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ヒストン修飾のダイナミクスが誘起するクロマチンブラシの相分離と転写ダイナミクス

公募研究

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 19H05259
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
研究機関北海道大学

研究代表者

山本 哲也  北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (40610027)

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 *注記
1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
キーワード酵素反応ダイナミクス / クロマチン / 相分離 / パラスペックル / 転写ダイナミクス / 高分子ブラシ / ヒストン修飾のダイナミクス / クロマチンブラシ
研究開始時の研究の概要

未分化の細胞のクロマチンは一様であるが、分化細胞のクロマチンでは、相転移の間の流体のように、ヌクレオソーム濃度の大きいヘテロクロマチン領域とヌクレオソーム濃度の小さいユークロマチン領域が共存した状態になっている。本研究では、アセチル化とメチル化の酵素反応ダイナミクスの時間スケールが分離している場合に、ヒストン修飾が転写ダイナミクスの履歴を反映することに注目し、クロマチンの相分離と転写制御の物理的機構を理論的に明らかにする。

研究実績の概要

発生初期の核は、比較的密度の低い一様なクロマチン構造を形成するが、何回か細胞分裂を経ると、密度の高いクロマチン領域が形成されるようになる。今年度の研究では、ヒストンテイルの翻訳語修飾の酵素反応ダイナミクスを考慮に入れて、クロマチンの相分離のモデルを構築した。酵素反応は、転写活性を示す修飾(アセチル化)と転写不活性を示す修飾(メチル化)の二種類を考慮に入れ、ミカエリスーメンテン則を用いて扱った。酵素をクロマチンに結合する因子がクロマチンの相分離をエンハンスするという最近の実験があるため、酵素とクロマチンの結合エネルギーとクロマチンの密度を変えて、クロマチン状態の解析を行い、結合エネルギーとクロマチン密度が比較的高いときに相分離が起こることを示唆する結果を得た。アセチル化したヒストンにはメチル化酵素が結合することができず、メチル化したヒストンにはアセチル化酵素が結合することができないという反相関が相分離の原因となることを明らかにした(Yamamoto, Sakaue, and Schiessel, bioRxiv, 10.1101/2020.11.30.405134)。
新学術領域で初めて会った山崎智弘講師との共同研究を開始した。核内構造体の多くは、arcRNAと呼ばれるRNAとRNA結合タンパク質の複合体によって形成されている。転写サイトでRNAが一定レートで形成されるダイナミクスを考慮に入れて、高分子溶液の理論であるFlory-Huggins理論を拡張し、相分離構造体形成の理論を構築した。この理論によって予言される凝集体は無秩序な液体であるが、山崎講師が研究されているパラスペックルは、arcRNAの両末端がシェル部を形成し、中央部がコア部を形成するようなコアーシェル構造を形成する。この構造とブロック共重合体ミセルとの類似性を利用して、パラスペックル形成の理論を構築した。

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。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (4件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (1件)

  • [国際共同研究] CNRS/AMMICA(フランス)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Paraspeckles are constructed as block copolymer micelles through microphase separation2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Yamazaki, Tetsuya Yamamoto, Hyura Yoshino, Sylvie Souquere, Shinichi Nakagawa, Gerard Pierron, and Tetsuro Hirose
    • 雑誌名

      EMBO Journal

      巻: -

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Phase separation driven by production of architectural RNA transcripts.2020

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Yamamoto, Tomohiro Yamazaki, Tetsuro Hirose
    • 雑誌名

      Soft matter

      巻: 16 号: 19 ページ: 4692-4698

    • DOI

      10.1039/c9sm02458a

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Phase separation driven by the production dynamics of architectural RNA transcripts2020

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Yamamoto, Tomohiro Yamazaki, and Tetsuro Hirose
    • 学会等名
      第43回日本分子生物学会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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