コンデンシンIとIIの分子メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 18H05276
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 大区分G
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 平野 達也 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50212171)
• 研究分担者: 立川 正志 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 客員研究員 (30556882)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 193,440千円 (直接経費: 148,800千円、間接経費: 44,640千円); 2022年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2021年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2020年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2019年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2018年度: 41,600千円 (直接経費: 32,000千円、間接経費: 9,600千円)
• キーワード: 細胞生物学 / 生化学 / 数理生物学 / 染色体 / 細胞分裂 / コンデンシン / 染色体構築

研究成果の概要

多くの真核細胞において、２種の異なるコンデンシン複合体（コンデンシンIとII）が協調して分裂期染色体構築に関わる。両者の分子メカニズムを理解するため、カエル卵抽出液を利用して、組換え型コンデンシン複合体（野生型及び各種変異型）の機能解析を行なった。その結果、２つの複合体の類似性と相違性を明らかにすることができた。また、それぞれの複合体に固有の天然編成領域がリン酸化を介した細胞周期制御に関与していることがわかった。数理モデリングとシミュレーションにより、コンデンシンによって生み出される超らせん構造が染色体構築に大きく寄与することが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果は、分裂期染色体構築に中心的な役割を果たす２つのコンデンシン複合体の機能とその制御の理解に対して、実験と理論の両面から大きな貢献をするものである。本研究で得られた成果は、いずれも世界をリードするものであり、分裂期染色体構築を超えて周辺分野（例えばコヒーシンによる間期染色体構築）に対して大きなインパクトを与えるものである。その意味において学術的意義はきわめて大きい。

