超活性クロマチンの高分解能検出を介した疾患エピゲノム制御機構の理解

• 研究課題/領域番号: 16H05089
• 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: 生物系薬学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 梅原 崇史 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 (20415095)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2019年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2018年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2017年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2016年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: エピジェネティクス / クロマチン / ヌクレオソーム / ヒストン / 遺伝子発現 / がん / 阻害剤 / 診断 / 遺伝子 / 転写 / エピゲノム / アセチル化 / 構造解析

研究成果の概要

多くのヒトがん細胞において、エピゲノムの異常はがん遺伝子の発現亢進をもたらす。BETタンパク質は高度にアセチル化されたヒストンH4に結合し、発がんに関与する。BET阻害剤を投与すると各種のがん細胞において遺伝子発現パターンを正常細胞の発現パターンに近づけることができるが、BETタンパク質がエピゲノムに結合する際の主要標的であるヒストンH4の高アセチル化に対するBET阻害剤の効果は不明だった。本研究では、ヒト肺がん細胞株をBET阻害剤JQ1で処理してもヒストンH4のK5/K8ジアセチル化は全く変化しないことを見出し、H4K5acK8acの組合せ修飾ががんエピゲノムの頑健な目印である示唆を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

がん細胞では特定の遺伝子発現プログラムが暴走しているが、BETタンパク質の阻害剤を投与すると多くのがん細胞でこの異常を改善できることが知られている。しかし、この薬剤の効果が恒常的か一過的かは不明だった。本研究成果は、新規のモノクローナル抗体の開発を通してBETタンパク質阻害剤のがん細胞への効果が一時的であることを解明するとともに、がん細胞の増殖能の変化をエピゲノムレベルで判定する手法を提供した。本研究により、今後、がん治療薬の効果をエピゲノムレベルで精密に判定する診断技術の開発につながることが期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Johns Hopkins University(米国)
• [雑誌論文] Crystal Structure of LSD1 in Complex with 4-[5-(Piperidin-4-ylmethoxy)-2-(p-tolyl)pyridin-3-yl]benzonitrile (2018)
  • 著者名/発表者名: Niwa Hideaki、Sato Shin、Hashimoto Tomoko、Matsuno Kenji、Umehara Takashi
  • 雑誌名: Molecules 巻: 23 号: 7 ページ: 1538-1538
  • DOI: 10.3390/molecules23071538
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] JQ1 affects BRD2-dependent and independent transcription regulation without disrupting H4-hyperacetylated chromatin states (2018)
  • 著者名/発表者名: Handoko Lusy、Kaczkowski Bogumil、Hon Chung-Chau、Lizio Marina、Wakamori Masatoshi、Matsuda Takayoshi、Ito Takuhiro、Jeyamohan Prashanti、Sato Yuko、Sakamoto Kensaku、Yokoyama Shigeyuki、Kimura Hiroshi、Minoda Aki、Umehara Takashi
  • 雑誌名: Epigenetics 巻: 13 号: 4 ページ: 410-431
  • DOI: 10.1080/15592294.2018.1469891
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inhibition of FAD-dependent lysine-specific demethylases by chiral polyamine analogues (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoki Umezawa, Kasumi Tsuji, Shin Sato, Masaaki Kikuchi, Hisami Watanabe, Yuhei Horai, Masashi Yamaguchi, Yosuke Hisamatsu, Takeshi Umehara and Tsunehiko Higuchi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 8 号: 64 ページ: 36895-36902
  • DOI: 10.1039/c8ra07879c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lysine-specific demethylase 1 inhibitors prevent teratoma development from human induced pluripotent stem cells. (2018)
  • 著者名/発表者名: Osada N, Kikuchi J, Umehara T, Sato S, Urabe M, Abe T, Hayashi N, Sugitani M, Hanazono Y, and Furukawa Y.
