転写ユニティー機構を構築する多因子間相互作用の構造的解明

• 研究領域: 時空間的な多因子間相互作用の理解による転写ユニティー機構の解明
• 研究課題/領域番号: 21H05161
• 研究種目: 学術変革領域研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 仙石 徹 横浜市立大学, 医学部, 准教授 (60576312)
• 研究期間 (年度): 2021-08-23 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 27,300千円 (直接経費: 21,000千円、間接経費: 6,300千円); 2023年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2022年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2021年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
• キーワード: エピジェネティクス / 転写 / クライオ電子顕微鏡 / 分子動力学 / がん / 転写因子 / X線結晶構造解析 / クライオ電顕 / ユビキチン化

研究開始時の研究の概要

本研究では、二村班・高橋班と協力し、以下の3つの転写ユニティー機構の構造を明らかにする。
１）強力な表現型を誘導する転写因子の形成する転写ユニティー機構
２）転写開始・伸長・終結を同時に制御する転写ユニティー機構
３）転写伸長・クロマチン修飾を相互に制御する転写ユニティー機構
本研究によって明らかにされる転写ユニティー機構の立体構造は転写ユニティー機構の理解のみに留まらず、「アキレスの踵」となりうるdruggable部位を見出し、そこを標的とする生理活性分子の合理的設計の基盤となる。

研究実績の概要

転写ユニティー中のヒストン修飾酵素とヌクレオソームとの相互作用、およびその触媒制御機構について研究を行った。ヒストンH2Bのリジン120のモノユビキチン化（H2BK120ub）は、ヒストン修飾クロストークの上流に位置し、H3K4およびH3K79のメチル化を促進し、転写伸長やDNA修復を制御している。ヒトにおいて、H2BK120ubはBre1A/RNF20とBre1B/RNF40という相同な2種類のタンパク質からなるヘテロ2量体がE3酵素として働くことで導入される。Bre1AやH2BK120ubのレベル低下は多くのがんで観察されており、H2BK120ubはがん抑制機能を持つと考えられている。Bre1複合体によるH2BK120特異的モノユビキチン化とその制御機構に関する知見を得るため、我々はクライオ電子顕微鏡を用いてBre1複合体がヌクレオソームに結合した構造を決定した。複合体構造中で、Bre1が持つ2つのRINGドメインがヌクレオソームの酸性パッチとDNAにまたがるように結合し、その結果、片方のRINGドメインはE2酵素とユビキチンをH2BK120の近傍にリクルートするのに適した位置に存在していた。また、先行研究からヌクレオソームDNAの柔軟性を高めるヒストン修飾がBre1を活性化することが知られていたが、この作用がRINGドメインとDNAとの相互作用によって仲介されていることが明らかになった。さらに、変異体解析の結果から、Bre1AサブユニットがE2酵素とユビキチンを結合する触媒サブユニットとして働くことが明らかになった。これらの結果は、転写ユニティー中でヌクレオソームDNAの柔軟性に影響する様々な因子がBre1によるH2BK120ub導入を制御し、その結果としてH3メチル化や転写伸長、DNA修復といった現象が制御される複雑な機構を示唆している。

