Molecular mechanisms underlying heterochromatin assembly

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 18H05532
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 中山 潤一 基礎生物学研究所, クロマチン制御研究部門, 教授 (60373338)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小布施 力史 大阪大学, 理学研究科, 教授 (00273855)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥142,090,000 (Direct Cost: ¥109,300,000、Indirect Cost: ¥32,790,000); Fiscal Year 2022: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2021: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2020: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2019: ¥27,820,000 (Direct Cost: ¥21,400,000、Indirect Cost: ¥6,420,000); Fiscal Year 2018: ¥30,810,000 (Direct Cost: ¥23,700,000、Indirect Cost: ¥7,110,000)
• Keywords: ヘテロクロマチン / HP1 / ヒストン修飾 / 転写制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヘテロクロマチン構造形成の分子機構の解明を目指し、以下の２つの研究課題を中心に研究を実施した。

【１】HP1によるヘテロクロマチン制御（中山）：ヘテロクロマチン形成におけるHP1アイソフォームの機能分担を明らかにするため、分裂酵母のSwi6とChp2に着目して解析を進めた。Chp2はSwi6に比べて強固にクロマチンに結合し、これがChp2特異的な機能に関与していることが示唆されている。Chp2のクロマチン結合の詳細を明らかにするため、EMSAによってChp2の持つDNA/RNA結合能を調べたところ、Chp2がCSD領域を介してDNA/RNAに結合することが明らかになった。また、アフィニティー精製によって同定した新規のChp2相互作用因子について、その結合をIP-western法と酵母ツーハイブリッド法で検証した。

【２】増殖・分化のスイッチング過程におけるクロマチンの構造変換（中山・小布施）：分裂酵母の胞子形成に関して、本年度は胞子を用いたChIP法の改良と検討を行った。栄養増殖中の細胞と胞子で活性クロマチンの指標であるH3K4me2と不活性化クロマチンの指標であるH3K9me2の変化を調べたところ、それぞれの動態に違いがあることが明らかになった。ES細胞に関しては、これまでに、不活性化X染色体に局在する機能未知のHP1結合因子を同定し、HBiX2と名付けた。HBiX2を細胞から除去すると、不活性X染色体上のH3K27me3が減退し、H3K9me3が亢進することを間接蛍光抗体法で見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究項目1では、分裂酵母のHP1アイソフォームの機能分担の解明を目指し、Chp2特徴的な結合因子の同定、またDNA/RNA結合能を見出すことができたため。また研究項目2では、胞子を用いたChIP法を確立し、活性型／不活性型ヒストンメチル化修飾の動態変化を見出すことができたため。ES細胞の分化系では、新たに見出したHBiX2がX染色体上のH3K27me3とH3K9me3の制御に関わっていることを発見したため。

Strategy for Future Research Activity

研究項目1では、引き続きChp2の相互作用因子の解析を進めるとともに、Chp2の持つDNA/RNA結合能とChp2の機能との関連を解析する。研究項目２の分裂酵母の胞子形成に関しては、先行する研究によって見出した胞子特異的なクロマチン因子の動態変化、またそれらをコードする遺伝子の変異による胞子クロマチンへの影響を解析する。また、胞子クロマチンのヒストン修飾の動態を明らかにするため、ChIP-seq法を用いた解析を継続して行う。ES細胞に関しては、HBiXの除去によるヒストン修飾の変動をChIP-seq法を用いてより詳細に明らかにする。また、このヒストン修飾の変動に対する、HBiX2に結合するヒストン脱アセチル化酵素の役割を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Aberdeen(英国)
• [Int'l Joint Research] Leiden University Medical Center(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Karolinska Institutet(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Aberdeen(英国)
• [Journal Article] Proteomics-Based Systematic Identification of Nuclear Proteins Anchored to Chromatin via RNA (2020)
  • Author(s): Kyoko Hiragami-Hamada, Naoki Tani, Jun-Ichi Nakayama
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2161 Pages: 89-99
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-0680-3_8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for histone variant H3tK27me3 recognition by PHF1 and PHF19 (2020)
  • Author(s): Cheng Dong, Reiko Nakagawa, Kyohei Oyama, Yusuke Yamamoto, Weilian Zhang, Aiping Dong, Yanjun Li, Yuriko Yoshimura, Hiroyuki Kamiya, Jun-Ichi Nakayama, Jun Ueda, Jinrong Min
  • Journal Title: Elife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.58675
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Homozygous nonsense variant in LRIF1 associated with facioscapulohumeral muscular dystrophy (2020)
  • Author(s): Hamanaka Kohei、Sikrova Darina、Mitsuhashi Satomi、Masuda Hiroki、Sekiguchi Yukari、Sugiyama Atsuhiko、Shibuya Kazumoto、Lemmers Richard J.L.F.、Goossens Remko、Ogawa Megumu、Nagao Koji、Obuse Chikashi、Noguchi Satoru、Hayashi Yukiko K.、Kuwabara Satoshi、Balog Judit、Nishino Ichizo、van der Maarel Silvere M.
