DNAメチル化とH3K9me3の確立と維持の構造基盤

• 研究領域: 多様かつ堅牢な細胞形質を支える非ゲノム情報複製機構
• 研究課題/領域番号: 19H05741
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 有田 恭平 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (40549648)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 80,600千円 (直接経費: 62,000千円、間接経費: 18,600千円); 2023年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2022年度: 14,950千円 (直接経費: 11,500千円、間接経費: 3,450千円); 2021年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2020年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2019年度: 22,620千円 (直接経費: 17,400千円、間接経費: 5,220千円)
• キーワード: DNA維持メチル化 / 構造生物学 / Cryo-EM / UHRF1 / 非ゲノム情報 / DNAメチル化 / ヒストン修飾 / DNMT1 / DPPA3 / ユビキチン化 / クライオ電子顕微鏡 / DNA複製 / クロマチン

研究開始時の研究の概要

DNAメチル化やヒストンH3K9のメチル化（H3K9me3）は、クロマチンの構造変換を制御する遺伝子発現抑制的な非ゲノム情報である。これらの非ゲノム情報が発生・分化過程でどのように確立し、そして多細胞形質体を維持するために体細胞分裂後にどのように複製されていくのかは不明な点が多い。本研究では、非ゲノム情報による遺伝子発現抑制の確立と複製にかかる構造基盤として、ユビキチン化された複製因子PAF15とSETDB1によるDNA維持メチル化とH3K9me3の確立・複製に注目し、それぞれの分子機構を構造生物学的な観点から明らかにする。

研究実績の概要

卵子や初期胚において、ヒトDPPA3がDNA維持メチル化因子UHRF1のクロマチン結合を阻害する分子機構を解明した。ヒトDPPA3とUHRF1 PHD fingerの複合体構造をX線結晶構造解析で決定した。その結果、すでに報告したマウスDPPA3と異なる様式でヒトDPPA3はUHRF1 PHD fingerに結合することが分かった。さらに、この結合様式の違いはヒトDPPA3がマウスと異なりUHRF1のクロマチン結合に強い阻害効果をもたらさず、DNA脱メチル化を促さないことが分かった。これらの結果から、ヒトの卵子形成や初期胚におけるDPPA3の役割はマウス全く異なるこが明らかになった。
ヘテロクロマチン領域のDNA維持メチル化を制御する因子としてクロマチンリモデラーHELLSとその活性化因子CDCA7の役割を構造生物学的に明らかにした。CDCA7が片鎖メチル化DNA結合能を有することを明らかにして、片鎖メチル化サイトを含むヌクレオソームとCDCA7の複合体構造をクライオ電子顕微鏡単粒子解析で決定した。その結果、CDCA7が片鎖メチル化サイトにDNAのmajor groove側からアクセスすること、ICF症候群の患者で見られるCDCD7のアミノ酸置換が、ヘミメチル化サイトやDNAのリン酸骨格の認識に関与することがわかった。ICF症候群ではセントロメア領域の低メチル化をもたらすが、疾患をもたらす変異のDNAメチル化における影響の構造基盤を解明できた。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS(フランス)
• [国際共同研究] ミュンヘン大学(ドイツ)
• [国際共同研究] CNRS(フランス)
• [雑誌論文] Cryo-electron microscopy reveals the impact of the nucleosome dynamics on transcription activity (2024)
  • 著者名/発表者名: Arita Kyohei
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 175 号: 4 ページ: 383-385
  • DOI: 10.1093/jb/mvae004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative DNA-binding activities of Chp2 are critical for its function in heterochromatin assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Rahayu Anisa Fitri、Hayashi Aki、Yoshimura Yuriko、Nakagawa Reiko、Arita Kyohei、Nakayama Jun-ichi
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 174 号: 4 ページ: 371-382
  • DOI: 10.1093/jb/mvad050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for activation of DNMT1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi A, Onoda H, Yamaguchi K, Kori S, Matsuzawa S, Chiba Y, Tanimoto S, Yoshimi S, Sato H, Yamagata A, Shirouzu M, Adachi N, Sharif J, Koseki H, Nishiyama A, Nakanishi M, Defossez PA, Arita K
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 13 (1) 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34779-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for the unique multifaceted interaction of DPPA3 with the UHRF1 PHD finger. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hata K, Kobayashi N, Sugimura K, Qin W, Haxholli D, Chiba Y, Yoshimi S, Hayashi G, Onoda H, Ikegami T, Mulholland CB, Nishiyama A, Nakanishi M, Leonhardt H, Konuma T, Arita K
