転写因子によるRNAポリメラーゼの構造変化と転写制御のメカニズム

• 研究課題/領域番号: 15H04344
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 関根 俊一 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (50321774)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円); 2019年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2018年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2017年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2015年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: 転写 / RNAポリメラーゼ / 転写因子 / Ｘ線結晶構造解析 / クライオ電顕 / バクテリオファージ / ヌクレオソーム / クライオ電子顕微鏡 / 転写伸長 / 転写終結 / 酵素 / Pol II / X線結晶構造解析 / 構造機能相関 / 構造解析 / 電子顕微鏡

研究成果の概要

RNAポリメラーゼ (RNAP)による遺伝子の転写は、転写開始・伸長・終結からなる多段階の複雑なプロセスである。RNAPは、それ単独では遺伝子の転写を遂行することはできず、各段階において多くの転写因子がRNAPと複合体を形成してその機能を補助することで転写は達成されている。本研究では、原核生物の転写を左右するファージ由来の転写因子やリボソームを結合したRNAPとの複合体の構造解析を行い、その構造基盤に迫った。また、真核生物の核内で形成される巨大な転写伸長複合体の構造決定に成功するとともに、それがヌクレオソームDNAを転写するメカニズムを世界に先駆けて明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

一連の研究成果は、すべての生命現象の根幹である転写とその制御の分子メカニズムを解明した最先端のものであり、今後の国内外の転写・クロマチンの分野の研究に重要な基礎を与えるものである。今後、転写制御やエピジェネティクス制御の研究分野の大きな発展につながるとともに、制御の破綻によるがん等の疾患メカニズムの理解や創薬研究等の基礎となることも期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Waksman Institute of Microbiology(米国)
• [国際共同研究] Waksman Institute(米国)
• [雑誌論文] Overview of the “1SBA: Integrative approaches towards understanding of gene expression” session at the 57th BSJ meeting (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaharu Mori and Shun-ichi Sekine
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: - 号: 2 ページ: 253-254
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00644-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural insight into nucleosome transcription by RNA polymerase II with elongation factors (2019)
  • 著者名/発表者名: Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Fujino Yuka、Shirouzu Mikako、Kurumizaka Hitoshi、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Science 巻: 363 号: 6428 ページ: 744-747
  • DOI: 10.1126/science.aav8912
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis of the nucleosome transition during RNA polymerase II passage (2018)
  • 著者名/発表者名: Kujirai Tomoya、Ehara Haruhiko、Fujino Yuka、Shirouzu Mikako、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Science 巻: 362 号: 6414 ページ: 595-598
  • DOI: 10.1126/science.aau9904
  • 査読あり
• [雑誌論文] Architecture of the RNA polymerase II elongation complex: new insights into Spt4/5 and Elf1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Transcription 巻: 9 号: 5 ページ: 286-291
  • DOI: 10.1080/21541264.2018.1454817
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of the complete elongation complex of RNA polymerase II with basal factors (2017)
  • 著者名/発表者名: Ehara Haruhiko、Yokoyama Takeshi、Shigematsu Hideki、Yokoyama Shigeyuki、Shirouzu Mikako、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Science 巻: 357 号: 6354 ページ: 921-924
  • DOI: 10.1126/science.aan8552
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Thermus phage protein inhibits host RNA polymerase by preventing template DNA strand loading during open promoter complex formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Ooi Wei-Yang、Murayama Yuko、Mekler Vladimir、Minakhin Leonid、Severinov Konstantin、Yokoyama Shigeyuki、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 46 号: 1 ページ: 431-441
  • DOI: 10.1093/nar/gkx1162
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of RNA polymerase II from Komagataella pastoris (2017)
  • 著者名/発表者名: Ehara Haruhiko、Umehara Takashi、Sekine Shun-ichi、Yokoyama Shigeyuki
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 487 号: 2 ページ: 230-235
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.04.039
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ratcheting of RNA polymerase toward structural principles of RNA polymerase operations. (2015)
  • 著者名/発表者名: Sekine, S., Murayama, Y., Svetlov, V., Nudler, E. and Yokoyama, S.
  • 雑誌名: Transcription 巻: 6 号: 3 ページ: 56-60
  • DOI: 10.1080/21541264.2015.1059922
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Structural basis of nucleosome transcription by RNA polymerase II (2019)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: 日本生物物理学会 第57回年会
• [学会発表] Structural basis of the RNA polymerase II elongation complex with basal factors (2019)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: CSHL Meeting Mechanisms of Eukaryotic Transcription
  • 国際学会
• [学会発表] RNA ポリメラーゼ II によるクロマチン転写の構造基盤 (2019)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis of cellular transcription by RNA polymerase II (2019)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会年会 合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis of chromatin transcription by RNA polymerase II (2019)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: Gordon Research Conference Mechanisms of Microbial Transcription
  • 国際学会
• [学会発表] RNAポリメラーゼIIによるクロマチン転写のメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 関根 俊一
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] RNAポリメラーゼIIによるクロマチン転写のメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 関根 俊一
  • 学会等名: 蛋白質研究所セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Architecture of the RNA polymerase II elongation complex with basal elongation factors (2018)
  • 著者名/発表者名: Shun-ichi Sekine
  • 学会等名: IAS Focused Program on Mechanisms of Gene Transcription and its Regulations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural basis of host RNA polymerase inhibition by a Thermus phage protein gp76 (2017)
  • 著者名/発表者名: Shun-ichi Sekine
  • 学会等名: FASEB SRC “Mechanisms and Regulation of Prokaryotic Transcription"
  • 国際学会
• [学会発表] Structural elucidation of eukaryotic RNA polymerase II “holo”-elongation complex (2017)
  • 著者名/発表者名: Haruhiko Ehara
  • 学会等名: FASEB SRC “Mechanisms and Regulation of Prokaryotic Transcription"
  • 国際学会
• [学会発表] Structural studies of RNA polymerase elongation complex bound with a phage-encoded transcription factor gp39 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuko Murayama
  • 学会等名: FASEB SRC “Mechanisms and Regulation of Prokaryotic Transcription"
  • 国際学会
• [学会発表] 基礎的な転写伸長因子が結合したRNAポリメラーゼII転写伸長複合体の構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 江原晴彦
  • 学会等名: ConBio2017
• [学会発表] バクテリオファージによる宿主RNAポリメラーゼ調節の構造基盤 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関根 俊一
  • 学会等名: 第39回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] Ratcheting of RNA polymerase for the multiple transcription functions (2015)
  • 著者名/発表者名: 関根 俊一
  • 学会等名: FASEB SRC Mechanism and Regulation of Prokaryotic Transcription
  • 発表場所: Saxtons River, USA
  • 年月日: 2015-06-24
  • 国際学会
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.clst.riken.jp/activity/structuralbiology_group1_team2.html
• [備考] 転写制御構造生物学研究チーム
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/sekine-s/index.html
• [備考] コンパクトなDNAをスムーズに転写する仕組み
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2019/20190208_1/
• [備考] 真核生物での遺伝子読み取りの仕組みを解明
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20181005_1/
• [備考] 理化学研究所 生命機能科学研究センター
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/index.html
• [備考] 転写中のRNAポリメラーゼIIの構造を解明
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2017/20170804_1/
• [備考] 理化学研究所 超分子構造解析研究チーム
  • URL: http://www.clst.riken.jp/activity/structuralbiology_group1_team2.html
• [備考] RNAポリメラーゼの働きを切り替えるメカニズムを解明
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150206_3/
• [備考] 超分子構造解析研究チーム
  • URL: http://www.clst.riken.jp/activity/structuralbiology_group1_team2.html