2017 Fiscal Year Annual Research Report
Controlling mechanisms of epigenome by silencing and anti-silencing
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26221105
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| Research Institution | National Institute of Genetics |
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Principal Investigator |
角谷 徹仁 国立遺伝学研究所, 総合遺伝研究系, 教授 (20332174)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | エピゲノム / トランスポゾン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「ヘテロクロマチン制御様式と個体発生への影響の理解」ヒストンH3の第９リジンのメチル化（H3K9me）は多くの真核生物で抑制クロマチンの目印として働き、トランスポゾンなどの反復配列を抑制することが知られている。不思議なことにH3K9meは、プロモーターだけでなく、転写が抑制された配列の内部にも分布する。シロイヌナズナの変異体ibm1 (increase in BONSAI methylation 1)では、遺伝子内部にH3K9meが蓄積するとともに、発生異常が誘発される。この発生異常をサプレスする変異体を調べることで、遺伝子内部のクロマチン動態の意義にアプローチした。まず、このサプレッサー変異の原因遺伝子は、ヒストンH3リジン４の脱メチル化酵素をコードするLDL2だった。この変異体およびH3K9メチル化酵素の変異体を用いた遺伝解析とエピゲノム解析によって、遺伝子内部のH3K9meは、遺伝子内部のH3K4me1（モノメチル化）の脱メチル化を介してトランスポゾンの転写抑制を行っていることを見出した（Inagaki et al 2017 EMBO J）。
（ii）「新奇DNA脱メチル化の分子機構理解」
トランスポゾンVANDAL21のコードするタンパク質の一つVANC21は、VANDAL21コピーに特異的なDNAメチル化喪失と転写脱抑制を引き起こす（Fu et al 2013 EMBO J）。この機構の理解を目指している。これまでに、ChIP-seq（クロマチン免疫沈降に続く塩基配列決定）によって、このタンパク質のゲノム中での分布を調べ、その標的配列を見出した（Hosaka et al 2017 Nat Commun）。また、この標的配列の特殊な進化様式を示した。さらに、VANCと相互作用する宿主タンパク質をいくつか同定した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
以下の両課題で、オリジナリティーが高く、かつ波及効果の大きい結果が得られている。
（i）「ヘテロクロマチン制御様式と個体発生への影響の理解」遺伝子内部に抑制クロマチンが蓄積するシロイヌナズナの変異体ibm1 では様々な発生異常が誘発される（Saze et al 2008 Science）。この発生異常をサプレスする変異体を用いたアプローチで、遺伝子内のH3K4me1の重要性を示した（Inagaki et al 2017 EMBO J）。H3K4me1はこれまでエンハンサーの目印とみなされ、エピジェネティクスとしての研究は限られていた。現在進めている研究と合わせ、今後、エピジェネティクス分野の新しい流れの源の一つにできると考える。
（ii）「新奇DNA脱メチル化の分子機構理解」配列特異的な抗抑制活性を持つVANCタンパク質（Tsukahara et al 2009 Nature; Fu et al 2013 EMBO J）を調べた結果、この抗抑制因子がごく短い標的配列を認識すること、また、in vitroでもその配列のDNAに結合すること、標的配列がタンデムリピートを形成しながら速い進化をすることが明らかになった（Hosaka et al 2017）。短い配列とVANCタンパク質の組み合わせで、強い抗抑制作用を持たせうることから、エピゲノム操作の道具としても有用と考えられる（特許出願中）。配列特異的な遺伝子機能阻害法としてはRNAiが知られているが、配列特異的な抗抑制現象はこれまで知られておらず、基礎科学としても、応用技術としても大きな影響を持ちうると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
「ヘテロクロマチン制御様式と個体発生への影響の理解」いくつかの変異体を用いた遺伝解析とエピゲノム解析によって、遺伝子内部のH3K9meは、遺伝子内部のH3K4me1（モノメチル化）の脱メチル化を介してトランスポゾンの転写抑制を行っていることを見出した（Inagaki et al 2017 EMBO J）。また、この発生異常誘発の鍵となっている遺伝子を見出し、これが病原体応答を仲介する経路であることを見出した（論文未発表）。この経路の解明を目指す。また、類似の経路で働く遺伝子の中に異なる標的特異性を持つものがあるので、これらの変異体のエピゲノム解析と遺伝学的解析によってその生物学意義を明らかにする。
（ii）「新奇DNA脱メチル化の分子機構理解」
トランスポゾンVANDAL21のコードするタンパク質の一つVANC21は、VANDAL21コピーに特異的なDNAメチル化喪失と転写脱抑制を引き起こす（Fu et al 2013 EMBO J）。この機構の理解を目指している。これまでに、ChIP-seq（クロマチン免疫沈降に続く塩基配列決定）によって、このタンパク質のゲノム中での分布を調べ、その標的配列を見出した（Hosaka et al 2017 Nat Commun）。また、この標的配列の特殊な進化様式を示した。さらに、VANCと相互作用する宿主タンパク質をいくつか同定した。今年度はその機能解析を進める。また、VANCによる抗抑制に関与する宿主因子を知るための変異体選抜を始めているのでこれを進める。
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[Journal Article] Gene-body Chromatin Modefication Dynamics Mediate Epigeneome Differentiation in Arabidopsis2017
Author(s)
Inagaki, S., Takahashi, M., Hosaka, A., Ito, T., Toyoda, A., Fujiyama, A., Tarutani, Y., and Kakutani, T.
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Journal Title
EMBO J.
Volume: 36
Pages: 970～980
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Evolution of sequence-specific anti-silencing systems in Arabidopsis2017
Author(s)
Hosaka, A., Saito, R., Takashima, K., Sasaki, T., Fu, Y., Kawabe, K., Ito, T., Toyoda, A., Fujiyama, A.,Tarutani, Y., and Kakutani, T.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 8
Pages: 2161
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] The histone H3 variant H3.3 regulates gene body DNA methylation in Arabidopsis thaliana2017
Author(s)
Wollmann H, Stroud H, Yelagandula R, Tarutani Y, Jiang D, Jing L, Jamge B, Takeuchi H, Holec S, Nie X, Kakutani T, Jacobsen SE, Berger F.
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Journal Title
Genome Biology
Volume: 18
Pages: 94
DOI
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