  • Journal Title: Neurology Volume: 94
  • DOI: 10.1212/wnl.0000000000009617
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rare variant of the epigenetic regulator SMCHD1 in a patient with pituitary hormone deficiency. (2020)
  • Author(s): Kinjo K, Nagasaki K, Muroya K, Suzuki E, Ishiwata K, Nakabayashi K, Hattori A, Nagao K, Nozawa R-S, Obuse C, Miyado K, Ogata T, Fukami M and Miyado M.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 10 Pages: 10985-10985
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67715-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of an adaptor protein STING by Hsp90β to enhance innate immune responses against microbial infections (2020)
  • Author(s): Seiichi Sato, Kai Li, Nozomi Sakurai, Mei Hashizume, Sunanda Baidya, Hirotaka Nonaka, Koki Noguchi, Kozo Ishikawa, Chikashi Obuse, Akinori Takaoka
  • Journal Title: Cellular Immunology Volume: 356 Pages: 104188-104188
  • DOI: 10.1016/j.cellimm.2020.104188
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mapping replication timing domains genome wide in single mammalian cells with single-cell DNA replication sequencing (2020)
  • Author(s): Miura Hisashi、Takahashi Saori、Shibata Takahiro、Nagao Koji、Obuse Chikashi、Okumura Katsuzumi、Ogata Masato、Hiratani Ichiro、Takebayashi Shin-ichiro
  • Journal Title: Nat Protoc. Volume: 15 Pages: 4058-4100
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0378-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Subacute cutaneous lupus erythematosus with melanocyte elimination induced by pembrolizumab. (2020)
  • Author(s): Ogawa-Momohara M, Muro Y, Goto K, Obuse C, Satoh M, Kono M, Akiyama M.
  • Journal Title: J Dermatol Volume: 47
  • DOI: 10.1111/1346-8138.15316
  • NAID: 120006884960
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromosome-associated RNA ;protein complexes promote pairing of homologous chromosomes during meiosis in Schizosaccharomyces pombe. (2019)
  • Author(s): Ding DQ, Okamasa K, Katou Y, Oya E, Nakayama J, Chikashige Y, Shirahige K, Haraguchi T, Hiraoka Y.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 5598-5598
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13609-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] H3K14 ubiquitylation promotes H3K9 methylation for heterochromatin assembly (2019)
  • Author(s): Oya Eriko、Nakagawa Reiko、Yoshimura Yuriko、Tanaka Mayo、Nishibuchi Gohei、Machida Shinichi、Shirai Atsuko、Ekwall Karl、Kurumizaka Hitoshi、Tagami Hideaki、Nakayama Jun‐ichi
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 20
  • DOI: 10.15252/embr.201948111
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KDM2A-dependent reduction of rRNA transcription on glucose starvation requires HP1 in cells, including triple-negative breast cancer cells (2019)
  • Author(s): Okamoto Kengo、Tanaka Yuji、Ogasawara Sachiko、Obuse Chikashi、Nakayama Jun-ichi、Yano Hirohisa、Tsuneoka Makoto
  • Journal Title: Oncotarget Volume: 10 Pages: 4743-4760
  • DOI: 10.18632/oncotarget.27092
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Leo1 is essential for the dynamic regulation of heterochromatin and gene expression during cellular quiescence (2019)
  • Author(s): Eriko Oya, Mickael Durand-Dubief, Adiel Cohen, Vladimir Maksimov, Catherine Schurra, Jun-ichi Nakayama, Ronit Weisman, Benoit Arcangioli, Karl Ekwall
