凝縮核様体依存的末端結合によるDNA修復機構の解明

• 研究課題/領域番号: 20K05813
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分38020:応用微生物学関連
• 研究機関: 東洋大学
• 研究代表者: 鳴海 一成 東洋大学, 生命科学部, 教授 (90343920)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: DNA修復 / 放射線抵抗性細菌 / DNA損傷誘導性 / ゲノム2本鎖切断修復 / DNA修復タンパク質 / ゲノム二本鎖切断修復 / 遺伝子欠失株 / ゲノム二本鎖切断

研究開始時の研究の概要

本研究ではD. radioduransのDdrAタンパク質、DdrAPタンパク質、PprAタンパク質およびDNAジャイレースが、放射線耐性に重要なDNA二本鎖切断修復機構である凝縮核様体依存的末端結合にどのような役割を果たしているかを調べるために、研究期間内に、(1)遺伝子欠失株の特性解析、(2)ゲノム二本鎖切断修復過程の解析、(3)凝縮核様体依存的末端結合関連タンパク質の機能解析を行う。本研究によって、申請者が提唱した放射線抵抗性細菌に特有の凝縮核様体依存的末端結合によるDNA修復機構の特徴を明らかにすることができる。

研究成果の概要

Deinococcus属細菌では、DNA損傷誘導性タンパク質DdrAと構造が類似しているDdrAPタンパク質が高度に保存されている。また、ddrAP遺伝子はその直下にあるdr0042遺伝子とオペロンを形成している。DR0042はDdrAPと複合体を形成することで、 凝縮核様体依存的末端結合（CNDEJ）に関与するPprAなどのDNA修復関連タンパク質とDdrAPの相互作用を制御しており、さらにDNA修復完了後にDdrAPがDR0042から解離してDdrAと複合体を形成することで、複製の妨げとなるDdrAのすみやかな不活性化を促している可能性が示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

放射線抵抗性細菌に特有のDNA修復機構である凝縮核様体依存性末端結合（CNDEJ）の構成要素としてこれまでに、PprAタンパク質、DNAジャイレース、DNAリガーゼが明らかになっている。本研究によって、DR0042タンパク質がDdrAタンパク質及びDdrAPタンパク質と相互作用することが示唆され、CNDEJの構成要素として放射線抵抗性細菌が持つDNA損傷誘導性のDNA修復機構の一端を担うことが明らかになった。機構の解明は、新たな遺伝子工学試薬の開発にも繋がり、生命科学の新たな展開に貢献すると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Gamma-ray resistance of the thermophilic Rubrobacter species (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Katsumata、Katsuya Satoh、Yutaka Oono、Kentaro Miyazaki、Issay Narumi
  • 雑誌名: QST Takasaki Annual Report 2021 巻: QST-M-39 ページ: 85-85
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Complete Genome Sequence of the Radioresistant Bacterium Deinococcus aetherius ST0316, Isolated from Air Dust Collected in the Lower Stratosphere above Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Katsuya Satoh, Kakeru Hagiwara, Kosuke Katsumata, Aya Kubo, Shin-Ichi Yokobori, Akihiko Yamagishi, Yutaka Oono, Issay Narumi
  • 雑誌名: Microbiology Resource Announcements 巻: 11 号: 10
  • DOI: 10.1128/mra.00836-22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mutation analysis of the rpoB gene in the radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans R1 exposed to space during the Tanpopo experiment at the International Space Station (2021)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Fujiwara, Yuko Kawaguchi, Iori Kinoshita, Jun Yatabe, Issay Narumi, Hirofumi Hashimoto, Shin-ichi Yokobori, Akihiko Yamagishi
  • 雑誌名: Astrobiology 巻: 21 号: 12 ページ: 1494-1504
  • DOI: 10.1089/ast.2020.2424
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Resistance to gamma- and ultraviolet-rays of Rubrobacter sp. AA3-22 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kouki Izumi, Katsuya Satoh, Yutaka Oono, Kentaro Miyazaki, Issay Narumi
  • 雑誌名: QST Takasaki Annual Report 2020 巻: QST-M-33 ページ: 86-86
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Mutation analysis of the DNA damage response regulator protein PprI in the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans (2021)
  • 著者名/発表者名: Katsuya Satoh, Toshihiko Sanzen, Yutaka Oono, Issay Narumi
  • 雑誌名: QST Takasaki Annual Report 2020 巻: QST-M-33 ページ: 85-85
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 放射線抵抗性細菌 －耐性機構とその応用－ (2021)
  • 著者名/発表者名: 鳴海一成
  • 雑誌名: Applied Cell Biology Japan 巻: 34 ページ: 1-16
  • NAID: 40022803857
