ヘテロクロマチンの基盤構造の構造生物学的解析

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K18473
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 町田 晋一 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (50732195)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: エピジェネティクス / ヘテロクロマチン / クロマチン / HP1 / ヒストン

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、遺伝子発現制御に重要なヘテロクロマチンの基盤構造を構造生物学的アプローチにより明らかにすることである。生物の設計図であるゲノムDNAはクロマチン構造を形成することで、細胞核内に収納されている。クロマチンの基本単位は、ヒストンH2A、H2B、H3およびH4で構成されるヒストン8量体にDNAが巻きついたヌクレオソームと呼ばれる構造体である。さらに、ヌクレオソームはリンカーDNAを介して数珠状に連結することでクロマチンが形成されている。クロマチンはその高次の構造を変化させることで、遺伝子発現制御などのDNA機能発現を制御する。特に、ヘテロクロマチンと呼ばれる特徴的なクロマチン領域は、高度に凝縮した高次のクロマチン構造を形成しており、遺伝子発現制御や染色体機能調節に機能する。ヘテロクロマチンの基盤構造は９番目のリジンがトリメチル化されたヒストンH3 (H3K9me3)を含むクロマチンにHP1 (HeterochromatinProtein 1)が結合した構造体である。しかし、HP1がH3K9me3を含むクロマチンに結合することで形成される高次のクロマチン構造は明らかになっていない。そこで、本年度は、H3K9me3を含むクロマチンを試験管内にて再構成した。さらに、HP1とH3K9me3を含むクロマチンの複合体を再構成し、その立体構造をクライオ電子顕微鏡により明らかにした。決定した立体構造は、ヘテロクロマチンによる遺伝子発現制御や染色体機能調節に関する重要な知見となることが予想される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目的は、ヘテロクロマチンの基盤構造を構造生物学的アプローチにより明らかにすることである。本年度は、試験管内で再構成したHP1-クロマチン複合体の立体構造をクライオ電子顕微鏡解析により明らかにした。よって、本年度の研究は、当初の計画以上に進展していると評価した。
具体的には、まず、ヘテロクロマチンのエピジェネティックマーカーであるH3K9me3を含むヒストンH3を試験管内で合成することに成功した。さらに、合成したH3K9me3を含むヒストンH3を用いて、クロマチンを塩透析法により再構成した。また、試験管内にて、HP1-クロマチン複合体の再構成に成功し、その立体構造をクライオ電子顕微鏡解析により明らかにした。決定したHP1とH3K9me3を含むクロマチン複合体の立体構造は、高次クロマチン構造による遺伝子発現制御や染色体機能調節の解明に重要な知見となることが予想される。

Strategy for Future Research Activity

細胞核内のヘテロクロマチン領域には、転写が活性化しているユークロマチン領域と比較して、クロマチンの折りたたみに機能するリンカーヒストンH1が多く局在していることが報告されている。また、本年度の研究にて決定したHP1-クロマチン複合体の立体構造から、HP1-クロマチン複合体とH1が相互作用することが示唆された。そこで、次年度は、HP1-クロマチン複合体とH1の相互作用を解析する。さらに、H1-HP1-クロマチン複合体は、HP1-クロマチン複合体と比較して、その折りたたみの度合いが異なることが予想される。そこで、H1-HP1-クロマチン複合体の立体構造をクライオ電子顕微鏡によって明らかにする。さらに決定したH1-HP1-クロマチン複合体の立体構造から、H1によるヘテロクロマチンの高次構造の制御機構を明らかにする。

Research Products

• [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, H., Kato, A., Kobayashi, W., Machida, S., Yasuda, Takeshi, Adachi, N., Saito, N., Ikura, T., Kurumizaka, H., Kimura, H., Yokoi, M., Sakai, W., Sugasawa, K.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 22 Pages: 310-327
  • DOI: 10.1111/gtc.12479
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of polynucleosome preparation methods on sedimentation velocity analysis of chromatin. (2017)
  • Author(s): Kujirai, T., Machida, S., Osakabe, A., Kurumizaka, H.
  • Journal Title: The journal of Biochemistry Volume: 161 Pages: 381-388
  • DOI: 10.1093/jb/mvw081
  • Peer Reviewed
• [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 Reports Volume: 18 Pages: 593-600
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chromatin architecture may dictate the target site for DMC1, but not for RAD51, during homologous pairing. (2016)
  • Author(s): Kobayashi, W., Takaku, M., Machida, S., Tachiwana, H., Maehara, K., Ohkawa, Y., and Kurumizaka, H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 24228
  • DOI: 10.1038/srep24228
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural and biochemical analyses of monoubiquitinated human histones H2B and H4. (2016)
  • Author(s): Machida, S., Sekine, S., Nishiyama, Y., Horikoshi, N., Kurumizaka, H.
  • Journal Title: Open Biology Volume: 6 Pages: 160090
  • DOI: 10.1098/rsob.160090
  • Peer Reviewed / Open Access