Towards understanding the role for DNMT1 to establish Polycomb-mediated gene silencing

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02622
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 古関 明彦 国立研究開発法人理化学研究所, 統合生命医科学研究センター, グループディレクター (40225446)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: DNMT1 / ポリコム群遺伝子 / CpGアイランド / PRC1 / PRC2

Outline of Annual Research Achievements

DNMT1/NP95経路とポリコム群遺伝子発現抑制の間にあるリンクを詳細に記載するための研究を実施してきた。今までに、ポリコム群は、ES細胞においてCpGアイランドにKDM2B/PCGF1-PRC1→PRC2→カノニカルPRC1というカスケードを使って抑制性クロマチンを形成して、標的遺伝子群を抑制することを他の研究において明らかにしてきた。H28年度までに、DNMT1はKDM2Bの下流として作用していることを示し、PRC2→カノニカルPRC1経路が作用するためにDNMT1は必要とされることを示してきた。この過程において、DNMT1のどの機能ドメインが必要であるのかを明らかにするために、CpGアイランドにリクルートするために機能するCXXCモチーフ、あるいは、複製フォークへのリクルートに寄与するドメイン、あるいは、メチルトランスフェラーゼドメイン、あるいは、ユビキチン結合ドメインを欠損するDNMT1をDNMT1欠損細胞に導入し、安定発現株を樹立した。驚いたことに、これらにおいては、いずれもレトロトラスポゾンにおけるDNAメチル化レベルの回復がみられなかった。しかしながら、いづれの欠損においても、RING1Bの標的への結合は回復することが示された。現在、BAHドメインに焦点を絞った解析を行っている。また、カノニカルPRC1のリクルートメントについてより詳細な解析を行い、CBX7のリクルートは障害されているもののPCGF2(MEL18)については大きな変化がないことがあきらかになった。このことは、カノニカルPRC1のアッセンブリー過程が機能標的である可能性を示唆しており、現在カノニカルPRC1の個々の構成成分について標的への結合を検証している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

幾つかの点で、予想とは異なる結果（どの個々のドメインにも機能発現を帰することができなかったなど）が得られたため、適宜短期的な目的を修正しながら研究を進行させている。観察そのものの頑健性は実験を積み重ねることで担保されており、順調に進んでいると自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

今までの研究の進行状況を鑑み、３０年度は以下のように研究を進行する予定である。
① CGIsにおけるDNMT1とカノニカルPRC1の機能的関連の解析: 前述のようにカノニカルPRC１の各構成成分のリクルートメントの間に乖離が見られた。このメカニズムを明らかにするために、RYBPやYAF2のようなカノニカルPRC1にCBX群と競合的に結合しうるコンポーネントについて、DNMT1やNP95への依存性を明らかにする。
② DNMT1によるポリコム群リクルートメント活性のメカニズムの解析：DNMT1やNP95を強制的にクロマチン上に結合させ、各ポリコム群コンポーネントの周辺へのリクルートメントが起こりうるかを検討する。これにより、DNMT1やNP95を欠損したES細胞におけるポリコム群の結合変化が、直接な結合を介した変化であるのか、あるいは、別の要素を介在させるものであるのかが検証可能となる。また、今までのDNMT1 に対する免疫沈降/ウェスタンブロッティングから、RING1Bが免疫沈降されうる可能性が示された。DNMT1とPRC1の直接的な結合の可能性について、免疫沈降/質量分析によって検証を行う。
③ DNMT1によるポリコム群リクルートメント活性の遺伝子とリピートにおける比較：少量ながらポリコム群がレトロトランスポゾンなどの因子にリクルートされることはよく知られているところであるが、そのメカニズムについてはよくわかっていない。DNMT1とNP95が、それらのDNAメチル化維持に寄与することはよく知られている。リピート領域におけるポリコム群の活性にDNMT1とNP95がどのように寄与するのか、あきらかにする。