  • Journal Title: Epigenetics & Chromatin Volume: 12 Pages: 45-45
  • DOI: 10.1186/s13072-019-0292-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Do the charges matter? - Balancing the charges of the chromodomain proteins on the nucleosome. (2019)
  • Author(s): Kyoko Hiragami-Hamada, Jun-ichi Nakayama
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: － Pages: 455-458
  • DOI: 10.1093/jb/mvz004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mitotic phosphorylation of HP1α regulates its cell cycle-dependent chromatin binding (2019)
  • Author(s): Gohei Nishibuchi, Shinichi Machida, Reiko Nakagawa, Yuriko Yoshimura, Kyoko Hiragami-Hamada, Yusuke Abe, Hitoshi Kurumizaka, Hideaki Tagami, Jun-ichi Nakayama
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 165 Pages: 433-446
  • DOI: 10.1093/jb/mvy117
  • NAID: 40021880612
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Asymmetrical localization of Nup107-160 subcomplex components within the nuclear pore complex in fission yeast (2019)
  • Author(s): Asakawa Haruhiko、Kojidani Tomoko、Yang Hui-Ju、Ohtsuki Chizuru、Osakada Hiroko、Matsuda Atsushi、Iwamoto Masaaki、Chikashige Yuji、Nagao Koji、Obuse Chikashi、Hiraoka Yasushi、Haraguchi Tokuko
  • Journal Title: PLoS Genet. Volume: 15 Pages: 008061-1008061
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1008061
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome-wide stability of the DNA replication program in single mammalian cells (2019)
  • Author(s): Saori Takahashi, Hisashi Miura, Takahiro Shibata, Koji Nagao, Katsuzumi Okumura, Masato Ogata, Chikashi Obuse, Shin-ichiro Takebayashi and Ichiro Hiratani
  • Journal Title: Nat Genet Volume: 51 Pages: 529-540
  • DOI: 10.1038/s41588-019-0347-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of SmcHD1 in establishment of epigenetic states required for the maintenance of the X-inactivated state in mice (2018)
  • Author(s): Sakakibara Yuki、Nagao Koji、Blewitt Marnie、Sasaki Hiroyuki、Obuse Chikashi、Sado Takashi
  • Journal Title: Development Volume: 145 Pages: 166462-166462
  • DOI: 10.1242/dev.166462
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nucleosomes around a mismatched base pair are excluded via an Msh2-dependent reaction with the aid of SNF2 family ATPase Smarcad1. (2018)
  • Author(s): Terui R, Nagao K, Kawasoe Y, Taki K, Higashi TL, Tanaka S, Nakagawa T, Obuse C, Masukata H, Takahashi TS
  • Journal Title: Genes & Development Volume: 32(11-12) Pages: 806-821
  • DOI: 10.1101/gad.310995.117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン動態の分子制御機構の解析 (2021)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 第１４回エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] Protein Phosphatase 1 acts as a RIF1 effector to suppress DSB resection prior to Shieldin action (2021)
  • Author(s): 磯部 真也, 平賀 信一朗, 長尾 恒治, 笹沼 博之 , Donaldson D Anne, 小布施 力史
  • Organizer: 第38回 染色体ワークショッフ・第19回 核ダイナミクス研究会
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン構造とその制御機構の解析 (2020)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム 第５３回研究報告会
• [Presentation] 分裂酵母における胞子クロマチン動態の分子制御機構の解析 (2020)
  • Author(s): 林 亜紀、中川 れい子、中山 潤一
  • Organizer: 日本分子生物学会 第４３回年会