  • 雑誌名: Oncotarget 巻: 9 号: 5 ページ: 6450-6462
  • DOI: 10.18632/oncotarget.24030
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] IRS-1 acts as an endocytic regulator of IGF-I receptor to facilitate sustained IGF signaling (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama Y, Lanzerstorfer P, Niwa H, Umehara T, Shibano T, Yokoyama S, Chida K, Weghuber J, Hakuno F, Takahashi SI
  • 雑誌名: Elife 巻: 7
  • DOI: 10.7554/elife.32893
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development and crystallographic evaluation of histone H3 peptide with N-terminal serine substitution as a potent inhibitor of lysine-specific demethylase 1 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Amano, Masaki Kikuchi, Shin Sato, Shigeyuki Yokoyama, Takashi Umehara, Naoki Umezawa, Tsunehiko Higuchi
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. 巻: 25 号: 9 ページ: 2617-2624
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2017.03.016
  • 査読あり
• [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] Temperature-Sensitive Substrate and Product Binding Underlie Temperature-Compensated Phosphorylation in the Clock (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinohara Yuta、Koyama Yohei M.、Ukai-Tadenuma Maki、Hirokawa Takatsugu、Kikuchi Masaki、Yamada Rikuhiro G.、Ukai Hideki、Fujishima Hiroshi、Umehara Takashi、Tainaka Kazuki、Ueda Hiroki R.
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 67 号: 5 ページ: 783-798
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.08.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of lysine acetylation of a phosphoenolpyruvate carboxylase involved in glutamate overproduction in Corynebacterium glutamicum (2017)
  • 著者名/発表者名: Nagano-Shoji M, Hamamoto Y, Mizuno Y, Yamada A, Kikuchi M, Shirouzu M, Umehara T, Yoshida M, Nishiyama M, Kosono S
  • 雑誌名: Mol Microbiol. 巻: 印刷中 号: 4 ページ: 677-689
  • DOI: 10.1111/mmi.13658
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural insight into inhibitors of flavin adenine dinucleotide-dependent lysine demethylases (2017)
  • 著者名/発表者名: Niwa H, Umehara T
  • 雑誌名: Epigenetics 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 340-352
  • DOI: 10.1080/15592294.2017.1290032
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 蛋白質の組合せ修飾を認識するモノクローナル抗体の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第140回日本薬学会年会
• [学会発表] JQ1 affects BRD2-dependent and independent transcription without disrupting histone H4 hyperacetylation (2019)
  • 著者名/発表者名: Handoko, L., Kaczkowski, B., Minoda, A., Umehara, T.
  • 学会等名: FASEB Science Research Conference on the Reversible Protein Acetylation in Health and Disease
  • 国際学会
• [学会発表] 部位特異的修飾ヌクレオソームライブラリを用いたアセチル化リジン認識タンパク質YEATSドメインの機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 五島美絵, 森田 鋭, 桂 一茂, 花田和晴, 白水美香子, 梅原崇史
  • 学会等名: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
• [学会発表] Histone H4 hyperacetylation reveals active promoters and enhancers in glioblastoma stem cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Das, N.D., Chang, J-.C., Hon, C-.C., Kelly, T., Katsushima, K., Natsume, A., Sato, Y., Kimura, H., Kondo, Y., Minoda, A., Umehara, T.
  • 学会等名: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
• [学会発表] クロマチンリモデリング速度に対する部位特異的ヒストンアセチル化の効果の定量化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 若森昌聡, 岡部弘基, 浦 聖恵, 船津高志, 瀧ノ上正浩, 梅原崇史
  • 学会等名: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
• [学会発表] アセチル化ヌクレオソームライブラリによる結合解析から明らかになったYEATSドメインタンパク質の機能と構造的特徴 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 五島美絵, 森田 鋭, 桂 一茂, 花田和晴, 白水美香子, 梅原崇史
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 無細胞タンパク質合成系を用いた定量的クロマチン転写系の構築 (2019)
  • 著者名/発表者名: 若森昌聡, 岡部弘基, 浦 聖恵, 船津高志, 瀧ノ上正浩, 梅原崇史
  • 学会等名: 第14回無細胞生命科学研究会
• [学会発表] Genome-wide detection of a combinatorial epi-mark at single nucleosome resolution (2019)
  • 著者名/発表者名: Umehara, T.
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] 修飾タンパク質の生化学合成とその応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] アセチル化ヌクレオソームライブラリを用いたYEATSドメインの機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 五島美絵, 森田 鋭, 桂 一茂, 白水美香子, 梅原崇史
  • 学会等名: 第42回 日本分子生物学会年会
• [学会発表] GAS41のYEATSドメインによるアセチル化ヒストンテイル複合体結晶構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 梅原崇史
  • 学会等名: 第139回日本薬学会年会
• [学会発表] JQ1 affects BRD2-dependent and independent transcription regulation without disrupting H4-hyperacetylated chromatin states (2018)
  • 著者名/発表者名: Handoko, L., Kaczkowski, B., Hon, C.C., Lizio, M., Wakamori, M., Matsuda, T., Ito, T., Jeyamohan, P., Sato, Y., Sakamoto, K., Yokoyama, Y., Kimura, H., Minoda, A., Umehara, T.