Research Products

• [Journal Article] Correction: PCGF6-PRC1 suppresses premature differentiation of mouse embryonic stem cells by regulating germ cell-related genes (2017)
  • Author(s): Endoh Mitsuhiro、Endo Takaho A、Shinga Jun、Hayashi Katsuhiko、Farcas Anca、Ma Kit-Wan、Ito Shinsuke、Sharif Jafar、Endoh Tamie、Onaga Naoko、Nakayama Manabu、Ishikura Tomoyuki、Masui Osamu、Kessler Benedikt M、Suda Toshio、Ohara Osamu、Okuda Akihiko、Klose Robert J、Koseki Haruhiko
  • Journal Title: eLife Volume: 6 Pages: 27970
  • DOI: 10.7554/eLife.21064
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Resistance to Transcriptional Reprogramming following Nuclear Transfer Is Directly Mediated by Multiple Chromatin-Repressive Pathways. (2017)
  • Author(s): Jullien J, Vodnala M, Pasque V, Oikawa M, Miyamoto K, Allen G, David SA, Brochard V, Wang S, Bradshaw C, Koseki H, Sartorelli V, Beaujean N, Gurdon J. Gene
  • Journal Title: Mol Cell Volume: 65 Pages: 873-884
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.01.030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PCGF3/5-PRC1 initiates Polycomb recruitment in X chromosome inactivation. (2017)
  • Author(s): Almeida M, Pintacuda G, Masui O, Koseki Y, Gdula M, Cerase A, Brown D, Mould A, Innocent C, Nakayama M, Schermelleh L, Nesterova TB, Koseki H, Brockdorff N.
  • Journal Title: Science Volume: 356 Pages: 1081-1084
  • DOI: DOI: 10.1126/science.aal2512
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pramel7 mediates ground-state pluripotency through proteasomal-epigenetic combined pathways. (2017)
  • Author(s): Graf U, Casanova EA, Wyck S, Dalcher D, Gatti M, Vollenweider E, Okoniewski MJ, Weber FA, Patel SS, Schmid MW, Li J, Sharif J, Wanner GA, Koseki H, Wong J, Pelczar P, Penengo L, Santoro R, Cinelli P.
  • Journal Title: Nat Cell Biol Volume: 19 Pages: 763-773
  • DOI: 10.1038/ncb3554
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CFC1 is a cancer stemness-regulating factor in neuroblastoma. (2017)
  • Author(s): Chikaraishi K, Takenobu H, Sugino RP, Mukae K, Akter J, Haruta M, Kurosumi M, Endo TA, Koseki H, Shimojo N, Ohira M, Kamijo T.
  • Journal Title: Oncotarget Volume: 8 Pages: 45046-45059
  • DOI: 10.18632/oncotarget.18464
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EPC1/TIP60-mediated histone acetylation facilitates spermiogenesis in mice. (2017)
  • Author(s): Dong Y, Isono KI, Ohbo K, Endo TA, Ohara O, Maekawa M, Toyama Y, Ito C, Toshimori K, Helin K, Ogonuki N, Inoue K, Ogura A, Yamagata K, Kitabayashi I, Koseki H.
  • Journal Title: Mol Cell Biol Volume: 37 Pages: e00082-17
  • DOI: 10.1128/MCB.00082-17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crosstalk between NRF2 and HIPK2 shapes cytoprotective responses. (2017)
  • Author(s): Torrente L, Sanchez C, Moreno R, Chowdhry S, Cabello P, Isono K, Koseki H, Honda T, Hayes JD, Dinkova-Kostova AT, de la Vega L.
  • Journal Title: Oncogene Volume: 36 Pages: 6204-6212
  • DOI: 10.1038/onc.2017.221
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prolonged Mek1/2 suppression impairs the developmental potential of embryonic stem cells. (2017)
  • Author(s): Choi J, Huebner AJ, Clement K, Walsh RM, Savol A, Lin K, Gu H, Di Stefano B, Brumbaugh J, Kim SY, Sharif J, Rose CM, Mohammad A, Odajima J, Charron J, Shioda T, Gnirke A, Gygi S, Koseki H, Sadreyev RI, Xiao A, Meissner A, Hochedlinger K.
  • Journal Title: Nature Volume: 548 Pages: 219-223
  • DOI: 10.1038/nature23274
  • Open Access
• [Journal Article] Internal deletion of BCOR reveals a tumor suppressor function for BCOR in T lymphocyte malignancies. (2017)
  • Author(s): Tanaka T, Nakajima-Takagi Y, Aoyama K, Tara S, Oshima M, Saraya A, Koide S, Si S, Manabe I, Sanada M, Nakayama M, Masuko M, Sone H, Koseki H, Iwama A.
  • Journal Title: J Exp Med Volume: 214 Pages: 2901-2913
