2019 Fiscal Year Annual Research Report
Higher-order regulatory mechanisms for DNA damage recognition in nucleotide excision repair
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16H06307
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
菅澤 薫 神戸大学, バイオシグナル総合研究センター, 教授 (70202124)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩井 成憲 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10168544)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 遺伝子 / 蛋白質 / DNA損傷認識 / ヌクレオチド除去修復 / 色素性乾皮症 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヌクレオチド除去修復（NER）におけるDNA損傷認識を制御する新たな因子として見出されたヒストンメチル化酵素について解析を進め、この酵素自身がDNA損傷部位に特異的に結合しうることを明らかにするとともに、この結合に必要な領域の同定を行った。一方、色素性乾皮症C群（XPC）タンパク質のDNA損傷部位へのリクルートを促進するヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）について阻害剤及びsiRNAを用いて分子種の同定を行い、このHDACが局所紫外線照射部位に実際にリクルートされることを確認した。さらにマウス細胞においてメチル化ヒストン、非アセチル化ヒストンに富むヘテロクロマチン領域にXPCがリクルートされる分子機構の解析を進め、XPCタンパク質の中央領域がヘテロクロマチン局在に必要であること、この中央領域を欠失した変異XPCを発現する細胞では紫外線誘発DNA損傷の修復に部分的な欠損が見られることを明らかにした。以上の結果は、DNA損傷に伴ってまずヒストンのメチル化や脱アセチル化を含むクロマチン構造の変換が誘導され、その構造に親和性を持つXPCのリクルートを介して損傷認識が促進されるという我々の仮説を強く裏付けるものである。
NERのDNA損傷認識において、ユビキチン-プロテアソーム系（UPS）が重要な役割を担うことが以前から知られている。特にDDB1-DDB2複合体（UV-DDB）の損傷認識に伴って誘導されるDDB2の自己ユビキチン化と分解を介した制御が注目されてきたが、今回プロテアソームの阻害がDNA損傷非依存的にDDB2の核内局在に影響を与えること、機能的なプロテアソームの存在が効率的なNER活性の維持に重要であることを見出した。また、無細胞系を用いた解析から、DNA損傷がヌクレオソーム構造の内部に隠れている場合でも、UV-DDBがDNAをスライドさせることで損傷を外側に露出させ、直接結合できることを明らかにした。
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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
これまでの研究で、最初にDNA損傷と相互作用してNERを開始すると考えられてきたXPCよりも前に、ヒストン修飾酵素が働いてクロマチン構造を変換することで逆にXPCのリクルートが促進されていることを示す結果が蓄積されている。一般にヒストンのメチル化や脱アセチル化は遺伝子発現に対する抑制的な機能が広く知られており、本研究の成果はクロマチン構造動態による核機能の制御に関する既成概念を覆す可能性があることから、ゲノムDNA損傷認識の高次制御機構の解明という当初目標の達成に向けて着実に研究が進展していると言える。また、本研究で導入した多光子吸収による局所紫外線刺激と生細胞イメージングを用いた解析から、NERのDNA損傷認識におけるUPSの新たな役割が明らかになり、まもなく論文投稿を行う予定である。さらに無細胞系を用いた研究では、損傷DNAがヌクレオソームを形成した時にUV-DDBがDNAをスライドさせて損傷を認識可能な位置に露出させることを明らかにし、この分子機構をSAsSE（Slide-Assisted Site Exposure）と呼ぶことを提唱してNature誌に論文発表した。以上を総合的に判断すると、本研究は全体としておおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
染色体の特定の領域に任意のタンパク質因子をテザリングできる系を導入しており、これを用いて特定のヒストン修飾酵素や関連するクロマチンリモデリング因子によってXPCの局在が人為的に制御できるかどうか検討している。またXPCのヘテロクロマチン局在に必要な領域が同定できたので、この領域と各種修飾ヒストンとの相互作用について詳細な生化学的解析を行う予定である。これらの結果を加えてヒストン修飾を介したXPCによるDNA損傷認識の制御機構モデルを確立し、論文発表することを目指す。
一方、XPCを標的とするクロマチン免疫沈降シーケンスにより、XPCとヒストン修飾のゲノムワイド分布の関係について興味深い結果が予備的ではあるが得られており、本格的な解析に進める予定である。一方、細胞内においてヒストン修飾酵素がXPCに依存せずにDNA損傷部位にリクルートされる分子機構の理解は非常に重要な課題である。試験管内で裸の損傷DNAとヒストン修飾酵素が直接相互作用する可能性も見出しているが、今後はクロマチン構造をとった損傷DNAとの結合実験も取り入れることで詳細なメカニズムの解明を目指す。
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[Journal Article] DNA damage detection in nucleosomes involves DNA register shifting2019
Author(s)
Matsumoto S, Cavadini S, Bunker RD, Grand RS, Potenza A, Rabl J, Yamamoto J, Schenk AD, Schubeler D, Iwai S, Sugasawa K, Kurumizaka H, Thoma NH
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Journal Title
Nature
Volume: 571
Pages: 79-84
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Processing of a single ribonucleotide embedded into DNA by human nucleotide excision repair and DNA polymerase eta2019
Author(s)
Sassa A, Tada H, Takeishi A, Harada K, Suzuki M, Tsuda M, Sasanuma H, Takeda S, Sugasawa K, Yasui M, Honma M, Ura K
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 9
Pages: 13910
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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