• [雑誌論文] Construction of luciferase reporter strains for functional analysis of DNA damage response regulator PprI in Deinococcus radiodurans (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoh Katsuya, Sanzen Toshihiko, Oono Yutaka, Narumi Issay
  • 雑誌名: QST Takasaki Annual Report 2019 巻: QST-M-29 ページ: 96-96
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional analysis of radiation-inducible protein DdrA and its paralog DdrAP in Deinococcus radiodurans (2021)
  • 著者名/発表者名: Futami Yusuke, Satoh Katsuya, Tomita Naoki, Sanzen Toshihiko, Shimosaka Taichi, Oono Yutaka, Narumi Issay
  • 雑誌名: QST Takasaki Annual Report 2019 巻: QST-M-29 ページ: 97-97
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Draft Genome Sequence of Calcium-Dependent Novosphingobium sp. Strain TCA1, Isolated from a Hot Spring Containing a High Concentration of Calcium Ions (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujinami Shun、Satoh Katsuya、Narumi Issay、Ito Masahiro
  • 雑誌名: Microbiology Resource Announcements 巻: 9 号: 15
  • DOI: 10.1128/mra.00145-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DNA Damage and Survival Time Course of Deinococcal Cell Pellets During 3 Years of Exposure to Outer Space (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi Yuko、Shibuya Mio、Kinoshita Iori、Yatabe Jun、Narumi Issay、Shibata Hiromi、Hayashi Risako、Fujiwara Daisuke、Murano Yuka、Hashimoto Hirofumi、Imai Eiichi、Kodaira Satoshi、Uchihori Yukio、Nakagawa Kazumichi、Mita Hajime、Yokobori Shin-ichi、Yamagishi Akihiko
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 11
  • DOI: 10.3389/fmicb.2020.02050
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Complete Genome Sequence of the Cesium-Accumulating Bacterium Rhodococcus qingshengii CS98, Isolated from Soil in Japan (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoh Katsuya、Ozawa Shogo、Hayashi Hidenori、Tomioka Noriko、Narumi Issay、Oono Yutaka
  • 雑誌名: Microbiology Resource Announcements 巻: 9 号: 50
  • DOI: 10.1128/mra.01188-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Enhancing the thermostability of PprA, the DNA repair promoting protein from Deinococcus radiodurans (2023)
  • 著者名/発表者名: Aya Kubo、Issay Narumi
  • 学会等名: The 1st International symposium on Toyo University Bio-resilience Research Project
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of the effects of a novel hydrophobic proline-rich oligopeptide on Escherichia coli (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Katsumata、Issay Narumi
  • 学会等名: The 1st International symposium on Toyo University Bio-resilience Research Project
  • 国際学会
• [学会発表] Interaction of DNA repair related proteins DdrA, DdrAP, and DR0042 (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyabi Sakai、Issay Narumi、Masafumi Yohda
  • 学会等名: The 1st International symposium on Toyo University Bio-resilience Research Project
  • 国際学会
• [学会発表] 新規疎水性プロリンリッチオリゴペプチドによる大腸菌のストレス耐性の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介、鳴海一成
  • 学会等名: 第2回バイオレジリエンスプロジェクトシンポジウム
• [学会発表] レポーターアッセイによるPprIタンパク質の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂井雅、養王田正文、鳴海一成
  • 学会等名: 第2回バイオレジリエンスプロジェクトシンポジウム
• [学会発表] DNA修復タンパク質PprAの耐熱化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 久保彩、鳴海一成
  • 学会等名: 第2回バイオレジリエンスプロジェクトシンポジウム
