メチル化DNAを含むヌクレオソームの構造生物学的解析

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26840025
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 越阪部 晃永 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院助教) (70632107)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: クロマチン / DNAメチル化 / ヒストン / ヌクレオソーム / ヘテロクロマチン / エピジェネティクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、重要なエピジェネティックマークの一つであるDNAのメチル化がヌクレオソーム構造へ与える影響を、生化学および構造生物学的手法によって明らかにすることである。真核生物において、CpGダイヌクレオチドのシトシン塩基のメチル化が、発生や分化などにおける遺伝子の発現を制御する。さらに、がん細胞において、DNAのメチル化の異常によってヘテロクロマチン構造が不安定になることが示された。従って、DNAのメチル化がゲノムの恒常性維持に極めて重要であることが考えられるが、DNAのメチル化がクロマチン構造へ与える影響は不明であった。そこで本研究では、肝臓がん細胞での低メチル化が報告されているサテライト2配列に着目し、DNAのメチル化がクロマチンの基盤構造であるヌクレオソームの構造や安定性へ与える影響を、試験管内再構成ヌクレオソームを用いた生化学的および構造生物学的手法によって解析した。まず、サテライト2配列を含む再構成ヌクレオソームのポジションを、次世代シーケンサーを用いて網羅的に解析した。その結果、ヌクレオソームのポジションがDNAのメチル化によって変化することが明らかになった。次に、マイクロコッカルヌクレアーゼを用いて、溶液中におけるヌクレオソームの末端DNAの運動性を生化学的に解析した。その結果、非メチル化状態では各ポジションにおけるヌクレオソームの末端DNAの運動性が異なった一方、メチル化によって各ポジションにおける違いが解消されることが明らかになった。また、メチル化DNAを含むヌクレオソームのX線結晶構造解析を行った結果、DNAのメチル化はヌクレオソーム構造へ大きな影響を与えないことが明らかになった。以上より、DNAのメチル化はヌクレオソームのポジションの違いによる末端DNAの運動性を解消することで、安定かつ均一なヘテロクロマチンの形成に重要であることが示唆された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Institutes of Health(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: National Institutes of Health
• [Int'l Joint Research] Friedrich Miescher Institute(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Friedrich Miescher Institute
• [Journal Article] Histone H3.5 forms an unstable nucleosome and accumulates around transcription start sites in human testis. (2016)
  • Author(s): Urahama T, Harada A, Maehara K, Horikoshi N, Sato K, Sato Y, Shiraishi K, Sugino N, Osakabe A, Tachiwana H, Kagawa W, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Epigenetics & Chromatin Volume: 9 Pages: 2
  • DOI: 10.1186/s13072-016-0051-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crystal structure of the nucleosome containing ultraviolet light-induced cyclobutane pyrimidine dimer. (2016)
  • Author(s): Horikoshi N, Tachiwana H, Kagawa W, Osakabe A, Matsumoto S, Iwai S, Sugasawa K, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 471 Pages: 117-122
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.01.170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] C-terminal acidic domain of histone chaperone human NAP1 is an efficient binding assistant for histone H2A-H2B, but not H3-H4. (2016)
  • Author(s): Ohtomo H, Akashi S, Moriwaki Y, Okuwaki M, Osakabe A, Nagata K, Kurumizaka H, Nishimura Y.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 21 Pages: 252-263
  • DOI: 10.1111/gtc.12339
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure and function of human histone H3.Y nucleosome. (2016)
  • Author(s): Kujirai T, Horikoshi N, Sato K, Maehara K, Machida S, Osakabe A, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1093/nar/gkw202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stable complex formation of CENP-B with the CENP-A nucleosome. (2015)
  • Author(s): Fujita R, Otake K, Arimura Y, Horikoshi N, Miya Y, Shiga T, Osakabe A, Tachiwana H, Ohzeki J, Larionov V, Masumoto H, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 43 Pages: 4909-4922
  • DOI: 10.1093/nar/gkv405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic changes in CCAN organization through CENP-C during cell-cycle progression. (2015)
  • Author(s): Nagpal H, Hori T, Furukawa A, Sugase K, Osakabe A, Kurumizaka H, Fukagawa T.
  • Journal Title: Molecular Biology of the Cell Volume: 26 Pages: 3768-3776
  • DOI: 10.1091/mbc.E15-07-0531
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of DNA methylation on positioning and DNA flexibility of nucleosomes with pericentric satellite DNA. (2015)
  • Author(s): Osakabe A, Adachi F, Arimura Y, Maehara K, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Open Biology Volume: 5 Pages: 150128
  • DOI: 10.1098/rsob.150128
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural basis of pyrimidine-pyrimidone (6-4) photoproduct recognition by UV-DDB in the nucleosome. (2015)
  • Author(s): Osakabe A, Tachiwana H, Kagawa W, Horikoshi N, Matsumoto S, Hasegawa M, Matsumoto N, Toga T, Yamamoto J, Hanaoka F, Thomä NH, Sugasawa K, Iwai S, Kurumizaka H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 16330
  • DOI: 10.1038/srep16330
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] クロマチンにおける紫外線損傷DNA認識機構の解析 (2016)
  • Author(s): 越阪部晃永、立和名博昭、堀越直樹、香川亘、松本翔太、山元淳平、花岡文雄、菅澤薫、岩井成憲、胡桃坂仁志
  • Organizer: 第33回染色体ワークショップ・第14回核ダイナミクス研究会
  • Place of Presentation: 松島
  • Year and Date: 2016-01-12 – 2016-01-14
• [Presentation] Structural and biochemical analyses for accommodation and recognition of UV-damaged bases within nucleosome (2015)
  • Author(s): Akihisa Osakabe, Hiroaki Tachiwana, Wataru Kagawa, Naoki Horikoshi, Syota Matsumoto, Junpei Yamamoto, Fumio Hanaoka, Kaoru Sugasawa, Shigenori Iwai, Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: International Symposium on Chromatin Structure, Dynamics, and Function
  • Place of Presentation: 淡路島
  • Year and Date: 2015-08-23 – 2015-08-26
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究代表者が所属する研究室のホームページ
  • URL: http://www.eb.waseda.ac.jp/kurumizaka/