DNA・RNA-タンパク質複合体構造に基づくゲノム制御領域変異の効果予測と検証

• 研究課題/領域番号: 22K12241
• 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62010:生命、健康および医療情報学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 城田 松之 東北大学, 医学系研究科, 講師 (00549462)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (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); 2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: タンパク質構造 / ゲノムバリアント / 制御領域 / 遺伝子発現 / スプライシング

研究開始時の研究の概要

個人がもつゲノム配列の違いは身体的特徴や疾患へのかかりやすさなどさまざまな表現型の違いを生み出すもととなっている。遺伝子の発現やmRNAのスプライシングなどに関与するいわゆる制御領域のゲノム配列変化はタンパク質配列変化を伴うものに比べて解析が難しかった。本研究では制御領域のゲノム変化をタンパク質とDNA・RNAとの複合体構造をもとにその影響を評価する手法を開発する。これによって制御領域変化が表現型に与える影響を理解し、ゲノム配列の違いが表現型の違いを生み出す分子レベルでのメカニズムを予測・検証することを可能とすることを目指す。

研究実績の概要

2023年度にはゲノムバリアントの解釈をさらに高精度化するためにヒトプロテオーム全体についてAlphaFold DBの予測構造をもとに低分子リガンドおよびタンパク質複合体の情報を補ったデータベースの情報を利用できるように手法を改良した。低分子リガンドはAlphaFillデータベースより、PDBのホモログ構造から移植されたリガンド情報を利用した。タンパク質複合体はFoldDockデータベースにおいて、Yeast-2-hybrid法やアフィニティー精製マススペクトロメトリにより決定されたタンパク質間相互作用を網羅的に予測したものを用いた。それぞれのデータについて、AlphaFillはホモログとの配列一致度および局所のRMSD、FoldDockは予測される複合体精度や残基精度で精度の管理を行った。これらの複合体モデルはリガンド結合部位やタンパク質相互作用部位に存在する疾患バリアンとなどを抽出する上で有用であることを確認し、これにより、ミスセンスバリアントの構造特徴についての情報量を増加させることができた。これらの予測構造をもとにした構造特徴は全ゲノムのバリアントに対して計算済みであり、バリアントへのアノテーションとして一般的なVEPなどのツールで利用可能である。なお、AlphaFillにはDNA・RNAとの結合構造が存在しないため、DNA・RNA結合部位の評価においてはPDB構造やPDB構造との相同性を考慮した相互作用予測手法と合わせて評価を行っている。これらの手法は日本人のゲノムバリアントの立体構造を用いた評価において活用し、遺伝型・表現型の関連についての分子機構の改名のための情報として利用可能なように提供している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2023年度に目的としていたDNA・RNAとタンパク質の結合構造の立体構造を用いた評価手法の改善を行うことができたため。また、アノテーション手法をVEP、ANNOVARなどのフォーマットとして、一般的なアノテーションとして利用できる形式にする点も進展している。

今後の研究の推進方策

これまで蓄積した情報を全ゲノムシークエンスからの疾患バリアントの推定や、ゲノムワイド関連解析（GWAS）や発現量量的形質座位（eQTL）の生物学的解釈に活用するために、制御領域のゲノムバリアントについて、実験構造及び予測構造をもとに、DNA・RNA結合タンパク質から結合される残基とその結合相手・結合形式などをゲノム全体にアノテーションできる手法を構築する。これらは既存のアノテーションツールであるANNOVARやVEPなどで用いられるようにすることを目指している。このために、AlphaFoldDBの予測タンパク質構造についてもDNA・RNA結合構造の推定を行い、制御領域のバリアント解釈に利用できるデータを作成する。

研究成果

• [雑誌論文] Nuclear pore pathology underlying multisystem proteinopathy type 3‐related inclusion body myopathy (2023)
  • 著者名/発表者名: Izumi Rumiko、Ikeda Kensuke、Niihori Tetsuya、Suzuki Naoki、Shirota Matsuyuki、Funayama Ryo、Nakayama Keiko、Warita Hitoshi、Tateyama Maki、Aoki Yoko、Aoki Masashi
  • 雑誌名: Annals of Clinical and Translational Neurology 巻: 11 号: 3 ページ: 577-592
  • DOI: 10.1002/acn3.51977
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] jMorp: Japanese Multi-Omics Reference Panel update report 2023 (2023)
  • 著者名/発表者名: Tadaka Shu、Kawashima Junko、Hishinuma Eiji、Saito Sakae、Okamura Yasunobu、Otsuki Akihito、Kojima Kaname、Komaki Shohei、Aoki Yuichi、Kanno Takanari、Saigusa Daisuke、Inoue Jin、Shirota Matsuyuki et al.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 52 号: D1 ページ: D622-D632
  • DOI: 10.1093/nar/gkad978
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aurora A polyubiquitinates the BRCA1-interacting protein OLA1 to promote centrosome maturation (2023)
  • 著者名/発表者名: Fang Zhenzhou、Li Xingming、Yoshino Yuki、Suzuki Moe、Qi Huicheng、Murooka Hinari、Katakai Riko、Shirota Matsuyuki、Mai Pham Thi Anh、Matsuzawa Ayako、Otsuka Kei、Ishioka Chikashi、Mori Takahiro、Chiba Natsuko
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 8 ページ: 112850-112850
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112850
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neonatal developmental and epileptic encephalopathy with movement disorders and arthrogryposis: A case report with a novel missense variant of SCN1A (2023)
  • 著者名/発表者名: Okubo Y, Shibuya M, Nakamura H, Kawashima A, Kodama K, Endo W, Inui T, Togashi N, Aihara Y, Shirota M, Funayama R, Niihori T, Fujita A, Nakayama K, Aoki Y, Matsumoto N, Kure S, Kikuchi A, Haginoya K
  • 雑誌名: Brain Dev 巻: 45 号: 9 ページ: 505-511
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2023.06.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current status and future perspectives of the evaluation of missense variants by using three-dimensional structures of proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Shirota Matsuyuki、Kinoshita Kengo
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 19 号: 0 ページ: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v19.0023
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel variant in the transmembrane 4 domain of ANO3 identified in a two-year-old girl with developmental delay and tremor (2022)
  • 著者名/発表者名: Aihara Yu、Shirota Matsuyuki、Kikuchi Atsuo、Katata Yu、Abe Yu、Niihori Tetsuya、Funayama Ryo、Nakayama Keiko、Aoki Yoko、Kure Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Human Genetics 巻: 68 号: 1 ページ: 51-54
  • DOI: 10.1038/s10038-022-01082-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel<i>POLE</i>mutations identified in patients with IMAGE-I syndrome cause aberrant subcellular localisation and protein degradation in the nucleus (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakano Tomohiro、Sasahara Yoji、Kikuchi Atsuo、Moriya Kunihiko、Niizuma Hidetaka、Niihori Tetsuya、Shirota Matsuyuki、Funayama Ryo、Nakayama Keiko、Aoki Yoko、Kure Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Medical Genetics 巻: 59 号: 11 ページ: 1116-1122
  • DOI: 10.1136/jmedgenet-2021-108300
  • 査読あり
• [学会発表] Current status of the availability of three-dimensional structures for interpretation of missense variants in human genome (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuyuki Shirota
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会