ヒストンH2AX依存的な遺伝子発現制御機構と新規ゲノム安定性ネットワークの解明

Research Project

Project/Area Number	24K03081
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 63020:Radiation influence-related
Research Institution	Ibaraki University
Principal Investigator	中村麻子茨城大学, 基礎自然科学野, 教授 (70609601)
Project Period (FY)	2024-04-01 – 2029-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000) Fiscal Year 2028: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2027: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2026: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000) Fiscal Year 2025: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2024: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Keywords	DNA損傷 / H2AX / 相同組換え / 遺伝子発現制御 / 上皮間葉転換 / ヒストン
Outline of Research at the Start	ヒストンH2AXは、DNA二本鎖切断（double-strand break: DSB）が生じた際に直ちにリン酸化されることでDNA損傷応答を活性化させる、いわばDNA損傷応答の初期応答マーカーである。このH2AXがクロマチン制御を介した遺伝子発現制御機能を有していることが示唆されている。本研究はH2AXがどのようなメカニズムで遺伝子発現制御を行っているのか、またその生物学的な意義は何であるかを明確にすることを最終目的としている。
Outline of Annual Research Achievements	DNA二本鎖切断修復において最も重要な役割を有するヒストンH2AXが、DNA損傷修復における足場的機能だけではなく、クロマチン制御による遺伝子発現制御機能も有することを示唆するデータが近年報告された。そこで我々は先行研究として、H2AX欠損細胞における遺伝子発現レベルの変化を、RNAシークエンスによって網羅的に解析した。その結果、驚くべきことに、非損傷誘発時でもDNA損傷の相同組換え修復に関与する遺伝子の発現が有意に上昇していること、細胞の増殖・接着・分化に係るWntシグナル経路関連遺伝子の発現が有意に上昇していることが明らかとなった。そこで、本研究計画ではH2AXによる遺伝子発現制御を解明することを最終目的として、以下に掲げる研究項目を実施し成果を得た。【H2AX依存的な相同組換え関連タンパク質発現制御メカニズムの明確化】これまでにH2AX欠損のヒト細胞およびマウス細胞において遺伝子レベルおよびタンパク質レベルで発現低下するタンパク質を同定したが、今年度は同定した標的遺伝子プロモーター領域のクロマチン構造の状態はクロマチン免疫沈降法（ChIP法）を用いてヒストン修飾状態を解析することで評価した。具体的には、放射線非照射のH2AX-WTおよびH2AX-KO細胞から得られたサンプルに対して、同定したプロモーター領域におけるアセチル化ヒストンH3レベルを測定した。なお、HR修復タンパク質の発現はDNA損傷の有無にかかわらず細胞周期によって調節されていることが報告されていることからも、本実験では細胞周期を同調したサンプルで解析を行い、細胞周期依存的なH2AXによるHR関連遺伝子のプロモーター領域制御機構について評価を行った。その結果、標的遺伝子のプロモーター領域のH3K9アセチル化レベルが上昇していることが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 我々の予備的な研究において、H2AX野生型およびH2AX欠損型のマウス胎児線維芽細胞のmRNA量をRNAシーケンスで網羅的に解析したところ、DSB修復経路の一つである相同組換え修復に関連する遺伝子の発現がH2AX欠損によって上昇することが明らかになった。そこで、その詳細な発現制御メカニズムおよび発現制御の生物学的意義を明確にすることを目的に本研究を遂行した結果、特定の相同組換え修復に関わるタンパク質の発現制御がH2AXによって制御されていることを明らかとした。またその発現制御はプロモーター領域のヒストン修飾制御を介していることを明らかとした。ゲノム安定性に深く関与する相同組換え修復関連タンパク質の発現制御が、DNA損傷の有無に関わらずH2AXに依存して行われていることを明確に示した本研究成果の意義は大きい。生物の恒常性維持やゲノム安定性に係る新規のシグナル経路への関与を示すデータの研究的意義は大きいと考える。
Strategy for Future Research Activity	H2AXがHR関連遺伝子のプロモーター領域のクロマチン構造を変化させることによって発現制御を行っていることが明らかになったことから、今後はH2AXを介したクロマチン制御メカニズムおよその生物学的意義を明確にしていく。具体的には、H2AXの相同組換え遺伝子発現制御に関与する予測されている転写因子さらにはヒストン修飾酵素について着目する。また、これまでは放射線などによるDNA損傷を誘発していない非損傷時における発現制御機構に着目してきたが、今後はH2AXによるHR修復関連遺伝子発現制御を介したDSB修復機能への影響評価を行っていく。