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 50 号: 21 ページ: 12527-12542
  • DOI: 10.1093/nar/gkac1082
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure-based screening combined with computational and biochemical analyses identified the inhibitor targeting the binding of DNA Ligase 1 to UHRF1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kori Satomi、Shibahashi Yuki、Ekimoto Toru、Nishiyama Atsuya、Yoshimi Sae、Yamaguchi Kosuke、Nagatoishi Satoru、Ohta Masateru、Tsumoto Kouhei、Nakanishi Makoto、Defossez Pierre-Antoine、Ikeguchi Mitsunori、Arita Kyohei
  • 雑誌名: Bioorg Med Chem 巻: 52 ページ: 116500-116500
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2021.116500
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Preparation of the ubiquitination-triggered active form of SETDB1 in Escherichia coli for biochemical and structural analyses (2021)
  • 著者名/発表者名: Funyu Tomoko、Kanemaru Yuka、Onoda Hiroki、Arita Kyohei
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 170 号: 5 ページ: 655-662
  • DOI: 10.1093/jb/mvab087
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of inhibitor-bound human MSPL that can activate high pathogenic avian influenza (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohno Ayako、Maita Nobuo、Tabata Takanori、Nagano Hikaru、Arita Kyohei、Ariyoshi Mariko、Uchida Takayuki、Nakao Reiko、Ulla Anayt、Sugiura Kosuke、Kishimoto Koji、Teshima-Kondo Shigetada、Okumura Yuushi、Nikawa Takeshi
  • 雑誌名: Life Science Alliance 巻: 4 号: 6 ページ: e202000849-e202000849
  • DOI: 10.26508/lsa.202000849
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural dynamics of double-stranded DNA with epigenome modification (2020)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Ayako、Walinda Erik、Arita Kyohei、Sugase Kenji
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 49 号: 2 ページ: 1152-1162
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa1210
  • NAID: 120006943328
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Serine 298 Phosphorylation in Linker 2 of UHRF1 Regulates Ligand-Binding Property of Its Tandem Tudor Domain (2020)
  • 著者名/発表者名: Kori Satomi、Jimenji Tomohiro、Ekimoto Toru、Sato Miwa、Kusano Fumie、Oda Takashi、Unoki Motoko、Ikeguchi Mitsunori、Arita Kyohei
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 432 号: 14 ページ: 4061-4075
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2020.05.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced processivity of Dnmt1 by monoubiquitinated histone H3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Mishima, L. Brueckner, S. Takahashi, T. Kawakami, J. Otani, A. Shinohara, K. Takeshita, R. G. Garvilles, M. Watanabe, N. Sakai, H. Takeshima, C. Nachtegael, A. Nishiyama, M. Nakanishi, K. Arita, K. Nakashima, H. Hojo, I. Suetake
  • 雑誌名: Genes Cells 巻: 25 号: 1 ページ: 22-32
  • DOI: 10.1111/gtc.12732
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of PCNA in complex with DNMT1 PIP box reveals the basis for the molecular mechanism of the interaction. (2019)
  • 著者名/発表者名: 1.Jimenji T, Matsumura R, Kori S, Arita K.
