| 研究領域 | ＤＮＡの物性から理解するゲノムモダリティ |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05765
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅲ)
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
横田 宏 国立研究開発法人理化学研究所, 数理創造プログラム, 特別研究員 (10846356)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | 染色体凝縮 / 粗視化分子動力学シミュレーション / 核様体 / 生物物理 / クロマチン / 染色体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
染色体とは、細胞分裂の際に、クロマチンが連続したループ構造を作ることで、棒状に凝縮した物質である。染色体凝縮の機構として、染色体凝縮に必須なタンパク質であるコンデンシンがクロマチンに付着し、押し出すことで連続したループを作る機構 (loop extrusion mechanism)が支持されている。しかし、この機構だけで染色体凝縮のメカニズムすべての説明はまだできない。一方、クロマチンに含まれるねじれの構造 (twistやsupercoilなどの構造)は非線形な力学応答を導く。本研究では、これらの機構を組み合わせた力学モデルを構築し、染色体凝縮の際にねじれ構造が及ぼす影響を理解する。
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| 研究実績の概要 |
染色体内のクロマチンループを作るコンデンシンは、ループを作るだけではなくDNAの中心軸自体がねじれた構造 (スーパーコイル構造)をも取り入れる。このスーパーコイル形成の染色体に対する影響は未解明問題の一つである。
染色体凝縮に対するスーパーコイル生成の影響を調べるため、R3年度に構築したtwistと曲げの弾性を取り入れた力学モデルに基づき、ねじれ変形を取り入れたループ生成のシミュレーションを行った。ここでは、モデル高分子をねじる速度や鎖の端点間距離をパラメータとして、これらを変化させながらシミュレーションを行った。
その結果、モデル高分子をねじる速度が速いほど、そして端点間距離が小さいほど、スーパーコイルが生成しやすいことが明らかとなった。また、スーパーコイルは、ループの外側を巻き込み、ループ全体が回転することで、生成する。そのため、正味のループの大きさは、ねじれなしで生成したループより大きくなることが明らかとなった。
また、ねじれが重要となる現象として、葉緑体内のcircular DNAの凝集体 (核様体)の振る舞いが挙げられる。京都大学 西村芳樹 助教のグループが、葉緑体内の核様体はスーパーコイルしたDNAを多く含むことと細胞分裂時にはDNAのボンドを切断することが必須であることを示した。さらに、核様体凝縮に比べて、分散の特徴時間が数倍長いことを見いだしている。 そこで、twist変形とボンド切断を取り入れたシミュレーションをR3年度で構築したモデルDNAを用いて行った。さらに、モデルDNAのtwistの巻き数 Twとwritheの巻き数Wrそれぞれの時間発展を計算した。その結果、特徴時間の違いは、トポロジカル不変量であるTw + Wr (=Lk)が保存/非保存時における物理の違いであることを明らかにした。
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| 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。
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| 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。
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