Analysis of DNA damage recognition mechanisms on chromatin by cryo-electron microscopy

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22621
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松本 翔太 東京大学, 定量生命科学研究所, 助教 (10880643)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: ヌクレオチド除去修復 / NER / ヌクレオソーム / クライオ電子顕微鏡 / Cryo-EM / XPC / DNA修復 / 紫外線

Outline of Annual Research Achievements

ほ乳類のヌクレオチド除去修復（NER）は紫外線などによって生じたDNA損傷を取り除く、重要なDNA修復機構の一つである。NERの開始には、まずXPC複合体が損傷を認識することが必須であると考えられており、その後、NER因子と呼ばれる種々のタンパク質群がリクルートされ、これらの働きにより損傷が切り出される。この詳細な反応機序については古くから研究が行われてきており、主に損傷を化学合成したDNA断片を基質とした無細胞試験管内NER再構成系により、明らかにされてきた。一方、生物のDNAはヒストンタンパク質に高度に折り畳まれたクロマチン構造を構成することがわかっており、タンパク質がDNAへアクセスする際に空間的な制限を受けることが示されている。そのため、細胞内で起こるNERの全容を明らかにするためには、クロマチン構造上の損傷に対するNER機構を理解する必要がある。
そこで研究代表者はクロマチン構造の最小単位であるヌクレオソームを試験管内で再構成することで、ヌクレオソーム上の損傷に対するXPC複合体の機能を明らかにすることを目指した。まずDNAに損傷をミミックした構造体であるバブル構造を作製し、これをヌクレオソームの任意の位置にデザインする系を確立した。この損傷ヌクレオソームを用いた実験により、XPC複合体は裸のDNAと比較して、ヌクレオソーム上の損傷に対しては損傷位置特異的な結合活性を持つことが示された。特にヌクレオソーム上の損傷については損傷結合能が裸のDNAと比較して減弱しているのに対して、ヌクレオソームが二つ連なったヌクレオソーム二量体においては、二つのヌクレオソームを繋ぐリンカー領域上の損傷には効率的に結合する性質を持つことがわかった。本研究結果より、クロマチン構造の変化がNERによる損傷修復の効率化に寄与する可能性が考えられ、今後さらなる詳細な認識機構の解明が期待される。