  • 学会等名: 13th EMBL Conference on Transcription and Chromatin
  • 国際学会
• [学会発表] リシン特異的脱メチル化酵素1と非共有結合タイプ阻害剤の複合体結晶構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丹羽英明, 佐藤 心, 橋本知子, 松野研司, 梅原崇史
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第13回年会
• [学会発表] タンパク質構造に基づく高リガンド性制御分子の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 新学術領域研究 化学コミュニケーションのフロンティア 第1回若手シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] エピゲノム制御を標的とした構造基盤阻害剤開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 理研シンポジウム 第4回 DMP創薬ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] ヒストンH3K14acペプチドとYEATSドメイン含有タンパク質GAS41との複合体結晶構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 梅原崇史
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 残基特異的アセチル化ヌクレオソームを利用したアセチルリジン結合性タンパク質の機能評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 五島美絵, 森田 鋭, 菊地正樹, 若森昌聡, 花田和晴, 赤坂領吾, 大沢 登, 白水美香子, 梅原崇史
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 天然変性領域における多重リン酸化を介したクロマチン構造変換因子FACTの機能制御機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 青木大将, 粟津暁紀, 藤井雅史, 森田 鋭, 上脇隼一, 栃尾尚哉, 梅原崇史, 楯 真一
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 部位特異的アセチル化クロマチンのヌクレオソーム移動・転写速度の経時検出と数理モデル化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 若森昌聡, 岡部弘基, 浦 聖恵, 船津高志, 瀧ノ上正浩, 梅原崇史
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Potent inhibitor of LSD1 as a treatment of glioblastoma (2018)
  • 著者名/発表者名: Umehara, T.
  • 学会等名: Japan Life Sciences Showcase at the New York Pharma Forum
  • 国際学会
• [学会発表] GAS41のYEATSドメインによるアセチル化ヒストンテイルの分子認識機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 丹羽英明, 梅原崇史
  • 学会等名: 第138回日本薬学会年会
• [学会発表] 特異な構造を有するCyproheptadine誘導体のSet7/9阻害剤としての機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平野智也, 平野道丈, 藤原敬士, 梅原崇史, 伊藤昭博, 吉田 稔, 影近弘之
  • 学会等名: 第138回日本薬学会年会
• [学会発表] CpGメチル化ヌクレオソームコア粒子の再構成と構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史, 藤井佳史, 若森昌聡, 横山茂之
  • 学会等名: 第137回日本薬学会年会
  • 発表場所: 東北大学 川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-03-25
• [学会発表] Structural analyses of nucleosome core particles with pinpoint chemical modifications (2017)
  • 著者名/発表者名: Umehara, T., Fujii, Y., Wakamori, M., Yokoyama, S.
  • 学会等名: EMBL Conference on the Nucleosome: From Atoms to Genomes
  • 国際学会
• [学会発表] Phosphorylation-dependent structural and functional changes of FACT (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki, D., Kuwabara, N., Uewaki, J., Tochio, N., Umehara, T., Tate, S.
  • 学会等名: EMBL Conference on the Nucleosome: From Atoms to Genomes
  • 国際学会
• [学会発表] 一時的な環状化を用いた還元環境応答型LSD1阻害ペプチドの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅澤直樹, 天野祐一, 佐藤 心, 渡辺寿美, 梅原崇史, 樋口恒彦
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第12回年会
• [学会発表] 特異な構造を有するCyproheptadine誘導体のSet7/9阻害剤としての構造展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 平野智也, 平野道丈, 藤原敬士, 梅原崇史, 伊藤昭博, 吉田 稔, 影近弘之
  • 学会等名: 第35回メディシナルケミストリーシンポジウム
• [学会発表] LSD1を阻害する還元環境応答性環状ペプチドの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅澤直樹, 天野祐一, 北川宙輝, 佐藤 心, 菊地正樹, 渡辺寿美, 梅原崇史, 樋口恒彦
  • 学会等名: 第35回メディシナルケミストリーシンポジウム
• [学会発表] 無細胞タンパク質合成系を利用した翻訳後修飾認識抗体の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第12回無細胞生命科学研究会
• [学会発表] 無細胞系を利用したdiアセチル化蛋白質の合成とその認識抗体の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 若森昌聡, 松田貴意, 伊藤拓宏, 坂本健作, 横山茂之, 梅原崇史
  • 学会等名: 第12回無細胞生命科学研究会
• [学会発表] 天然変性領域における多重リン酸化を介したクロマチン構造変換因子FACTの機能制御機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 青木大将, 上脇隼一, 森田 鋭, 栃尾尚哉, 梅原崇史, 楯 真一
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] Structural and biochemical studies on inhibitors against FAD-dependent histone lysine demethylases (2017)
  • 著者名/発表者名: Niwa, H., Sato, S., Hashimoto, T., Ikeda, M., Ohsawa, N., Wakiyama, M., Shirouzu, M., Matsuno, K., Umehara, T.
