哺乳類のDNA複製タイミング制御におけるゲノムとエピゲノムの機能的リンク

• 研究課題/領域番号: 21K06129
• 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43050:ゲノム生物学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: SHARIF JAFAR 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 専任研究員 (00577968)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: Replication timing / SINE / H2Bub / CTCF / 3D genome / Epigenome / Euchromatin / Heterochromatin / A/B compartments / Transcription / DNA replication / H2B monoubiquitination / RNF20 / Retrotransposon

研究開始時の研究の概要

本研究では、哺乳類細胞における複製タイミング（RT）の分子メカニズムを解析する。RTの決定に、ゲノムDNA配列そのものが貢献し、さらにそれらの配列を読み取るエピゲノム修飾因子が寄与しているとの仮説を立てる。我々の予備実験から、RNA polymerase II (POL2)による転写伸長反応がRTの制御に重要な役割を持ち、さらにPOL2の下流に集積するH2Bモノユビキチン化（H2Bub）がDNA複製の決定に関与している可能性が示唆された。本研究では、ゲノムのDNA配列がPOL2やH2Bubを誘導することにより、どのようにしてRTの決定に貢献するのか、その分子機構に迫る。

研究成果の概要

哺乳類のゲノムは、3次元において転写が活発に起きるユークロマチンと転写が抑制されるヘテロクロマチンに分離される。ユークロマチンはS期の初期に複製し、ヘテロクロマチンは後期に複製されるが、この現象は「複製タイミング」と呼ばれる。本研究は、複製タイミングを決定するDNA配列及びエピジェネティック修飾を明らかにすることを目的とする。本研究から、SINE (short interspersed nuclear elements)という転移因子が、ヒストンH2Bモノユビキチン化（H2Bub）をリクルートし、ユークロマチンにおける早期複製タイミングの決定に寄与していることが解明された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Replication timing defects have been linked with increased DNA damage, chromosomal translocations, and inappropriate cellular differentiation. By understanding the molecular mechanisms that regulate replication timing, it might be possible to therapeutically address the above cellular defects.

研究成果

• [雑誌論文] Bridging multiple dimensions: roles of transposable elements in higher-order genome regulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Jafar Sharif, Haruhiko Koseki, Nicholas F Parrish
  • 雑誌名: Curr Opin Genet Dev . 巻: 80 ページ: 102035-102035
  • DOI: 10.1016/j.gde.2023.102035
  • 国際共著
• [雑誌論文] PCGF1-PRC1 links chromatin repression with DNA replication during hematopoietic cell lineage commitment (2022)
  • 著者名/発表者名: Takano J, Ito S, Dong Y, Sharif J, Nakajima-Takagi Y, Umeyama T, Han YW, Isono K, Kondo T, Iizuka Y, Miyai T, Koseki Y, Ikegaya M, Sakihara M, Nakayama M, Ohara O, Hasegawa Y, Hashimoto K, Arner E, Klose RJ, Iwama A, Koseki H, Ikawa T
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 13 (1) 号: 1 ページ: 7159-7159
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34856-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for activation of DNMT1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi A, Onoda H, Yamaguchi K, Kori S, Matsuzawa S, Chiba Y, Tanimoto S, Yoshimi S, Sato H, Yamagata A, Shirouzu M, Adachi N, Sharif J, Koseki H, Nishiyama A, Nakanishi M, Defossez PA, Arita K
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 13 (1) 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34779-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient de novo assembly and modification of large DNA fragments (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiang S, Tang Y, Xiang L, Zhu X, Cai Z, Li L, Chen Y, Chen P, Feng Y, Lin X, Li G, Sharif J, Dai J
  • 雑誌名: Sci China Life Sci. 巻: 65 (7) 号: 7 ページ: 1445-1455
  • DOI: 10.1007/s11427-021-2029-0
  • 査読あり / 国際共著