• [学会発表] Analysis of mutations in the rpoB gene of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1 exposed to space during the “Tanpopo” experiment on the International Space Station (2022)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Yokobori、Daisuke Fujiwara、Yuko Kawaguchi、Yuka Togashi、Iori Kinoshita、Jun Yatabe、Hirofumi Hashimoto、Issay Narumi、Akihiko Yamagishi
  • 学会等名: COSPAR 2022 44th Scientific Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancing the thermostability of PprA, the DNA repair protein in Deinococcus radiodurans (2022)
  • 著者名/発表者名: Aya Kubo、Kaito Watanabe、Issay Narumi
  • 学会等名: The 13th International Conference on Extremophiles (Extremophiles 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of stress tolerance of Escherichia coli by a novel hydrophobic proline rich oligopeptide from Deinococcus radiodurans (2022)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Katsumata、Issay Narumi
  • 学会等名: The 13th International Conference on Extremophiles (Extremophiles 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Functional analysis of Deinococcus radiodurans PprI using reporter assay (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyabi Sakai、Masahumi Yohda、Issay Narumi
  • 学会等名: The 13th International Conference on Extremophiles (Extremophiles 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 新規疎水性プロリンリッチオリゴペプチドによる大腸菌への影響解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介、鳴海一成
  • 学会等名: 第23回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 放射線抵抗性細菌Deinococcus radioduransのDNA損傷応答機構におけるMn輸送関連遺伝子欠損の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤勝也、鳴海一成、大野豊
  • 学会等名: 第23回極限環境生物学会年会
• [学会発表] DNA修復促進因子PprAの耐熱化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 久保彩、渡部海斗、鳴海一成
  • 学会等名: 第23回極限環境生物学会年会
• [学会発表] DNA修復促進タンパク質PprAの耐熱化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 久保彩、渡部海斗、鳴海一成
  • 学会等名: 2022年度環境バイオテクノロジー学会大会
• [学会発表] 福島第一原発トーラス室に由来する微生物群集構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藁科友朗、佐藤朝子、比内浩、Nurislam Shaykhutdinov、Elena Shagimardanova、森宙史、齋藤元文、眞田幸尚、佐々木祥人、島田梢、土津田雄馬、北垣徹、丸山茂徳、Oleg Gusev、鳴海一成、森田鉄兵、黒川顕、戎崎俊一、西村昭彦、駒義和、金井昭夫
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 中等度好熱性ルブロバクター属細菌のガンマ線耐性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介、泉洸輝、佐藤勝也、大野豊、宮崎健太郎、鳴海一成
  • 学会等名: QST高崎サイエンスフェスタ2022
• [学会発表] 放射線耐性菌と廃炉 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鳴海一成
  • 学会等名: 極限微生物と福島廃炉に関するワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] デイノコッカス・ラジオデュランスにおけるDNA損傷応答因子PprIの変異解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤勝也, 三善英彦, 鳴海一成, 大野豊
  • 学会等名: QST高崎サイエンスフェスタ2021
• [学会発表] 好熱性Rubrobacter属細菌のガンマ線耐性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介, 泉洸輝, 佐藤勝也, 大野豊, 宮崎健太郎, 鳴海一成
  • 学会等名: QST高崎サイエンスフェスタ2021
• [学会発表] Deinococcus radiodurans pprI発現大腸菌のストレス耐性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介, 鳴海一成
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 高放射線環境および福島第一原発に由来する微生物群集解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藁科友朗, 佐藤朝子, 比内浩, Nurislam Shaykhutdinov, Shagimardanova Elena, 森宙史, 齋藤元文, 眞田幸尚, 佐々木祥人, 丸山 茂徳, Oleg Gusev, 鳴海 一成, 島田梢, 黒川顕, 戎崎俊一, 西村昭彦, 駒義和, 金井昭夫
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] イオンビーム突然変異育種により作出した放線菌低セシウム蓄積変異株のゲノム解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤勝也, 小澤昌悟, 林秀謙, 鳴海一成, 大野豊
  • 学会等名: 第22回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 新規短鎖ペプチドによる大腸菌のストレス耐性の向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介, 鳴海一成
  • 学会等名: 第22回極限環境生物学会年会