• [Presentation] PP1, another RIF1 effector to shieldin, suppresses resection of damaged DNA ends as a barrier against HDR (2020)
  • Author(s): 磯部 真也, 平賀 信一朗, 長尾 恒治, 野崎 直仁, Donaldson D Anne, 小布施 力史
  • Organizer: 日本分子生物学会 第４３回年会
• [Presentation] HP1のリン酸化はヌクレオソームの結合特異性を制御する (2019)
  • Author(s): 西淵剛平、川口隆之、田中万葉、沖昌也、田上英明、中山潤一
  • Organizer: 日本プロテオーム学会2019年大会・第70回日本電気泳動学会総会
  • Invited
• [Presentation] 分裂酵母のヘテロクロマチンを制御するヒストン修飾のクロストーク (2019)
  • Author(s): 大屋恵梨子、中川れい子、吉村ゆり子、田中万葉、西淵剛平、町田晋一、胡桃坂仁志、田上英明、中山潤一
  • Organizer: 日本遺伝学会第91回大会
  • Invited
• [Presentation] マウスES細胞分化および初期胚発生過程における1細胞全ゲノムDNA複製タイミング解析 (2019)
  • Author(s): 高橋沙央里、三浦尚、 柴田隆豊、長尾恒治、小布施力史、竹林慎一郎、平谷伊智朗
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Elucidation of the molecular basis of heterochromatin body formation (2019)
  • Author(s): Chikashi Obuse
  • Organizer: Chromosome Dynamics 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヘテロクロマチン構造形成に関わるヒストン修飾酵素複合体の機能解析 (2019)
  • Author(s): 蜂須賀亜紀、沖昌也、中山潤一
  • Organizer: 日本遺伝学会第91回大会
• [Presentation] 分裂酵母JmjCタンパク質Epe1によるゲノムワイドなヘテロクロマチン分布の制御 (2019)
  • Author(s): 反田真登、石崎裕章、海東亘、島田篤、中山潤一、村上洋太
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] PI3K複合体のエンドソーム局在化を介して依存性エンドサイトーシスを制御する (2019)
  • Author(s): 天野麻穂、藤岡容一朗、佐藤絢、堀内浩水、吉田藍子、笹島仁、小布施力史、大場雄介
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウス初期胚特異的なセントロメア構造およひ機能の分子機序の解明 (2019)
  • Author(s): 谷口稜弥、波多野裕、山崎大賀、舛本寛、小布施力史、山縣一夫
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 高次クロマチン構造の形成と維持の分子機構 (2019)
  • Author(s): 中山潤一
  • Organizer: 染色体研究の最前線 2019
  • Invited
• [Presentation] Crosstalk between histone modifications during heterochromatin assembly (2018)
  • Author(s): Jun-ichi Nakayama
  • Organizer: The 4th Shanghai Int Workshop of Epigenetics in Development and Disease The 13th Annual Meeting of Asian Epigenome Alliance, Shanghai
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] HP1によるヘテロクロマチン構造形成の分子機構 (2018)
  • Author(s): 中山潤一
  • Organizer: 第91回 日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] X染色体不活性化過程におけるSmchd1-Hbix1の役割 (2018)
  • Author(s): 長尾恒治、榊原祐樹、元田裕佳里、坂口武久、木村宏、佐渡敬、小布施力史
  • Organizer: 第91回 日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] RIF1-PP1複合体のDNA損傷における機能解析 (2018)
  • Author(s): 磯部 真也、長尾 恒治、野崎 直仁、木村 宏、小布施 力史
  • Organizer: 第41回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] 染色体不活性化における非コードXIST RNAとSmchd1-Hbix1Xの役割 (2018)
  • Author(s): 長尾 恒治、榊原 祐樹、坂口 武久、木村 宏、佐渡 敬、小布施 力史
  • Organizer: 第41回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Smchd1-Hbix1依存的な不活性化X染色体の区画化 (2018)
  • Author(s): 長尾 恒治、榊原 祐樹、柴田 幸子、野澤 竜介、坂口 武久、木村 宏、佐渡 敬、小布施 力史
  • Organizer: 第41回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] 分裂酵母に特異的な核膜孔複合体の構造と機能 (2018)
  • Author(s): 淺川 東彦、糀谷 知子、楊 恵如、大槻 千鶴、小坂田 裕子、松田 厚志、岩本 政明、近重 裕次、高木 尚充、長尾 恒治、小布施 力史、 平岡 泰、原口 徳子
  • Organizer: 第41回 日本分子生物学会年会
• [Presentation] Single-cell DNA replication timing profiling and 3D genome organization dynamics during development (2018)
  • Author(s): Hisashi Miura, Saori Takahashi, Takahiro Shibata, Koji Nagao, Chikashi Obuse, Shin-ichiro Takebayashi, Ichiro Hiratani
  • Organizer: Nuclear Organization & Function on Cold Spring Harbor Meeting
• [Presentation] 分化前後のES細胞における複製ドメインは細胞間で極めて均一なプロファイルを示す (2018)
  • Author(s): 高橋沙央里、三浦尚、柴田隆豊、長尾恒治、小布施力史、竹林慎一郎、平谷伊智朗
  • Organizer: 第12回 日本エピジェネティクス研究会年会