2013 Fiscal Year Annual Research Report
ヒストンの化学修飾を介したヌクレオソーム構造変換反応の解明
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24370052
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
堀越 正美 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 准教授 (70242089)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ヒストンシャペロン / ヌクレオソーム / 化学修飾 / 構造変換 / ヌクレオソームアセンブリー / ヌクレオソームディスアセンブリー / ヒストン / ヒストンバリアント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヌクレオソーム構造変換反応機構の解析については、ヒストン (H3-H4)2四量体からH3-H4二量体２個への変換（Nature, 2007）及びヒストン修飾からヌクレオソーム構造変換（PNAS, 2010）に関する知見を得、その成果を踏まえて個々の素反応における特異性がどのように生まれるのかについて解析を進め、多様な外部情報の縮小化の仕組みの解明に努めている。一方で、ヌクレオソーム表面の機能ドメインを明らかにする解析を進めた（Genes Cells, 2012）。また、従来にない新しい方法を導入し、H2A型ヌクレオソーム及びバリアントHtz1型ヌクレオソームの機能性の差異を両複合体中の共通サブユニットの機能解析を進めることによって明らかにした。この解析は、複数の複合体中に存在する共通サブユニットの機能を明らかにするもので、解かれるべき難題として数十年来知られていたが、初めての知見が得られることになった（PNAS, 2014）。４種のヒストンテイル領域が生存に必須でないといった従来の知見が研究の進展を阻んでいたが、１種類のヒストンテイル領域が生存に必須であること、生存を脅かさない欠損株では、H3の化学修飾やヌクレオソーム構造が変わらないこと等の知見を得、新しい研究展開を示すことになった（論文準備中）。これらの知見が非常に新しい内容を含んでいるため、現在、i) 多様化を極めた多細胞生物ヌクレオソーム内の共通ヒストンサブユニットの機能解析、ii)ヒストンテイル領域内の化学修飾ネットワーク構造の頑強性の仕組みを解明するためにヒストン多重点変異体の作製を行い、解析を進め、新たな知見を得ている（論文準備中）。
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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
ヌクレオソーム構造変換反応機構の解析について、ヌクレオソーム表面の機能ドメインを明らかにする解析を進め、H2A型ヌクレオソーム及びバリアントHtz1型ヌクレオソームの機能性の差異を従来にない方法を導入し、知見を得た（PNAS, 2014）。この解析は複数の複合体中に存在する共通サブユニットの機能を明らかにするもので、数十年来の難題として知られていた。これまでに、ヒストンシャペロンCIAがヌクレオソーム構造変換反応において重要な役割を果たすことを示した（Nature, 2007; PNAS, 2010）一方で、反応基盤であるヒストン化学修飾部位の点変異が増殖に変化をもたらさない知見が得られた（Genes Cells, 2007）ので、化学修飾間関係を調べたところ、ヒストン化学修飾が複雑ネットワーク構造を形成していることを突き止め、点変異等に対して細胞増殖能が頑強である知見を説明する“Modification web theory”、化学修飾が行われる天然変性領域の特性である可動性や柔軟性がシグナル情報処理及びネットワーク構造形成の基盤になることを示した“Signal router theory”を提出した（Genes Cells, 2009）。両理論の仕組みを解明しない限り、ヌクレオソーム構造変換反応の基盤を明らかにすることはできないという結論に達したため、ヒストン化学修飾が起こるテイル領域の機能的役割や特性をネットワーク構造の観点から明らかにする解析を押し進めた。その結果、H4テイル領域の欠損は、今迄の結論と違い、細胞機能に必須であることが示され、詳細な解析を進め、テイル領域の欠損が起こってもH3の化学修飾に変動が起こらないことや、ヌクレオソーム構造が変化しないことが分かった。これらの知見により、我々が提出した両理論を支える仕組みの一端が明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在迄の解析を更に押し進め、ヒストン修飾間関係を詳細に明らかにしていくには、テイル欠損といった大きな構造欠損ではなく、修飾間関係を断ち切る最小の構造欠損を見出すために、点変異体や多重点変異体の解析を実行することが必要であろうと考えた。この解析を通して、どのヒストン化学修飾とどのヒストン化学修飾が補完しているのかを明らかにし、頑強性を示す化学修飾間関係の複雑ネットワーク構造を支える具体的なエッジ状態を描くことになる。そのために、ヒストン多重点変異体を用いて、1) 変異体を作製したヒストン以外のヒストンにおける化学修飾能、2) ヌクレオソーム構造変換能、3) マイクロアレイ解析による出芽酵母の全遺伝子の遺伝子発現能、を検討し、修飾ネットワーク構造及びその特性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
ヌクレオソーム構造変換反応機構において、ヌクレオソームに作用するヒストンシャペロン因子側からの解析は、非常に進展することになった（Nature, 2007; PNAS, 2010）。その一方で、ヒストン側の機能的役割については、従来の考え方に基づいた解析により、多くの知見が得られたものの、ヒストン化学修飾の欠損があっても細胞増殖能に変化が見られないといった細胞の頑強性がみられ、従来の考え方によらないヒストンの機能解析が必要となった。その解析を進めて行く過程で、ヒストンテイル領域の欠損株の解析だけでは、どの化学修飾とどの化学修飾とが直接連関していくことを明らかにしていく上では不十分であり、点変異体及び多重点変異体の解析が必要不可欠となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本計画では、複雑ネットワーク構造内の化学修飾関係を解析するため、様々なヒストン化学修飾部位に対する点変異体や多重点変異体が必要不可欠であり、それらを作製し、機能解析を進める。これからの複雑ネットワーク構造解析の基盤となる点変異体や多重点変異体の増殖能、薬剤感受性に関する知見を得た後に、i) それらの変異体における様々なヒストン化学修飾部位での化学修飾能の検定、ii) ヌクレオソーム構造変換が起こっているか否かの検定、そしてiii) マイクロアレイ解析による出芽酵母全遺伝子の遺伝子発現能がどのように変動しているか否かの検定を行い、化学修飾に関する複雑ネットワーク構造の頑強性を支える具体的な仕組みを解析していくことを計画している。
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Research Products
(3 results)