• [学会発表] Deinococcus grandisのグルタミン要求性とそれを用いた自然突然変異率の計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木楓馬, 佐藤勝也, 鳴海一成
  • 学会等名: 第22回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 国際宇宙ステーションにおけるたんぽぽミッションで宇宙曝露された放射線耐性菌Deinococcus radiodurans R1のrpoB遺伝子変異分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横堀伸一, 藤原大祐, 河口優子, 富樫油香, 木下伊織, 矢田部純, 鳴海一成, 橋本博文, 山岸明彦
  • 学会等名: 日本宇宙生物科学会第35回大会
• [学会発表] 放射線抵抗性細菌のDNA修復機構の解明と応用展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鳴海一成
  • 学会等名: 未来へのバイオ技術勉強会「南極、深海から宇宙まで～新奇・極限微生物のめぐる戦略」
  • 招待講演
• [学会発表] たんぽぽ計画：全宇宙曝露試料の帰還と微生物試料解析の現状 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山岸明彦, 橋本博文, 矢野創, 横堀伸一, 河口優子, 小林憲正, 三田肇, 藪田ひかる, 東出真澄, 田端誠, 河合秀幸, 今井栄一, 富田-横谷香織, 木村駿太, 鳴海一成, 矢田部純, 藤原大祐
  • 学会等名: 第35回宇宙環境利用シンポジウム
• [学会発表] 地球生物の宇宙生存可能性検証のための短期宇宙曝露実証実験システムの構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横堀伸一, 鳴海一成, 時下進一, 志賀靖弘, 杉本学, 今井栄一, 三田肇, 橋本博文
  • 学会等名: 第35回宇宙環境利用シンポジウム
• [学会発表] Radiation Resistant Microbes (2020)
  • 著者名/発表者名: Narumi Issay
  • 学会等名: Russian-Japanese Bilateral Conference on Microbe in the High Radiation Environments 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Exposure experiment of deinococcal species in Tanpopo Mission at Exposure Facility of Japanese Experiment Module of International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Yokobori Shin-ichi, Kawaguchi Yuko, Yatabe Jun, Fujiwara Daisuke, Hayashi Risako, Kinoshita Iori, Murano Yuka, Shibuya Mio, Narumi Issay, Hashimoto Hirofumi, Yamagishi Akihiko
  • 学会等名: EANA2020 Virtual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 放射線抵抗性細菌 Deinococcus grandis pprI発現大腸菌の特性解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 勝又康介, 鳴海一成
  • 学会等名: 第21回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 宇宙空間で3年間曝露したデイノコッカス細胞塊の生存曲線とDNA損傷 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河口優子, 鳴海一成, 柴田裕実, 橋本博文, 今井栄一, 小平聡, 内堀幸夫, 中川和道, 三田肇, 横堀伸一, 山岸明彦
  • 学会等名: 第21回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 国際宇宙ステーションにおけるたんぽぽミッションで宇宙曝露された放射線耐性菌Deinococcus radiodurans R1のrpoB遺伝子変異分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横堀伸一, 藤原大祐, 河口優子, 富樫油香, 木下伊織, 矢田部純, 鳴海一成, 橋本博文, 山岸明彦
  • 学会等名: 第21回極限環境生物学会年会
• [学会発表] 福島第一原発近隣の環境サンプルに由来する微生物のメタ16S解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藁科友朗, 佐藤朝子, Shagimardanova Elena, 丸山茂徳, 森宙史, 鳴海一成, Oleg Gusev, 齋藤元文, 眞田幸尚, 佐々木祥人, Shaykhutdinov Nurislam, 島田梢, 黒川顕, 戎崎俊一, 西村昭彦, 駒義和, 金井昭夫
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Rubrobacter sp. AA3-22の放射線と紫外線に対する耐性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 泉洸輝, 佐藤勝也, 大野豊, 宮崎健太郎, 鳴海一成
  • 学会等名: QST高崎サイエンスフェスタ2020
• [備考] 東洋大学 生命科学部 放射線微生物学研究室
  • URL: http://thelonious.moon.bindcloud.jp
• [備考] 東洋大学 研究者情報データベース
  • URL: http://ris.toyo.ac.jp/profile/ja.a2cc3f430e87b3e77d1b37996e9736fa.html
• [備考] 東洋大学入試情報サイト 生命科学科 放射線微生物学研究室
  • URL: http://www.toyo.ac.jp/nyushi/undergraduate/lsc/dlsc/laboratory/narumi.html
• [備考] 極限環境微生物の研究から「生命科学の真髄」を学ぶ
  • URL: http://www.toyo.ac.jp/nyushi/column/video-lecture/20150603_01.html
• [備考] 東洋大学バイオレジリエンス研究プロジェクト
  • URL: https://toyobioresilience.jp
• [備考] 東洋大学 生命科学部 放射線微生物学研究室
  • URL: http://www2.toyo.ac.jp/~narumi/
• [備考] 東洋大学 研究者情報データベース
  • URL: http://ris.toyo.ac.jp/profile/ja.a2cc3f430e87b3e77d1b37996e9736fa.html
• [備考] 東洋大学入試情報サイト 生命科学科 放射線微生物学研究室
  • URL: http://www.toyo.ac.jp/nyushi/undergraduate/lsc/dlsc/laboratory/narumi.html