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クロマチンリモデリングの実時空間イメージング

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 21H00247
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) 2021-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
2022年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2021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 / 1分子イメージング・ナノ計測 / 一分子計測・操作
研究開始時の研究の概要

本研究は、生命活動の根幹といえる遺伝子発現を分子レベルで解明することを目指し、応募者らがもつ世界屈指の高速原子間力顕微鏡(高速AFM)を用い、クロマチンリモデリングの瞬間をナノ空間・リアルタイムで撮影する。本研究により、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」の一部が可視化され、より詳細な作動機構が解明されると期待できる。クロマチンポテンシャルの実体を生体分子の1分子イメージングという観点からアプローチする本研究は、他に類のない研究と位置づけられる。

研究実績の概要

生命の根源ともいえる遺伝子発現制御には、クロマチンダイナミクスが重要である。しかし、クロマチンの基本単位であるヌクレオソームのナノ動態や、クロマチン制御因子群がヌクレオソーム上で起こす動的な構造変化をナノ空間、かつ、リアルタイムで直接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、ヌクレオソームのナノ動態を実時空間でイメージングし、ヌクレオソーム動態および、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を目的とする。
本年度は、ヒストンバリアントの一種であるH2A.Zを含むヌクレオソームに対して高速AFMを適用した。H2A.Zは、遺伝子の転写活性領域と抑制領域の両方に高度に集積すること,また,その遺伝子欠損マウスが,ほとんどが生存できないという実験事実から,生体内で非常に重要な役割をもつことが知られている。しかしながら,H2A.Zが遺伝子発現の制御に活性(プラス)にも抑制(マイナス)にもはたらく,その分子メカニズムはほとんど分かっていなかった。そこで本研究では,精製したH2A.ZとDNAをもとに,H2A.Zを含むヌクレオソームを試験管内で再構成し,その1秒以下のナノ動態を高速AFMを用いて直接可視化することを試みた。その結果,H2A.Zを含むヌクレオソームが,自発的に0.3秒以内の時間スケールでDNAに沿って移動すること(ヌクレオソームスライディング)を発見した。さらに,H2A.Zのアミノ酸残基を主要型であるH2Aのアミノ酸残基へ入れ替えた変異体を解析することで,H2A.ZのN末端に位置するアミノ酸残基がこのヌクレオソームスライディングに関与していることが分かった。本研究では,ヌクレオソームのダイナミクス観察という観点において,エピゲノムによる遺伝子発現制御の分子メカニズムの一端を明らかにした。本研究成果は、今後,遺伝子発現制御の分子メカニズムに対して新しい知見を提供することが期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (30件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (22件) (うち招待講演 14件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] High-Speed Atomic Force Microscopy Reveals Spontaneous Nucleosome Sliding of H2A.Z at the Subsecond Time Scale2023

    • 著者名/発表者名
      Morioka Shin、Sato Shoko、Horikoshi Naoki、Kujirai Tomoya、Tomita Takuya、Baba Yudai、Kakuta Takahiro、Ogoshi Tomoki、Puppulin Leonardo、Sumino Ayumi、Umeda Kenichi、Kodera Noriyuki、Kurumizaka Hitoshi、Shibata Mikihiro
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 号: 5 ページ: 1696-1704

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c04346

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamics of Target DNA Binding and Cleavage by Staphylococcus aureus Cas9 as Revealed by High-Speed Atomic Force Microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Puppulin Leonardo、Ishikawa Junichiro、Sumino Ayumi、Marchesi Arin、Flechsig Holger、Umeda Kenichi、Kodera Noriyuki、Nishimasu Hiroshi、Shibata Mikihiro
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 17 号: 5 ページ: 4629-4641

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c10709

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Designing receptor agonists with enhanced pharmacokinetics by grafting macrocyclic peptides into fragment crystallizable regions2022

    • 著者名/発表者名
      Sakai Katsuya、Sugano-Nakamura Nozomi、Mihara Emiko、Rojas-Chaverra Nichole Marcela、Watanabe Sayako、Sato Hiroki、Imamura Ryu、Voon Dominic Chih-Cheng、Sakai Itsuki、Yamasaki Chihiro、Tateno Chise、Shibata Mikihiro、Suga Hiroaki、Takagi Junichi、Matsumoto Kunio
    • 雑誌名

      Nature Biomedical Engineering

      巻: 7 号: 2 ページ: 164-176

    • DOI

      10.1038/s41551-022-00955-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Structural basis for channel conduction in the pump-like channelrhodopsin ChRmine.2022

    • 著者名/発表者名
      Koichiro E. Kishi et al.
    • 雑誌名

      Cell

      巻: 185 号: 4 ページ: 672-689

    • DOI

      10.1016/j.cell.2022.01.007

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Macrocyclic Peptide-Conjugated Tip for Fast and Selective Molecular Recognition Imaging by High-Speed Atomic Force Microscopy2021

