Molecular mechanisms of condensins I and II

• Project/Area Number: 18H05276
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 平野 達也 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50212171)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立川 正志 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 客員研究員 (30556882)
• Project Period (FY): 2018-06-11 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥193,440,000 (Direct Cost: ¥148,800,000、Indirect Cost: ¥44,640,000); Fiscal Year 2022: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2021: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2020: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2019: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2018: ¥41,600,000 (Direct Cost: ¥32,000,000、Indirect Cost: ¥9,600,000)
• Keywords: 細胞生物学 / 生化学 / 数理生物学 / 染色体 / コンデンシン / 細胞分裂 / 染色体構築

Outline of Annual Research Achievements

（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析：分裂期染色体の構築メカニズムを理解する目的で、様々な変異型コンデンシンI複合体とコンデンシンII複合体を調整し、カエル卵抽出液を用いた機能アッセイに供してきた。2020年度は、Hサブユニットのアミノ末端ドメインがコンデンシンIの分裂期特異的染色体結合の制御に関わっているという知見をさらに強化する結果を得た。また、コンデンシンII では、D3サブユニットが染色体軸の形成に正の役割を果たしているのに対して、G2サブユニットが負の役割を果たしていることを見出した。さらに、２つのコンデンシン複合体とトポイソメラーゼIIとの機能的クロストークについていくつかの興味深い知見を得た。

（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：2020年度は、コンデンシンI複合体とコンデンシンII複合体が有する生化学活性を比較する目的で、各種機能アッセイ（DNA結合、トポロジカル・ローディング、ATP加水分解）の確立を目指した。また、組換え型Cdk1-cyclin Bによるリン酸化がそれらの活性に与える影響の検討を開始した。

（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション： 2020年度は、コンデンシンがクロマチン繊維へねじれを導入する機構のモデル化に取り組んだ。コンデンシンのモデル化としては、これまでのクロマチンループ形成における自由エネルギーモデルを発展させ、クロマチンループ形成に付随的に導入させるねじれの評価を行うとともに、ねじれの導入を前提としたクロマチン繊維の構造発展を理解するためのシミュレーションモデルを構築した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析: 野生型および変異型コンデンシンIとIIの機能解析から、２つの複合体に共通する性質と異なる性質についての知見が蓄積してきた。また、長年の課題であったコンデンシンIの細胞周期制御について、その複雑な制御機構の一端が見え始めてきた。

（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：各種機能アッセイの確立を通して、２つのコンデンシン複合体の詳細な比較が可能となりつつある。

（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション：コンデンシンがクロマチン繊維に導入するねじれとスーパーコイル構造の力学的理解が進み、その染色体形成における役割を問う段階にきている。

Strategy for Future Research Activity

（１）カエル卵抽出液を利用したコンデンシンIとIIの機能解析: コンデンシンIの細胞周期制御におけるHサブユニットのアミノ末端ドメインとそのリン酸化の役割をさらに明確にする。コンデンシンIIの活性制御における G2サブユニットの役割を明らかにするとともに、コンデンシンIIの負の制御因子として我々自身が過去に同定したMCPH1との関連を探る。

（２）コンデンシンIとIIの比較生化学：現在取り組んでいる各種機能アッセイを完全に確立し、詳細なデータを取得する。これらのアッセイは、カエル卵抽出液を用いた機能アッセイを補完するものであり、両複合体の染色体構築における役割をより深く理解するための基盤を提供することが期待される。

（３）コンデンシン機能の数理モデリングとシミュレーション：クロマチンループ伸長活性およびねじれ活性を持つコンデンシンの力学モデルを用いて、染色体形成シミュレーションを行い、クロマチン繊維のねじれとスーパーコイル構造の染色体形成における役割を検証する。その上で、コンデンシンモーター活性の一方向性と、スーパーコイル構造の蓄積および染色体の凝縮度合の関係を調べる。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, Berkeley(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California, Berkeley(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California, Berkeley(米国)
• [Journal Article] Molecular dynamics simulations of condensin-mediated mitotic chromosome assembly (2019)
  • Author(s): Yuji Sakai, Tatsuya Hirano, Masashi Tachikawa
  • Journal Title: Methods in Mol. Biol. Volume: 2004 Pages: 319-334
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-9520-2_22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis of HEAT‐kleisin interactions in the human condensin I subcomplex (2019)
  • Author(s): Hara Kodai、Kinoshita Kazuhisa、Migita Tomoko、Murakami Kei、Shimizu Kenichiro、Takeuchi Kozo、Hirano Tatsuya、Hashimoto Hiroshi
  • Journal Title: EMBO Rep. Volume: -
  • DOI: 10.15252/embr.201847183
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Unexpected functional crosstalk between topoisomerase II and a linker histone (2020)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: 121st International Titisee Conference (Virtual)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2020)
  • Author(s): 横田宏, 立川正志
  • Organizer: 第75回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Condensin-based chromosome organization: new insights from in vitro assays (2019)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: ASCB | EMBO 2019 meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The two faces of condensin I (2019)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] The two faces of condensin I (2019)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: EMBO Workshop on “SMC proteins”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Condensin-based chromosome organization: new insights from cell-free extracts (2019)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: Gordon Research Conference on “Chromosome Dynamics”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • Author(s): 横田宏, 立川正志
  • Organizer: 第9回 高分子物理学研究会
• [Presentation] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • Author(s): 横田宏, 立川正志
  • Organizer: 日本数理生物学会年会
• [Presentation] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • Author(s): 横田宏, 立川正志
  • Organizer: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] Condensin-based chromosome organization: new insights from cell-free extracts (2019)
  • Author(s): T. Hirano
  • Organizer: Gordon Research Conference on “Chromosome Dynamics"
  • Int'l Joint Research / Invited