2019 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanisms of condensins I and II
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18H05276
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
平野 達也 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50212171)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立川 正志 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 准教授 (30556882)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 細胞生物学 / 生化学 / 数理生物学 / 染色体 / 細胞分裂 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析：染色体軸の形成メカニズムを理解する目的で、様々な変異型コンデンシンI複合体を調整し、カエル卵抽出液を用いた機能アッセイに供してきた。2019年度は、制御サブユニットのintrinsically disoordered domains (IDRs) の役割に着目した解析を進めた結果、Hサブユニットのアミノ末端IDRがコンデンシンIの染色体結合に対して抑制的に働いていることがわかった。さらに、コンデンシンIIのホロ複合体およびHEATサブユニットを欠いた変異型複合体の発現と精製法を確立し、同じ機能アッセイに供したところ、コンデンシンII ではG2サブユニットそのものがその染色体結合に対して抑制的な役割を果たしているという予想外の結果を得た。
（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：2019年度は、精製コンデンシンIを蛍光標識することのできる発現系を確立し、一分子解析技術を用いてそのモーター活性とループ押し出し活性を測定した。さらに、Hサブユニットの点変異やGサブユニットの欠失変異がそれぞれの活性に与える影響の解析を開始した。
（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション： 2019年度は、コンデンシンの時空間的挙動や役割を考慮した数理モデリングとシミュレーションを進めるにあたり、凝縮過程でのクロマチンループ形成に必要なエネルギー変化量の見積を行った。クロマチン繊維を格子ポリマーとしてモデル化し、転送行列法を用いて自由エネルギーを計算した。この計算と実際の染色体形成時の物理環境との比較から、クロマチンループ形成を熱ゆらぎのみで駆動することは困難で、コンデンシンのモーター活性が必要であると結論付けた。2020年度は、クロマチン繊維の物理シミュレーションモデルにねじれ弾性エネルギーを組み込み、クロマチンループがある条件でその形態への影響を評価した。
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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
（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析: 組換え型コンデンシンIIの発現・精製法を確立した結果、多様な変異型複合体の機能を検定することが可能となった。
（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：共同研究により、一分子解析技術を用いてコンデンシンIのモーター活性とループ押し出し活性を測定することが可能となった。カエル卵抽出液を利用した機能解析と併せて、二つのコンデンシンの分子メカニズムの解明に向かって大きく前進した。
（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション：コンデンシン数理モデルの定量性を評価する計算手法が確立され、染色体形成の再現シミュレーションへ向けて準備が整った。また、コンデンシンがクロマチン繊維に導入するねじれとスーパーコイル構造の力学的理解が進んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析: コンデンシンIとIIの変異型複合体の機能解析をさらに進める。また、トポイソメラーゼIIを免疫除去した条件下において同様の解析を進めることにより、コンデンシンIとII、トポイソメラーゼIIの３者間の機能的クロストークについて理解を深める。
（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：コンデンシンIの一分子解析を進めるとともに、同様の解析をコンデンシンIIにも適用する準備を開始する。また、リン酸化の役割や各サブユニット（あるいはドメイン）の貢献について検討する。
（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション：コンデンシンの分子活性を力学モデルとしてモデル化し、染色体への力学作用として表現するシミュレーションを行う。実験的に特定されているDNA上でのコンデンシンIのモーター活性およびスーパーコイル活性とシミュレーションとの定量的な比較を通してそのモデルの検証を行う。
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