グアニン四重鎖によるヌクレオソーム構造制御機構の解明

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K05930
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 大吉 崇文 静岡大学, 理学部, 准教授 (80406529)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: DNA構造 / ヌクレオソーム / テロメア / ヒストン修飾 / DNA結合タンパク質 / グアニン四重鎖

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ゲノム中のDNAが形成するグアニン四重鎖を介したヌクレオソーム構造制御機構の解明を目的としている。これまでに研究代表者は、細胞内のグアニン四重鎖がこの構造に結合するタンパク質を介して、ヌクレオソームを高度に凝集した構造である、ヘテロクロマチン化することを見出している。特に、グアニン四重鎖結合タンパク質であるTLS/FUSによって、ヒストンH3の９番目のリシンとヒストンH4の20番目のリシンのそれぞれのメチル化されることで、ヘテロクロマチン化した。さらに、TLS/FUS中のC末端のアルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域が、グアニン四重鎖に対して結合することを報告している。
一方で、米国のCechらは、TLS/FUSのアルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域は、グアニン四重鎖だけでなく様々な核酸と非特異的に結合することを報告した。そこで、このTLS/FUSのグアニン四重鎖の認識機構を試験管の実験で詳細に解析した。その結果、この領域が緩やかな二次構造であるβ-スパイラル構造を形成していることがわかった。さらに、溶液条件を変えてこのβスパイラル構造を不安定化させると、グアニン四重鎖に対する結合性が低下することがわかった。これらの結果から、TLS/FUS中のこの領域は、β-スパイラル構造に依存してグアニン四重鎖に結合することがわかった。これらの知見をまとめて、論文投稿した。これまでの研究で、アルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域は疾患に関係する多くの核酸結合タンパク質の中に存在しているが、それぞれの核酸結合性や細胞内での機能など、明らかになっていない。今回の結果は、アルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域を含む核酸結合タンパク質の核酸結合性や機能の解明、さらに疾患との関わりを明らかにするのに大いに貢献できると考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに、核酸結合タンパク質であるTLS/FUSが、テロメア領域のヘテロクロマチンの指標となるヒストンH3の９番目のリシンとヒストンH4の20番目のリシンのメチル化を促進することを見出している。しかし近年米国のCechらのグループより、これまでに我々のグループでグアニン四重鎖結合タンパク質として報告していたTLS/FUSに関して、グアニン四重鎖だけでなく一本鎖など、特異性が無くさまざまな核酸に弱く結合することが報告された。そのため、TLS/FUSやこのタンパク質から我々のグループで開発したアルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域を含むグアニン四重鎖DNA結合タンパク質のグアニン四重鎖認識機構を明らかにする必要があったので、研究を行なった。その結果、この領域がタンパク質の二次構造の１つであるβ-スパイラル構造を形成するときのみ特異的にグアニン四重鎖に結合することがわかった。これらの研究は計画していなかったが、本研究の目的であるグアニン四重鎖結合タンパク質によるヌクレオソーム構造の制御機構を解明していく上で極めて重要なことであり、土台となる知見であるため研究を行ない、明らかにした。
このアルギニンーグリシンーグリシンの繰り返し領域は、多くの核酸結合タンパク質内に保存されているが、その核酸結合性は多くが不明のままである。実際、この領域を有するグアニン四重鎖結合タンパク質として、hnRNP A1やhnRNP U、CIRBP、Nucleolin、EWSなどが知られている。さらに、本研究においてはTLS/FUSのファミリータンパク質として知られているTAF15もグアニン四重鎖結合性を有することを見出している。今後、これらのタンパク質中のアルギニンーグリシンーグリシン領域の二次構造と核酸結合性を検証し、さらにヌクレオソーム構造の制御機構との関係を調べていく。

Strategy for Future Research Activity

本研究はこれまでに、アルギニンーグリシンーグリシンくり返し領域を含むグアニン四重鎖DNA結合タンパク質であるTLS/FUSのグアニン四重鎖認識機構について研究を行なった。その結果、この領域がタンパク質の二次構造の１つであるβ-スパイラル構造を形成するときのみ特異的にグアニン四重鎖に結合することがわかった。３年目ではこれまでの知見をもとに、TLS/FUSだけでなく、さまざまなタンパク質中のアルギニンーグリシンーグリシン領域の二次構造と核酸結合性を検証した上で、これらのタンパク質によるヌクレオソーム構造制御機構の解明を行なう。
３年目では、さまざまな核酸結合性タンパク質中のアルギニンーグリシンーグリシン領域の二次構造と核酸結合性を検証する。これまでに我々のグループではアルギニンーグリシンーグリシン領域がβ-スパイラル構造を形成して、グアニン四重鎖に結合することを見出しているが、その一般則を見出せていない。そこで、この領域の一次構造と二次構造、核酸結合性との関係性を明らかにする。また、これらグアニン四重鎖結合タンパク質とヌクレオソーム構造の制御機構との関係を調べていく。特に、ヒストン修飾とグアニン四重鎖構造、さらにスーパーコイルの３要素がどのような関係になっているか解析する。試験管内においてスーパーコイルとグアニン四重鎖形成の関係性は報告されているが、細胞内においては不明な点が多い。そこで、これまでに我々のグループで開発したグアニン四重鎖DNAに結合する人工タンパク質を利用してグアニン四重鎖の検出を行なうことで、細胞内におけるテロメア以外の領域におけるヒストン修飾とグアニン四重鎖構造との関係性、さらにスーパーコイルがこれらの修飾と構造形成にどのように関係しているか調べる。

Research Products

• [Journal Article] Isolation and structure determination of a new cytotoxic peptide, curacozole, from Streptomyces curacoi based on genome mining. (2019)
  • Author(s): Kaweewan, I., Komaki, H., Hemmi, H., Hoshino, K., Hosaka, T., Isokawa, G., Oyoshi, T., and Kodani, S.
  • Journal Title: J Antibiot Volume: 72 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41429-018-0105-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] G-quadruplex Binding Ability of TLS/FUS Depends on the β-Spiral Structure of the RGG Domain. (2018)
  • Author(s): Yagi, R., Miyazaki, T., and Oyoshi, T.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 46 Pages: 5894-5901
  • DOI: 10.1093/nar/gky391
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multiplicity in long noncoding RNA in living cells. (2018)
  • Author(s): Kurokawa, R., Komiya, R., Oyoshi, T., Matsuno, Y., Tani, H., Katahira, M., Hitachi, K., Iwashita, Y., Yamashita, T., Kondo, K., Yoneda, R., Yamaoki, Y., Ueda, N., Mashima, T., Kobayashi, N., Nagata, T., Kiyoishi, A., Miyake, M., Kano, F., Murata, M., Hamad, N., Sasaki, K., and Shoji, N.
  • Journal Title: Biomedical Sciences Volume: 4 Pages: 18-23
  • DOI: 10.11648/j.bs.20180402.11
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Arg-Gly-Gly繰り返し領域によって制御される非ワトソンクリック型核酸の機能 (2018)
  • Author(s): 大吉崇文
  • Organizer: 有用物質合成研究会
  • Invited
• [Presentation] グアニン四重鎖結合タンパク質によるエピジェネティクス制御機構 (2018)
  • Author(s): 大吉崇文
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 非ワトソン・クリック型塩基対が広げる遺伝情報 (2018)
  • Author(s): 大吉崇文
  • Organizer: 日本薬学会東海支部講演会
  • Invited
• [Remarks] 静岡大学理学部大吉研究室
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/oyoshilaboratory/