ＤＮＡ修復におけるクロマチンと細胞核の機能：アクチンファミリーによる解析と展開

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24380183
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 原田 昌彦 東北大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (70218642)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 邦史 東京大学, 総合文化研究科, 教授 (90211789)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: クロマチン / アクチンファミリ－ / 細胞核 / ゲノム安定性維持

Outline of Annual Research Achievements

DNA損傷は、ゲノム情報欠失を引き起こし、またヒトではがんなどの疾病の原因ともなる。DNA損傷修復の進行は、クロマチンや細胞核構造を基盤としたエピジェネティック制御の体操である。しかし、その機能の理解は遅れている。我々は、細胞核内のアクチンファミリー（アクチンおよびアクチン関連タンパク質(ARP)）が、DNA損傷修復を介したゲノム安定性の維持や、転写などのゲノム機能の制御において重要な役割を果たすことをこれまでに示してきた。当該年度はまず、DNA損傷に必要なクロマチン・細胞核機能構造形成へのアクチン・Arpの関与について解析を行った。その結果、INO80やSWR1などのクロマチンリモデリングに含まれるArpが、損傷DNAの核内空間配置の決定に寄与していることを明らかにし、報告した。また、細胞核内に人為的にアクチン繊維を形成する系を用いて、細胞核内のアクチン繊維が、ゲノム安定性維持や転写などのゲノム機能制御に与える影響について解析を行った。ゲノム安定性維持への関与については、DNA損傷薬剤への感受性を検討した。また転写への影響については、マイクロアレイ転写解析も用いた。その結果、細胞核内のアクチン繊維が、ゲノム安定性維持や転写制御において、重要な役割を果たすことを示した。さらに、アクチンおよびアクチン関連タンパク質に結合するペプチドとして、二重環状構造を有するペプチド(bicyclic peptide)のファージライブラリーをスクリーニングすることにより、これらのアクチンファミリーに結合する候補分子を得た。これらの解析と共に、さらにスクリーニングを進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ゲノム安定性維持におけるアクチン・アクチン関連タンパク質の重要な機能の一つとして、損傷DNAの核内空間配置の決定に関わることを明らかにすることができた。また、これらのアクチンファミリーに結合するbicyclic peptideについて、複数の候補を取得することに成功した。

Strategy for Future Research Activity

ヒト細胞や出芽酵母を用いて、核内アクチンファミリーによる損傷DNA空間配置決定機構の詳細の解明を目指す。さらに、スクリーニングによって得られたアクチンファミリー結合性bicycic peptideを細胞に作用させて、ゲノム安定性、クロマチン構造、細胞核構造の変化などについて解析を行う。

Causes of Carryover

アクチンファミリーであるArpに結合するペプチドの検索を行ったところ、二重環状構造を有するbicyclic peptideがArpに高親和性結合を示すことが明らかとなった。そのため、当初は予定していなかったbicyclic peptideのスクリーニングを先行して実施することにしたため、細胞にArp結合化合物・ペプチドを作用させる解析を、時期を遅らせて実施することとした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

スクリーニングしたArp結合性bicyclic peptideや化合物を、出芽酵母やヒト培養細胞などに作用させ、ゲノムの安定性、クロマチン構造、細胞核構造などを解析するための消耗品として、背全額を使用する。