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 516 号: 2 ページ: 578-583
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.06.060
  • 査読あり
• [学会発表] Structural basis for activation mechanism of DNMT1 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyohei Arita
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on REPLICATION of NON GENOME
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNMT1:ユビキチン化H3:DNA複合体構造によるDNA維持メチル化の活性化機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 菊地杏美香, 小野田浩宜, 山口幸佑, 郡聡実, 山形敦史, Defossez Pierre-Antoine, 有田恭平
  • 学会等名: 第45回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] ユビキチン化によるSETDB1の酵素活性化機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 舩生 智子、山形 敦史、有田 恭平
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] USP7によるユビキチン化ヒストンH3の脱ユビキチン化機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉見 早恵 小野田 浩宜 加藤 修衣 山形 敦史 有田 恭平
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] エピジェネティック修飾ヌクレオソームに対するUHRF1の相互作用様式の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 敷町 怜愛, 松澤 舜, 蛭田萌里, 小野田 浩宜, 山形敦史, 有田 恭平
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] UHRF1によるマルチモノユビキチン化機構の構造生物学的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 蛭田 萌理, 松澤 舜, 敷町 怜愛, 有田 恭平
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] DNA維持メチル化関連タンパク質の活性・クロマチン局在制御の構造基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 有田恭平
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] DPPA3によるUHRF1のクロマチン局在阻害の構造基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 有田恭平
  • 学会等名: 第95回日本生化学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis for activation of DNA methyltransferase. (2022)
  • 著者名/発表者名: 有田恭平
  • 学会等名: 第15回日本エピジェネティクス研究会年会
  • 招待講演
• [学会発表] グアニン四重鎖によるDNMT1の活性阻害機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 菊地杏美香, 小野田浩宜, 山形敦史, 有田恭平
  • 学会等名: 第15回 日本エピジェネティクス研究会年会
• [学会発表] 大腸菌内ユビキチン化システムによる活性型 SETDB1 の調製と評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 舩生 智子、小野田 浩宜、山形 敦史、有田 恭平
  • 学会等名: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 母性因子Stellaと維持メチル化因子UHRF１のNMRを用いた相互作用解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 畑圭一, 小沼剛, 杉村奎汰, 西山敦哉, 林剛介, 池上貴久, 中西真, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] マルチモノユビキチン化機構の解明に向けたエピジェネティック修飾ヌクレオソームの調製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 敷町怜愛, 松澤舜, 小野田浩宜, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] G-quadruplex構造によるDNMT1の活性阻害機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菊地杏美香, 小野田浩宜, 山形敦史, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] ユビキチン化依存的なSETDB1の酵素活性化機構解明に向けた、大腸菌内ユビキチン化システムの構築とその評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 舩生智子, 金丸由桂, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] USP7によるユビキチン化ヒストンH3の脱ユビキチン化機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉見早恵, 小野田浩宜, 山形敦史, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] DNAメチル化を制御する薬剤の開発：構造生物学と計算科学を組み合わせた維持メチル化因子UHRF1の機能阻害剤の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 郡聡実, 柴橋佑希, 浴本亨, 西山敦哉, 吉見早恵 ,長門石暁, 大田雅照, 津本浩平, 中西真, 池口満徳, 有田恭平
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 計算科学と構造生物学を組み合わせたスクリーニングによるDNAメチル化制御薬の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 郡聡実, 柴橋佑希, 浴本亨, 西山敦哉, 吉見早恵, 長門石暁, 大田雅照, 津本浩平, 中西真, 池口満徳, 有田恭平
  • 学会等名: 第12回スクリーニング学研究会
• [学会発表] Development of UHRF1 inhibitor based on the structural study of the recognition of methylated DNA ligase 1 by UHRF1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Satomi Kori, Yuki Shibahashi, Toru Ekimoto, Atsuya Nishiyama, Sae Yoshimi, Satoru Nagatoishi, Masateru Ohta, Kouhei Tsumoto, Mitsunori Ikeguchi, and Kyohei Arita
