| 研究領域 | DNAの物性から理解するゲノムモダリティ |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05934
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅲ)
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
高田 彰二 京都大学, 理学研究科, 教授 (60304086)
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| 研究分担者 |
剣持 貴弘 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (10389009)
石本 志高 佐賀大学, 理工学部, 教授 (30391858)
山本 哲也 北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (40610027)
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| 研究期間 (年度) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
135,850千円 (直接経費: 104,500千円、間接経費: 31,350千円)
2024年度: 23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円)
2023年度: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)
2022年度: 29,380千円 (直接経費: 22,600千円、間接経費: 6,780千円)
2021年度: 33,020千円 (直接経費: 25,400千円、間接経費: 7,620千円)
2020年度: 23,660千円 (直接経費: 18,200千円、間接経費: 5,460千円)
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| キーワード | クロマチン構造転移ダイナミクス / ゲノムDNAの構造転移ダイナミクス / SMCタンパク質 / 染色体ダイナミクス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
「ゲノムモダリティ」領域は、ゲノムの3次元的な物理構造とそれに起因した機能研究を目指す。領域内で唯一の理論研究である本研究課題は、領域の実験研究者との共同研究を通じて、計測データを物理モデルで説明することによって生物学的知見を深化させる。まず物理基盤として、DNAからヌクレオソーム、クロマチン、染色体に至るゲノムの階層構造をマルチスケールな物理理論・シミュレーション研究によって明らかにする(図1)。また、間期および分裂期の染色体構造はいかにして形成されるのかをSMCタンパク質（コヒーシン・コンデンシン）のDNAループ押出し機能を中心に、構造シミュレーションと物理モデルによって解明する。
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| 研究実績の概要 |
(1) 原核生物SMCタンパク質が、ATP加水分解依存的に基質であるDNAを移動させる分子機構を解明するために、分子動力学シミュレーションを実施し、DNAセグメント捕捉とそれに引き続くDNAポンピングによりDNA上を移動する現象を実現し、そのステップ幅や分子機構を詳細に分析した。
(2) ヒストンやポリアミンなどの多価カチオンとゲノムサイズの長鎖DNAの高次構造に対する作用を、蛍光顕微鏡によるDNA一分子計測の手法を活用することにより調査し、周りの環境変化に応じで、ゲノムサイズDNAがどのような動的な応答を示すのかを明らかにする。また、無細胞系の発現実験を実施し、DNA高次構造と遺伝子発現活性の関係性についての定量的な検証も進める。
(3) メゾスケールモデルを構築すべく、ブラウン衝突動力学に関する偏微分方程式を一部解き、有用な関数系を構成し、新規数値解析法の開発を行った。既存シミュレーション法に対して長時間振る舞いに関しての優位性を明らかにした。また、A01-2班・瀧ノ上らと、DNA液滴相分離の再現を目指したシミュレーションの開発を行い、A02-1班・岡田らと精子DNAに関する議論を進めた。これらの成果を複数の国際会議にて発表した。
(4) 平野グループが、トポイソメラーゼIIとヌクレオソームが減少した条件下で発見した、スパークラー構造の形成機構を明らかにするために、コンデンシンのループ押し出しとリンカーヒストンの多価相互作用を考慮に入れて、絡み合ったDNAの構造形成の理論を構築した。この理論は、分裂期染色体の必須因子の活性に関するDNA構造の相図の一部であり、熱力学的な観点から分裂期染色体の形成機構を理解する上で重要である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
(1) 本シミュレーション研究で、原核生物SMCタンパク質がATP加水分解の自由エネルギーを利用してDNA上を移動する詳細な仕組みの一端を初めて明らかにすることができた。原著論文にまとめ、国際氏への投稿準備を行っているところである。
(2) 蛍光顕微鏡によるゲノムサイズの長鎖DNA一分子計測を活用して、ブラウン運動する長鎖DNA一分子の長軸長の時間的なゆらぎから、自己相関関数を求め、揺動散逸理論に基づく解析から、DNA一分子の粘弾性（ばね定数と減衰定数）を定量的に評価した。また、無細胞系発現実験を行い、DNAの粘弾性が増加することで、遺伝子発現活性が抑制される傾向にあることを明らかにした。
(3) メゾスケール高分子モデルに関しては、ヌクレオソーム衝突アルゴリズムの精査結果からブラウン動力学法の基礎となる方程式及び数学を見直し、一部解析解を導出、関数系を再構成し、２スケール計算のミクロ的結果に対して適当な連続関数表現を得た。他方、精子DNA凝縮に関する議論を進め、瀧ノ上教授らとDNA液滴のシミュレーションの開発を行い、Y字型DNA多体系の凝縮過程再現に成功した。
(4) Goloborodkoらのシミュレーションを参考にして、多数のコンデンシンによるループ形成の運動を記述する速度方程式を構築した。コンデンシンが周辺部に形成するループのブラシ構造を考慮に入れて、2021年度に構築したDNAの体積相転移の理論を拡張し、スパークラーのモデルを構築した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 原核生物SMCタンパク質のDNA上の移動に関して、論文を完成させ国際誌に掲載する。また、これまでの計算はSMCとScpAの複合体についてのものであり、機能的役割があいまいだったScpBを含めていない。今後、SMC-ScpAB複合体のシミュレーションを実施する。
(2) 周囲の環境変化に応じた、ゲノムサイズDNAの高次構造変化について、蛍光顕微鏡によるDNA一分子観察の手法を適用して調査する。特に、試薬濃度の時間的な変化の違いが、DNA高次構造にどのように寄与するのかについて、その履歴効果を明らかにする。また、対イオンの効果を取り入れたMDシミュレーション解析も行い、ゲノムサイズDNAの動的な挙動を明らかにする。
(3) モデルの完成および実装を目指す。具体的には、高速並列計算機システムにより短時間ヌクレオソーム衝突シミュレーションのビッグデータを作成し、数学的基盤に基づく衝突関数の高精度化を図り、同時にリンカーDNA物性も取り込んだシミュレーションの完成および実験との比較・検証を目指す。また、A01-2班・瀧ノ上、A02-1班・岡田らとの、DNA液滴相分離や非ヌクレオソーム型精子クロマチン凝縮研究を進める。
(4) 本年度に構築したモデルでは、コンデンシンによるループ形成の運動を考慮に入れる代わ
りに、リンカーヒストンによるループ間の多価相互作用を無視していた。今後は、リンカーヒストンの寄与を考慮に入れて今年度構築した理論を拡張し、スパークラーの形成過程で起こる球対称性の破れの物理的機構を明らかにする。
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