Research Products

• [Journal Article] アクチンファミリーによる細胞核・クロマチンの機能構造形成 (2015)
  • Author(s): 山崎祥他、尾間由佳子、原田昌彦
  • Journal Title: ナノ学会会報 Volume: 13 Pages: 73-77
• [Journal Article] Nuclear actin activates human transcription factor genes including the OCT4 gene. (2015)
  • Author(s): Yamazaki, S., Yamamoto, K., Tokunaga, M., Sakata-Sogawa, K., and Harata, M.
  • Journal Title: Biosci. Biotechnol. Biochem. Volume: 2015 Pages: 242-246
  • DOI: 10.1080/09168451.2014.972332
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DNA binding properties of the actin-related protein Arp8 and its role in DNA repair. (2014)
  • Author(s): Osakabe, A., Takahashi, Y., Murakami, H., Otawa, K., Tachiwana, H., Oma, Y., Hitoshi Nishijima, H., Shibahara, K., Kurumizaka, H., Harata, M.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 9 Pages: －
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0108354
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SWR1 and INO80 chromatin remodelers contribute to DNA double-strand break perinuclear anchorage site choice. (2014)
  • Author(s): Horigome, C., Oma, Y., Konishi, T., Schmid, R., Marcomini, I., Hauer, M.H., Dion, V., Harata, M., and Gasser, S.M.
  • Journal Title: Mol Cell Volume: 55 Pages: 626-639
  • DOI: 0.1016/j.molcel.2014.06.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear actin filaments recruit cofilin and actin-related protein 3, and their formation is connected with a mitotic block. (2014)
  • Author(s): Kalendova, A., Kalasova, I., Yamazaki, S., Ulicna, L., Harata, M., and Hozak, P.
  • Journal Title: Histochem Cell Biol Volume: 142 Pages: 139-152
  • DOI: 10.1007/s00418-014-1243-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Possible involvement of LKB1-AMPK signaling in non-homologous end joining. (2014)
  • Author(s): Ui, A., Ogiwara, H., Nakajima, S., Kanno, S., Watanabe, R., Harata, M., Okayama, H., Harris, C.C., Yokota, J., Yasui, A., and Kohno, T.
  • Journal Title: Oncogene Volume: 33 Pages: 1640-1648
  • DOI: 10.1038/onc.2013.125
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reorganization of damaged chromatin by the exchange of histone variant H2A.Z-2 (2014)
  • Author(s): Nishibuchi, I., Suzuki, H., Kinomura, A., Sun, J., Liu, N.A., Horikoshi, Y., Shima, H., Kusakabe, M., Harata, M., Fukagawa, T., and Tashiro, K.
  • Journal Title: Int J Radiat Oncol Biol Phys Volume: 89 Pages: 736-744
  • DOI: 10.1016/j.ijrobp.2014.03.031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of the transformation efficiency of Sacchaaromyces cerevisiae by altering carbon sources in pre-culture (2014)
  • Author(s): Konishi, T., and Harata, M.
  • Journal Title: Biosci Biotechnol Biochem Volume: 78 Pages: 1090-1093
  • DOI: 10.1080/09168451.2014.915730
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Actin family proteins involved in the functional organization of chromatin and the nucleus (2015)
  • Author(s): Oma, Y., Takahashi, Y., Murakami, H., Horigome, C., Gasser, S.M., Osakabe, A., Kurumizaka, H., Harata, M.
  • Organizer: Understanding the genome III - G60 Symposium
  • Place of Presentation: Chexbres, Switzerland
  • Year and Date: 2015-03-20
• [Presentation] Role of actin family proteins in the functional organization of chromatin and the nucleus. (2014)
  • Author(s): Yamazaki, S., Yamamoto, K., Oma, Y., Hozak, P., Gasser, S. and Harata, M.
  • Organizer: The 4D Nucleome 2014
  • Place of Presentation: Aki Ground Hotel, Hiroshima, Japan
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Involvement of nuclear filamentous-actin in the regulation of transcription. (2014)
  • Author(s): Yamazaki, S., Yamamoto, K., Sakata-Sogawa, K., Tokunaga, M. and Harata, M.
  • Organizer: The 4D Nucleome 2014
  • Place of Presentation: Aki Ground Hotel, Hiroshima, Japan
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Behavior of nuclear actin in cell differentiation. (2014)
  • Author(s): Yamamoto, K., Yamazaki, S., Sakata-Sogawa, K., Tokunaga, M. and Harata, M.
  • Organizer: The 4D Nucleome 2014
  • Place of Presentation: Aki Ground Hotel, Hiroshima, Japan
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Roles of nuclear filamentous-actin in transcriptional regulation. (2014)
  • Author(s): Yamazaki, S., Yamamoto, K., Sakata-Sogawa, K., Tokunaga, M. and Harata M.
  • Organizer: The 2014 ASCB/IFCB Meeting
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 2014-12-07
• [Presentation] Nucleocytoplasmic relocation of actin in cell differentiation. (2014)
  • Author(s): Yamamoto, K., Yamazaki, S., Sakata-Sogawa, K., Tokunaga, M. and Harata, M.
  • Organizer: The 2014 ASCB/IFCB Meeting
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 2014-12-07
• [Presentation] Nuclear actin and ARPs involved in the functional organization of chromatin (2014)
  • Author(s): Harata, M.
  • Organizer: The 2014 ASCB/IFCB Meeting
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 2014-12-06
  • Invited
• [Presentation] Roles of actin family proteins in chromatin and nuclear organizaion for DNA repair. (2014)
  • Author(s): Oma, Y., Takahashi, Y., Murakami, H., Horigome, C., Gasser, S., Osakabe, A., Kurumizaka, H. and Harata, M.
  • Organizer: The 9th 3R symposium
  • Place of Presentation: Tokinosumika, Gotemba, Shizuoka
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] ヒストンバリアントH2A.ZとINO80クロマチンリモデリング複合体によるクロマチン機能制御 (2014)
  • Author(s): 原田昌彦
  • Organizer: 平成26年度遺伝研研究会「クロマチンにおけるゲノムDNAの機能発現メカニズム」
  • Place of Presentation: 国立遺伝学研究所、三島
  • Year and Date: 2014-10-30
  • Invited
• [Presentation] アクチンファミリーによる細胞核とクロマチンの機能構造制御 (2014)
  • Author(s): 原田昌彦
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会シンポジウム「核構造タンパク質によるクロマチン時空間制御の理解とマニピュレーション」
  • Place of Presentation: 京都国際会議場、京都
  • Year and Date: 2014-10-18
  • Invited
• [Presentation] アクチンファミリーによる細胞核・クロマチンの機能構造形成 (2014)
  • Author(s): 原田昌彦
  • Organizer: 分子科学研究所研究会「細胞核内反応の分子科学」
  • Place of Presentation: 分子科学研究所、岡崎
  • Year and Date: 2014-09-27
  • Invited
• [Presentation] Analysis of function of H2A.Z isoforms by using gene knockout cells. (2014)
  • Author(s): Kusakabe, M., Matsuda, R., Oku, H., Hori, T., Fukagawa, T., Horikoshi, N., Kurumizaka, H. and Harata., M.
  • Organizer: The EMBO workshop on Histone Variants in 2014
  • Place of Presentation: Strasbourg, France
  • Year and Date: 2014-06-02