  • 学会等名: PDBアジア地区50周年記念シンポジウム
• [学会発表] DNAメチル化制御薬の開発：維持メチル化因子UHRF1の機能阻害剤のリード化合物の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 郡聡実, 柴橋佑希, 浴本亨, 西山敦哉, 吉見早恵, 長門石暁, 大田雅照, 津本浩平, 中西真, 池口満徳, 有田恭平
  • 学会等名: 第49回構造活性相関シンポジウム
• [学会発表] 構造生物学から見たDNAメチル化が複製されていく仕組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 有田恭平
  • 学会等名: 第14回日本エピジェネティクス研究会年会
  • 招待講演
• [学会発表] The proper timing phosphorylation of Ser298 selects UHRF1-binding partners (2020)
  • 著者名/発表者名: Satomi Kori, Tomohiro Jimenji, Toru Ekimoto, Laure Ferry, Shohei Matano, Miwa Sato, Fumie Kusano, Motoko Unoki, Pierre-Antoine Defossez, Mitsunori Ikeguchi, Kyohei Arita
  • 学会等名: 第14回日本エピジェネティクス研究会年会
• [学会発表] Structural basis for the switching of binding partners by Ser298 phosphorylation in UHRF1 (2020)
  • 著者名/発表者名: Satomi Kori, Tomohiro Jimenji, Toru Ekimoto, Miwa Sato, Fumie Kusano, Takashi Oda, Motoko Unoki, Mitsunori Ikeguchi, Kyohei Arita
  • 学会等名: 第20回蛋白質科学会年会
• [学会発表] Conserved phosphorylation in UHRF1-binding partners regulates its binding to the peptide binding groove of UHRF1 TTD domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Satomi Kori, Laure Ferry, Shohei Matano, Tomohiro Jimenji, Toru Ekimoti, Takashi Oda, Pierre-Antoine Defossez, Mitsunori Ikeguchi, Kyohei Arita
  • 学会等名: 16th Conference of the Asian Crystallographic Association: AsCA2019
  • 国際学会
• [学会発表] Structural basis for recognition of DNMT1 PIP box by PCNA (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Jimenji, Satomi Kori, Kyohei Arita
  • 学会等名: 16th Conference of the Asian Crystallographic Association: AsCA2019
  • 国際学会
• [学会発表] UHRF1によるヒストンH3のマルチプルモノユビキチン化機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松澤舜, 若月誠, 柴野歩実, 郡聡実, 古川亜矢子, 西村善文, 西山敦哉, 中西真, 有田恭平
  • 学会等名: 第42回分子生物学会年会
• [学会発表] 複製因子PAF15のマルチプルモノユビキチン化シグナル形成機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴野歩実, 松澤舜, 郡聡実, 西山敦哉, 中西真, 有田恭平
  • 学会等名: 第42回分子生物学会年会
• [学会発表] Structural Study for Recognition of Ubiquitylated Histone H3 by DNA Methyltransferase (2019)
  • 著者名/発表者名: Arita Kyohei, Ishiyama Satoshi, Nishiyama, Atsuya, Defossez, Pierre-Antoine, Nakanishi, Makoto
  • 学会等名: ECM32 32nd European Crystallographic Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal structure of UHRF1:LIG1 complex revealed structural change of UHRF1 and the key residues for high affinity binding (2019)
  • 著者名/発表者名: Satomi Kori, Laure Ferry, Shohei Matano, Noriyuki Kodera, Takashi Oda, Pierre-Antoine Defossez,Kyohei Arita
  • 学会等名: ECM32 32nd European Crystallographic Meeting
  • 国際学会
• [備考] 卵子形成に必須なタンパク質DPPA3によるUHRF1の 機能阻害の分子機構を解明
  • URL: http://www.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/news/202211arita_nar.html
• [備考] 細胞運命を決定するタンパク質DNMT1の活性制御機構を解明
  • URL: http://www.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/news/202211arita_natcommun.html
• [備考] 横浜市立大学 生命医科学研究科 構造生物学研究室 有田グループ
  • URL: http://www-mls.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/xtal-mls/members/kyouhei/index.html
• [備考] メチル基１つでDNAの運動性が変わることを解明 ～運動性というDNA上の目印～
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2020/202012arita.html
• [備考] リン酸化によるUHRF1の結合相手の制御の仕組みを解明
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2020/202006arita.html
• [備考] DNA維持メチル化酵素の複製サイトへの呼び込みの仕組みの一端を解明
  • URL: http://www.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/news/20190712_arita.html