クロマチン動態の実時空間イメージング

• 研究領域: 遺伝子制御の基盤となるクロマチンポテンシャル
• 研究課題/領域番号: 19H05257
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 柴田 幹大 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 教授 (80631027)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: １分子イメージング・ナノ計測 / クロマチン動態 / 超分子複合体 / バイオイメージング / １分子計測・操作 / 一分子計測・操作

研究開始時の研究の概要

本研究は、生命活動の根源である遺伝子発現を分子レベルで解明することを目的とし、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いて、クロマチン動態のナノ空間・リアルタイム撮影を試みる。本研究は、当該領域が掲げる、クロマチン構造が潜在的に持つ遺伝子発現制御能力「クロマチンポテンシャル」の実体を可視化することできる。具体的には、①ヒストンの翻訳後修飾を制御するヒストンメチル化酵素とクロマチンの動態、②クロマチンリモデリング複合体によるクロマチン構造の大規模な構造変化、③クロマチン構造が凝集するヘテロクロマチン形成過程を動画撮影し、クロマチン動態、および、その関連タンパク質の分子作動メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

生命の根源である遺伝子発現には、クロマチン動態が重要な役割を果たすと考えられている。しかしながら、クロマチン動態や、その制御因子群がクロマチン上で起こす動的構造変化をナノ空間かつ、リアルタイムで可視化し解析した例はない。本研究は、高速原子間力顕微鏡（以下、高速AFM）を用い、クロマチンのナノ動態の実時空間イメージングを試み、クロマチン動態および、その関連タンパク質の分子作動機構を明らかにすることが目的である。最終年度は、初年度で得た高速AFM基板条件を用い（１）ATP依存性クロマチンリモデリング複合体（SNF2H）の高速AFM観察を行った。試験管内で、あらかじめSNF2Hとヌクレオソームを結合させ、ATP非存在下で高速AFM観察を行った。しかし、SNF2Hとヌクレオソームが結合した複合体は観察されなかった。次に、高速AFM観察中にATPをバッファー内に添加し、リモデリング反応を開始させた。その結果、数回の観察例ではあるが、ヌクレオソームの近傍にSNF2Hが存在し、ヌクレオソームのヒストンコアの位置が変わる様子（再配列）を可視化することができた。この時、SNF2Hとヌクレオソームはタイトに結合するわけではなく、数nm程度離れた場所でSNF2Hのひも状ドメインがヒストンコアに作用する様子が見られた。（２）領域内共同研究（胡桃坂計画班）として、H2AヒストンバリアントであるH2A.Bを含むヌクレオソームの高速AFM観察を行い、H2A.B-H2BダイマーがH2A-H2Bダイマーと自発的に交換する分子メカニズムの解明を行った。通常型のヒストンで構成されたヌクレオソームとH2A.Bヒストンバリアントを含むヒストンで構成されたヌクレオソームを比較すると、ヌクレオソーム構造が大きく異なり、開いた構造をとることを発見し、H2A.Bヒストンバリアントの自己交換反応のモデルを提唱した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Philipps-University Marburg(ドイツ)
• [雑誌論文] Histone variant H2A.B-H2B dimers are spontaneously exchanged with canonical H2A-H2B in the nucleosome (2021)
  • 著者名/発表者名: Rina Hirano, Yasuhiro Arimura, Tomoya Kujirai, Mikihiro Shibata, Aya Okuda, Ken Morishima, Rintaro Inoue, Masaaki Sugiyama, Hitoshi Kurumizaka
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01707-z
  • NAID: 120006960298
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Applicability of Styrene-Maleic Acid Copolymer for Two Microbial Rhodopsins, RxR and HsSRI. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Ueta, Keiichi Kojima, Tomoya Hino, Mikihiro Shibata, Shingo Nagano, Yuki Sudo*
  • 雑誌名: Biophysical journal 巻: 119 号: 9 ページ: 1760-1770
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.09.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macrocyclic peptide-based inhibition and imaging of hepatocyte growth factor. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai K, Passioura T, Sato H, Ito K, Furuhashi H, Umitsu M, Takagi J, Kato Y, Mukai H, Warashina S, Zouda M, Watanabe Y, Yano S, Shibata M, Suga H, Matsumoto K
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 15 号: 6 ページ: 598-606
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0285-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystal structure of heliorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, T. Izume, Okazaki S, Hashimoto M, Mizutori R, Tomida S, Yamauchi Y, Abe-Yoshizumi R, K. Katayama, SP. Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Béjà, T. Uchihashi, H. Kandori, O. Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 574 号: 7776 ページ: 132-136
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1604-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 高速AFMを用いたCaMKII多量体のCa2+信号積算メカニズムの解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大, 村越秀治
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会 第46回討論会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による柔軟なタンパク質動態のナノスケール撮影 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 高速 AFM によるハブ毒液由来脂質分解酵素 PLA2の膜認識機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 神谷孫斗, 柴田幹大, 上田直子, 角野歩
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Signal integration mechanism of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II revealed by High-speed AFM. (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata and Hideji Murakoshi
  • 学会等名: BPS2020 64th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Nano-scale imaging of biological samples using High-speed Atomic Force Microscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: LIIF2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるクロマチン動態のナノスケール観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 第２回クロマチン潜在能領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] Visualizing flexibility in protein structures by high-speed atomic force microscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy visualization of protein flexibility in action. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: Joint UBI-NanoLSI workshop TRENDS IN MOLECULAR BIOPHYSICS OF LIVING CELLS
  • 招待講演
• [学会発表] Physicochemical properties of the microbial rhodopsin RxR in the membrane-mimicking molecule styrene maleic acid (SMA) copolymer. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Ueta, Keiichi Kojima, Tomoya Hino, Mikihiro Shibata, Shingo Nagano & Yuki Sudo
  • 学会等名: 第11回日本生物物理学会 中国四国支部大会
• [学会発表] Structure and biophysical characterization of the heliorhodopsin. (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, S. Okazaki, T. Izume, M. Hashimoto, R. Mizutori, S. Tomida, Y. Yamauchi, R. Abe-Yoshizumi, K. Katayama, S. P.Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Beja, T. Uchihashi, H. Kandori and O. Nureki
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
• [学会発表] Application of drift elimination method for high-speed AFM images. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shotaro Tsujioka, Hideji Murakoshi, and Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
• [学会発表] Mapping of mechanical property on live cell surface by scanning ion conductance microscope. (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoko Kitazawa, Linhao Sun, Ayako Housaka, Takahiro Watanabe-Nakayama, Hiroki Konno, Mikihiro Shibata, and Shinji Watanabe
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会