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] エピヌクレオソームを用いたクロマチンの再構成研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] アシル化ヒストンテイルを認識するYEATSドメイン含有タンパク質GAS41の結晶構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 丹羽英明, 佐藤 心, 梅原崇史
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] 残基特異的アセチル化ヌクレオソームを利用したYEATSドメインタンパク質の機能評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 五島美絵, 森田 鋭, 菊地正樹, 若森昌聡, 花田和晴, 赤坂領吾, 大沢 登, 白水美香子, 梅原崇史
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会
• [学会発表] CpGメチル化されたヌクレオソームDNA導入法の技術開発とそのヌクレオソームの結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井佳史, 若森昌聡, 梅原崇史, 横山茂之
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] 高感度クロマチンプロテオミクスに向けたクロマチン剪断法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡辺寿美, Das, N.D., 足立 淳, 佐藤 心, 朝長 毅, 梅原崇史
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] 残基特異的アセチル化ヌクレオソームを利用したクロマチン結合タンパク質の機能評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 五島美絵, 森田 鋭, 菊地正樹, 若森昌聡, 花田和晴, 赤坂領吾, 大沢 登, 白水美香子, 梅原崇史
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] Structural analysis of RNA Polymerase II CTD phosphorylation codes with its specific antibody recognition (2016)
  • 著者名/発表者名: Kumarevel, T., Sengoku, T., Fujii, Y., Morita, S., Sato, Y., Umehara, T., Yokoyama, S., Kimura, H.
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] 構造解析を目指したクロマチン修飾認識抗体群の可変領域断片の包括的な調製 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森田 鋭, 佐藤優子, 横山茂之, 木村 宏, 梅原崇史
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] Di-nucleosomeを鋳型とするクロマチン転写反応の経時検出 (2016)
  • 著者名/発表者名: 若森昌聡, 岡部弘基, 浦 聖恵, 船津高志, 梅原崇史
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-12-01
• [学会発表] GAS41のYEATSドメインによるアシル化ヒストンテイルの認識機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 菊地正樹, 丹羽英明, 佐藤 心, 白水美香子, 梅原崇史
  • 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（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] Protein structure analysis platform for academia-based drug discovery (2016)
  • 著者名/発表者名: Umehara, T., Niwa, H., Kikuchi, M., Sakai, N., Kukimoto-Niino, M., Shirouzu, M.
  • 学会等名: CBI Annual Meeting 2016
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都江戸川区）
  • 年月日: 2016-10-25
• [学会発表] 「エピヌクレオソーム」を用いたクロマチン転写の試験管内再構成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第89回日本生化学会大会
  • 発表場所: 東北大学 川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] Crystal structure of CpG-methylated nucleosome core particle (2016)
  • 著者名/発表者名: Umehara, T., Fujii, Y., Wakamori, M., Yokoyama, S.
  • 学会等名: FASEB Science Research Conference on Biological Methylation: Fundamental Mechanisms in Health and Disease
  • 発表場所: ポルトガル リスボン
  • 年月日: 2016-06-19
  • 国際学会
• [学会発表] 「エピヌクレオソーム」の再構成と機能・構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅原崇史
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2016-06-07
• [備考] 理化学研究所 生命機能科学研究センター エピジェネティクス制御研究チーム
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/bdr/epigen_drug_discov/index.html
• [備考] 生命機能科学研究センター エピジェネティクス制御研究チーム
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/umehara-t/index.html
• [備考] 生命機能科学研究センター エピジェネティクス制御研究チーム
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/umehara-t/index.html
• [備考]
  • URL: http://www.riken.jp/research/labs/bdr/epigen_drug_discov/
• [備考]
  • URL: http://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/umehara-t/index.html
• [備考]
  • URL: http://www.riken.jp/research/labs/clst/struct_synth_biol/bio_funct_mol_dev/epigen_drug_discov/
• [備考]
  • URL: http://www.clst.riken.jp/ja/science/labs/ssb/biof/edd/