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

• [雑誌論文] A Compact Reprogrammed Genetic Code for De Novo Discovery of Proteolytically Stable Thiopeptides (2024)
  • 著者名/発表者名: Vinogradov Alexander A.、Zhang Yue、Hamada Keisuke、Kobayashi Shunsuke、Ogata Kazuhiro、Sengoku Toru、Goto Yuki、Suga Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 146 号: 12 ページ: 8058-8070
  • DOI: 10.1021/jacs.3c12037
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of the human Bre1 complex bound to the nucleosome (2024)
  • 著者名/発表者名: Onishi Shuhei、Uchiyama Kotone、Sato Ko、Okada Chikako、Kobayashi Shunsuke、Hamada Keisuke、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu、Ogata Kazuhiro、Sengoku Toru
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1 ページ: 2580-2580
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46910-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Switching Prenyl Donor Specificities of Cyanobactin Prenyltransferases (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yuchen、Hamada Keisuke、Satake Masayuki、Sengoku Toru、Goto Yuki、Suga Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 44 ページ: 23893-23898
  • DOI: 10.1021/jacs.3c07373
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biallelic structural variations within FGF12 detected by long-read sequencing in epilepsy (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohori S., Miyauchi A., Osaka H., Lourenco C. M., Arakaki N., Sengoku T., Ogata K., Honjo R. S., Kim C. A., Mitsuhashi S., Frith M. C., Seyama R., Tsuchida N., Uchiyama Y., Koshimizu E., Hamanaka K., Misawa K., Miyatake S., Mizuguchi T., Saito K., Fujita A. and Matsumoto N.
  • 雑誌名: Life Sci Alliance 巻: 6 号: 8 ページ: e202302025-e202302025
  • DOI: 10.26508/lsa.202302025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of the human Bre1 complex bound to the nucleosome (2023)
  • 著者名/発表者名: Onishi Shuhei、Uchiyama Kotone、Sato Ko、Okada Chikako、Kobayashi Shunsuke、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu、Ogata Kazuhiro、Sengoku Toru
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: NA
  • DOI: 10.1101/2023.03.31.535082
• [雑誌論文] De Novo Discovery of Thiopeptide Pseudo-natural Products Acting as Potent and Selective TNIK Kinase Inhibitors (2022)
  • 著者名/発表者名: Vinogradov Alexander A.、Zhang Yue、Hamada Keisuke、Chang Jun Shi、Okada Chikako、Nishimura Hirotaka、Terasaka Naohiro、Goto Yuki、Ogata Kazuhiro、Sengoku Toru、Onaka Hiroyasu、Suga Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 号: 44 ページ: 20332-20341
  • DOI: 10.1021/jacs.2c07937
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LimF is a versatile prenyltransferase for histidine-C-geranylation on diverse non-natural substrates (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yuchen、Hamada Keisuke、Nguyen Dinh Thanh、Inoue Sumika、Satake Masayuki、Kobayashi Shunsuke、Okada Chikako、Ogata Kazuhiro、Okada Masahiro、Sengoku Toru、Goto Yuki、Suga Hiroaki
  • 雑誌名: Nature Catalysis 巻: 5 号: 8 ページ: 682-693
  • DOI: 10.1038/s41929-022-00822-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis of transcription regulation by CNC family transcription factor, Nrf2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sengoku Toru、Shiina Masaaki、Suzuki Kae、Hamada Keisuke、Sato Ko、Uchiyama Akiko、Kobayashi Shunsuke、Oguni Asako、Itaya Hayato、Kasahara Kota、Moriwaki Hirotomo、Watanabe Chiduru、Honma Teruki、Okada Chikako、Baba Shiho、Ohta Tsutomu、Motohashi Hozumi、Yamamoto Masayuki、Ogata Kazuhiro
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 50 号: 21 ページ: 12543-12557
  • DOI: 10.1093/nar/gkac1102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 転写制御と環状ペプチドの構造生物学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 仙石徹
  • 学会等名: 第 51 回構造活性相関シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ヒトBre1複合体によるヌクレオソーム上H2BK120ユビキチン化の構造基盤 (2023)
  • 著者名/発表者名: 2.大西 修平, 内山 琴音, 佐藤 光, 岡田 千佳子, 小林 俊介, 濱田 恵輔, 西澤 知宏, 濡木 理, 緒方 一博, 仙石 徹
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] LECコンポーネントZC3H8による転写制御メカニズムの解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 1.野口慶介, 鬼澤理紗, 仙石 徹, 緒方一博, 鈴木秀文, 髙橋秀尚
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
• [学会発表] LEC構成因子ZC3H8によるsnRNA遺伝の発現制御機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 2.野口慶介, 鬼澤理紗, 阿部竜太, 仙石 徹, 緒方一博, 池 陽子, 井野洋子, 木村弥生, 鈴木秀文, 髙橋秀尚
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] LECコンポーネントICE2の機能解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 寺内佑希, 鈴木秀文, 小川真太郎, 仙石 徹, 緒方一博, 髙橋秀尚
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] NSD2によるヌクレオソーム上H3 Lys36メチル化の構造基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 仙石 徹
  • 学会等名: 日本エピジェネティクス研究会
• [学会発表] NSD2/MMSETによるヌクレオソーム上H3K36メチル化とその制御の構造基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 仙石 徹
  • 学会等名: 日本生化学会
  • 招待講演
• [学会発表] ヌクレオソーム上H2Bモノユビキチン化の構造基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西 修平、内山 琴音、佐藤 光、岡田 千佳子、小林 俊介、西澤 知宏、濡木 理、緒方 一博、仙石 徹
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [備考] がん抑制に重要な役割を果たす転写伸長マークが導入されるメカニズムを解明
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2024/20240430sengoku.html
• [備考] 転写因子Nrf2は他のbZIP型転写因子よりDNAに強く結合し、 酸化ストレス応答やがん化に関わる
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2022/20221206sengoku.html