評価記号

中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

研究成果

• [国際共同研究] UC Berkeley(米国)
• [国際共同研究] University of California, Berkeley(米国)
• [国際共同研究] University of California, Berkeley(米国)
• [国際共同研究] University of California, Berkeley(米国)
• [雑誌論文] Recombinant cyclin B-Cdk1-Suc1 capable of multi-site mitotic phosphorylation in vitro (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Shintomi, Y. Masahara-Negishi, Masami Shima, Shoji Tane, and T. Hirano
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 19 号: 3 ページ: e0299003-e0299003
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0299003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulation study on “ torsion ” and local structure of chromosome: Loop structure via torsion-adding loop extrusion (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Yokota, and M. Tachikawa
  • 雑誌名: 日本シミュレーション学会英文誌 巻: 11 号: 1 ページ: 54-72
  • DOI: 10.15748/jasse.11.54
  • ISSN: 2188-5303
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of condensin II by self-suppression and release mechanisms (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Makoto M.、Kinoshita Kazuhisa、Shintomi Keishi、Aizawa Yuuki、Hirano Tatsuya
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 35 号: 2
  • DOI: 10.1091/mbc.e23-10-0392
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Elasticity control of entangled chromosomes: Crosstalk between condensin complexes and nucleosomes (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Tetsuya、Kinoshita Kazuhisa、Hirano Tatsuya
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 122 号: 19 ページ: 3869-3881
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2023.08.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitering the compaction of single DNA molecules in Xenopus egg extract in real time (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Sun, H. Amiri, A. B. Tong, K. Shintomi, T. Hirano, C. Bustamante, and R. Heald.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 巻: 120 号: 12
  • DOI: 10.1073/pnas.2221309120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cell cycle-specific loading of condensin I is regulated by the N-terminal tail of its kleisin subunit (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Tane, K. Shintomi, K. Kinoshita, Y. Tsubota, M. M. Yoshida, T. Nishiyama, and T. Hirano
  • 雑誌名: eLife 巻: 11 ページ: 1-23
  • DOI: 10.7554/elife.84694
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular dissection of condensin II-mediated chromosome assembly using in vitro assays (2022)
  • 著者名/発表者名: M. M. Yoshida, K. Kinoshita, Y. Aizawa, S. Tane, D. Yamashita, K. Shintomi, and T. Hirano
  • 雑誌名: eLife 巻: 11
  • DOI: 10.7554/elife.78984
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cell cycle-specific phase separation regulated by protein charge blockiness (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki H、Takagi M、Kosako H、Hirano T、Yoshimura SH.
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: - 号: 5 ページ: 625-632
  • DOI: 10.1038/s41556-022-00903-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of loop formation dynamics in a chromatin fiber during chromosome condensation (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Yokota, and M. Tachikawa
  • 雑誌名: Prog. Theor. Exp. Phys. 巻: 2022 号: 5
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac065
  • 査読あり
• [雑誌論文] A loop extrusion-independent mechanism contributes to condensin I-mediated chromosome shaping (2022)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Kazuhisa、Tsubota Yuko、Tane Shoji、Aizawa Yuuki、Sakata Ryota、Takeuchi Kozo、Shintomi Keishi、Nishiyama Tomoko、Hirano Tatsuya
  • 雑誌名: Journal of Cell Biology 巻: 221 号: 3
  • DOI: 10.1083/jcb.202109016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Guiding functions of the C-terminal domain of topoisomerase IIα advance mitotic chromosome assembly (2021)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi and Tatsuya Hirano
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: - 号: 1 ページ: 2917-2917
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23205-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of condensin-mediated mitotic chromosome assembly (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sakai, Tatsuya Hirano, Masashi Tachikawa
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2004 ページ: 319-334
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-9520-2_22
  • ISBN: 9781493995196, 9781493995202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis of HEAT‐kleisin interactions in the human condensin I subcomplex (2019)
  • 著者名/発表者名: Hara Kodai、Kinoshita Kazuhisa、Migita Tomoko、Murakami Kei、Shimizu Kenichiro、Takeuchi Kozo、Hirano Tatsuya、Hashimoto Hiroshi
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: - 号: 5
  • DOI: 10.15252/embr.201847183
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A tale of two condensins: molecular dissection of mitotic genome folding machines (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: RIKEN International Symposium on “Nuclear Structure and Function”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Condensins and mitotic genome folding (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Research Lectures at Nobel Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ねじれの効果を考慮したループ押出しによる染色体の局所構造 (2024)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 第41回染色体ワークショップ
• [学会発表] Mitotic chromosome assembly: what happens when DNAs remain entangled? (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: BIE International Symposium 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How does condensin II differ from condensin I? (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 4th Meeting on “Genome Modality”
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding chromosome condensation based on dynamical modes of twistable-polymer (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Yokota, M. Tachikawa, Y. Nishimura
  • 学会等名: The 4th Meeting on “Genome Modality”
  • 国際学会
• [学会発表] Mitotic genome folding by topoisomerase II and condensins (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Department Seminar, Karolinska Institutet
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simulation study on “torsion” and local structure of chromosome: Loop structure via one side loop extrusion with twist deformation (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Yokota and M. Tachikawa
  • 学会等名: The 42nd JSST Annual International Conference on Simulation Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A tale of two condensins: molecular dissection of mitotic genome folding machines (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 11th International Conference on Biological Physics (ICBP2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A tale of two condensins: molecular dissection of mitotic genome folding machines (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Gordon Research Conference on “Chromosome Dynamics”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Genome building without TADs (in mitosis) (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Mini-symposium on “Genome Building from TADs”
  • 招待講演
• [学会発表] Comparative molecular dissection of condensins I and II (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 3rd Meeting on “Genome Modality”
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding chromosome condensation during mitotic phase through twist-bend coupling (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Yokota and M. Tachikawa
  • 学会等名: The 3rd Meeting on “Genome Modality”
  • 国際学会
• [学会発表] Twist変形を伴う片側ループ押し出し機構によるループ構造のループ長さ依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: ソフトバイオ研究会
• [学会発表] Mitotic genome folding by topoisomerase II and condensins (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 125th International Titisee Conference on “Genome folding: physics and function”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Condensins: what we know and what we don't know (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Biochemical Society Meeting on “Genome organization by SMC complexes”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 熱的に駆動されるクロマチンループ生成の動力学とその妥当性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 高分子物理学研究会
• [学会発表] Modality of mitotic chromosomes (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 74th Annual Meeting of the Japan Society for Cell Biology
  • 招待講演
• [学会発表] 熱的なクロマチンループ形成のダイナミクスとその妥当性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: ゲノムモデリング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Self-organized formation of Golgi apparatus (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Tachikawa
  • 学会等名: RIKEN BDR Symposium 2022 (Virtual)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical model simulations for understanding the structures of organelles (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Tachikawa
  • 学会等名: 5th NanoLSI Symposium (Virtual)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modality of mitotic chromosomes (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The 44th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan (Virtual)
  • 招待講演
• [学会発表] A loop extrusion-independent mechanism contrivutes to chromosome shaping (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: The second meeting on "Genome Modality" (Virtual)
  • 招待講演
• [学会発表] DNA topology in mitotic chromosome assembly and shaping (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: EMBO Workshop on "DNA topology in genomic transactions" (Virtual)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unexpected functional crosstalk between topoisomerase II and a linker histone (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: 121st International Titisee Conference (Virtual)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2020)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 第75回日本物理学会年次大会
• [学会発表] Condensin-based chromosome organization: new insights from in vitro assays (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: ASCB | EMBO 2019 meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The two faces of condensin I (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] The two faces of condensin I (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: EMBO Workshop on “SMC proteins”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Condensin-based chromosome organization: new insights from cell-free extracts (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Gordon Research Conference on “Chromosome Dynamics”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 第9回 高分子物理学研究会
• [学会発表] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 日本数理生物学会年会
• [学会発表] 生体高分子におけるloop構造のエネルギー定量化のモデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 横田宏, 立川正志
  • 学会等名: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
• [学会発表] Condensin-based chromosome organization: new insights from cell-free extracts (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Hirano
  • 学会等名: Gordon Research Conference on “Chromosome Dynamics"
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] http://www2.riken.jp/chromdyna/
• [備考] http://www2.riken.jp/chromdyna/index_en.html