  • DOI: 10.1084/jem.20170167.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The SET1 Complex Selects Actively Transcribed Target Genes via Multivalent Interaction with CpG Island Chromatin. (2017)
  • Author(s): Brown DA, Di Cerbo V, Feldmann A, Ahn J, Ito S, Blackledge NP, Nakayama M, McClellan M, Dimitrova E, Turberfield AH, Long HK, King HW, Kriaucionis S, Schermelleh L, Kutateladze T, Koseki H, Klose RJ.
  • Journal Title: Cell Rep Volume: 20 Pages: 2313-2327
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.08.030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polycomb directs timely activation of germline genes in spermatogenesis (2017)
  • Author(s): Maezawa S, Hasegawa K, Yukawa M, Sakashita A, Alavattam KG, Andreassen PR, Vidal M, Koseki H, Barski A, Namekawa SH.
  • Journal Title: Genes Dev Volume: 31 Pages: 1693-1703
  • DOI: 10.1101/gad.302000.117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of UHRF1 in de novo DNA methylation in oocytes and maintenance methylation in preimplantation embryos. (2017)
  • Author(s): Maenohara S, Unoki M, Toh H, Ohishi H, Sharif J, Koseki H, Sasaki H.
  • Journal Title: PLoS Genet Volume: 13 Pages: e1007042
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1007042
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An endosiRNA-Based Repression Mechanism Counteracts Transposon Activation during Global DNA Demethylation in Embryonic Stem Cells. (2017)
  • Author(s): Berrens RV, Andrews S, Spensberger D, Santos F, Dean W, Gould P, Sharif J, Olova N, Chandra T, Koseki H, von Meyenn F, Reik W.
  • Journal Title: Cell Stem Cell Volume: 21 Pages: 694-703
  • DOI: 10.1016/j.stem.2017.10.004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] No Winter Lasts Forever: Polycomb Complexes Convert Epigenetic Memory of Cold into Flowering (2017)
  • Author(s): Sharif J, Koseki H.
  • Journal Title: Dev Cell Volume: 42 Pages: 563-564
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2017.09.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Gene regulation by Polycomb variants (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: RIKEN-McGill Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Clinical potential of iPS cell-derived invariant NKT cells (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: Stanford ISCBRM-RIKEN IMS Joint Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polycomb-mediated regulation of transition of transcriptional status (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: 第69回日本細胞生物学会大会 The 69th Annual Meeting of the Japan Sciety for Cell Biology
  • Invited
• [Presentation] 「iPS 細胞由来NKT 細胞によるがん治療技術の開発」 Development of adoptive immunotherapy for cancer using iPS-derived NKT cells (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: 第21回日本がん免疫学会総会 The 21st Annual Meeting of Japanese Association of Cancer Immunology
  • Invited
• [Presentation] Meis2 activation by Kdm2b-containing complexesOxford University (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: Oxford University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Meis2 activation by Kdm2b-containing complexesThe Babraham Institute (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: The Babraham Institute
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Meis2 activation by Kdm2b-containing complexes (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: Smurfit Institute of Genetics, Trinity College Dublin
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Activating Polycomb-repressed genes in mammals (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: France-Japan Epigenetics Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Meis2 regulation by Kdm2b complexes in developing midbrain (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Meis2 regulation by Kdm2b complexes in developing midbrain (2017)
  • Author(s): Koseki H
  • Organizer: Biotech Research & Innovation Centre (BRIC) University of Copenhagen
  • Int'l Joint Research / Invited