNA double-stand break repair of restriction breaks"Gene,303:89-97(2003). 303. 89-97 (2003)
• [Publications] Fujitani, Y., Kobayashi, I.: "Asymmetric Random Walk in a Reaction Intermediate of Homologous Recombination"J.Theor.Biol.. 220. 359-370 (2003)
• [Publications] Y.Ohashi, H.Ohshima, K.Tsuge, M.Itaya: "Far different levels of gene expression provided by an oriented cloning system in Bacillus subtilis and Escherichia coli"FEMS lett.. (刊行中). (2003)
• [Publications] Takahashi, N., Naito, Y., Handa, N., Kobayashi, I.: "A DNA methyltransferase can protect the genome from post-disturbance attack by a restriction-modification gene complex"J.Bacteriol.. 184. 6100-6108 (2002)
• [Publications] Fujitani, Y., Mori, S., Kobayashi, I.: "a reaction-diffusion model for interference in meiotic crossing-over"Genetics. 161. 365-372 (2002)
• [Publications] Tsuge, K., M.Itaya: "Recombinational transfer of 100-kb genomic DNA to plasmid in Bacillus subtilis 168"J.Bacteriol.. 183. 5453-5456 (2001)
• [Publications] Itaya, M., S.Shaheduzzaman, K.Matsui, A.Omori, T.Tsuji: "Green marker for Bacillus subtilis colonies"Biosci.Biotech Biochem.. 65. 579-583 (2001)
• [Publications] 小林一三: "メイナードスミス博士京都章受賞記念ワークショップ講演:ゲームの場としてのゲノム"遺伝. 56. 70-76 (2002)
• [Publications] 小林一三: "制限酵素修飾酵素遺伝子の自己増殖の発見"海洋. (刊行中).
• [Publications] 小林一三: "ゲノムにとって「自己」とは何か?"ゲノム・ニュース. (刊行中).
• [Publications] Kobayashi, I.: "Addiction as a principle of symbiosis of genetic elements in the genome ---restriction enzymes, chromosome and mitochondria"Symbiosis and Cellular Organelles. (刊行中).
• [Publications] Kobayashi, I.: "Life cycle of restriction-modification systems, powers in genome evolution. In Genome Science ---Towards a new paradigm?"Elsevier Science. 191-200 (2002)
• [Publications] Kobayashi, I.: "DNA double-strand break repair in bacteria"The Encyclopedia of Life Sciences (on-line publication). (2002)
• [Publications] 小林一三, 広瀬彩: "バクテリオファージ・ラムダ、細胞生物学事典"朝倉書店(刊行中).