    • 著者名/発表者名
      L. Pupplin, D. Kanayama, N. Terasaka, K. Sakai, N. Kodera, K. Umeda, A. Sumino, M. Arin, W. Wei, H. Tanaka, T. Fukuma, H. Suga, K. Matsumoto, M. Shibata
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 13(46) 号: 46 ページ: 54817-54829

    • DOI

      10.1021/acsami.1c17708

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] クロマチンリモデリングの実時空間イメージング2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      新学術領域研究「クロマチン潜在能」第5回領域会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるヌクレオソームの1 分子ナノ動態撮影2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第78回学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるヒストンバリアントのナノ動態観察2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      第15回日本エピジェネティクス研究会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いた1分子ナノ生命科学2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      第39回分子病理学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] タンパク質の構造変化をリアルタイムかつナノスケールで可視化する2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験との密な協働」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 原子間力顕微鏡が切り拓くナノ生命科学2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      がん研究早期体験プログラム がん研EEP 授業編『生命科学・医学研究の最先端と未来』
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速AFMによるタンパク質複合体のナノ動態・機能相関の解明2022

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      名工大セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Application of high-speed atomic force microscopy to Nano life science2022

    • 著者名/発表者名
      Mikihiro Shibata
    • 学会等名
      ナノ精密医学・理工学卓越大学院プログラム プレプログラム,
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] High-speed atomic force microscopy (HS-AFM) for cancer research2022

    • 著者名/発表者名
      Mikihiro Shibata
    • 学会等名
      第81回日本癌学会学術総会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Oligomeric states of microbial rhodopsins in lipid bilayer determined by high-speed atomic force microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Mikihiro Shibata and Takayuki Uchihashi
    • 学会等名
      19th International Conference on Retinal Proteins
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Correlation between function and mobility of protein complex revealed by HS-AFM2022

    • 著者名/発表者名
      Mikihiro Shibata
    • 学会等名
      NanoLSI第6回国際シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Direct imaging of spontaneous sliding along DNA of H2A.Z.1 nucleosome by high-speed atomic force microscopy.2022

    • 著者名/発表者名
      森岡 新, 佐藤祥子, 堀越直樹, 鯨井智也, 胡桃坂仁志, 柴田幹大
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Target DNA binding dynamics of Staphylococcus aureus Cas9 as revealed by high-speed atomic force microscopy.2022

    • 著者名/発表者名
      Leonardo Puppulin, Junichiro Ishikawa, Hiroshi Nishimasu, Mikihiro Shibata
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるFnCas9の機能動態解析2022

    • 著者名/発表者名
      塚田秀明, 柴田幹大
    • 学会等名
      R4年度生物物理学会中部支部講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いたCaMKIIβの動態解析2022

    • 著者名/発表者名
      松島啓介, 村越秀治, 柴田幹大
    • 学会等名
      R4年度生物物理学会中部支部講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Cyro-EM structural analysis of pump-like channelrhodopsin ChRmine and structure guided engineering.2022

    • 著者名/発表者名
      Koichiro E. Kishi et al.
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] クロマチンリモデリングの実時空間イメージング2021

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      新学術領域研究「クロマチン潜在能」第4回領域会議
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Visualizing single-molecule dynamics of protein complexes by high-speed AFM.2021

    • 著者名/発表者名
      Mikihiro Shibata
    • 学会等名
      「全原子・粗視化分子動力学による細胞内分子動態の解明」ウェブセミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による膜中TRPV1 チャネルの動態観察2021

    • 著者名/発表者名
      向 大地, Yimeng Zhao, 柴田幹大, 服部素之, 角野 歩
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Structural dynamics of the cytoplasmic domain of transient receptor potential vanilloid1(TRPV1) in lipid bilayer observed by high speed atomic force microscopy (HS-AFM).2021

    • 著者名/発表者名
      向 大地, Yimeng Zhao, 柴田幹大, 服部素之, 角野 歩
    • 学会等名
      第44回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ヒストンバリアントH2A.Bによるヌクレオソーム構造変化が転写に与える影響の解明2021

    • 著者名/発表者名
      赤津綜隆, 平野里奈, 柴田幹大, 鯨井智也, 滝沢由政, 江原晴彦, 関根俊一, 胡桃坂仁志
    • 学会等名
      第39回染色体ワークショップ・第20回核ダイナミクス研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高速AFMによる記憶分子CaMKIIの構造ダイナミクス観察2021

    • 著者名/発表者名
      柴田幹大
    • 学会等名
      ブルカージャパン表面計測事業部主催【第2回】高速AFMオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 柴田幹大研究室

    • URL

      https://bioafminfi.w3.kanazawa-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] ヌクレオソームが1秒以内にDNA上をスライディング

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/highlights/24964/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] Research highlight

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2023-12-25  

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