ヌクレオソーム動態のモダリティ

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ＤＮＡの物性から理解するゲノムモダリティ
• 研究課題/領域番号: 20H05936
• 研究機関: 国立遺伝学研究所
• 研究代表者: 前島 一博 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (00392118)
• 研究分担者: 日比野 佳代 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 助教 (40435673) ; 杉山 弘 京都大学, 高等研究院, 研究員 (50183843) ; 谷口 雄一 京都大学, 高等研究院, 教授 (90556276)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: ヌクレオソーム / クロマチン / 超解像顕微鏡 / ゲノミクス解析 / 原子間力顕微鏡

研究実績の概要

本計画研究では、1分子蛍光イメージング(前島・日比野)、ゲノムHi-CO解析(谷口)、高速AFM・DNA配列結合ポリアミドPIP(杉山)を用いて、ゲノムの構造単位で あるヌクレオソームレベルでのクロマチン構造と動態の観点から、ゲノムモダリティを理解することを目的とする。2022年度、計画代表者前島らは、ヒト生細胞において、発現させたH2B-HaloTagを介してヌクレオソームを非常にまばらに蛍光ラベルし、斜光照明顕微鏡法で単一ヌクレオソームの動態を検出した。そして間期クロマチンの細胞周期におけるヌクレオソームの局所的なゆらぎを観察した。間期ではDNAの量は二倍になり、DNAを収納する核の大きさも二倍以上になる。これまで、このような核内の環境の変化は、クロマチンの動きに大きな影響を与えるとされてきた。しかし本研究によってヌクレオソームのゆらぎの程度は、DNAの量や核の大きさの変化に影響されず、間期でほぼ一定であることを示した（Iida et al. Science Adv.2022）。つぎに代表者前島、分担者日比野らは細胞分裂期の進行に伴うヌクレオソームの局所動態を解析した。これにより、染色体凝縮の進行に伴うクロマチンの物性変化をヌクレオソームの１分子の動きの変化として直接的にとらえた。分担者杉山らはDNAオリガミ法で作成したDNAフレーム中に再構成させたヌクレオソームを配置し、その運動性について高速原子間力顕微鏡で解析した。また配列選択的結合分子であるシリコンローダミンで修飾したピロールイミダゾールポリアミドタンデム４量体を合成し、正細胞において染色体のテロメア領域を近赤外領域で観察した。分担者谷口らは試験管再構成により構築したヌクレオソーム鎖の３次元構造解析の実現を目指し、ヒストン等の必要タンパク質の精製を行うと共に、再構成産物を得るためのプロトコルの構築を進めた。

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

概ね計画通りに進行したため。

今後の研究の推進方策

計画代表者前島は、ユークロマチンドメインの実体に迫るため、2色の蛍光色素を用いてユークロマチン内の近接した２つのヌクレオソームの動きを同時に観察・比較する。日比野らは１分子・超解像顕微鏡法とタンパク質迅速除去法（AID法）を組み合わせ、コンデンシンIやコンデンシンII，更にはKi67を個別に除去した状態で、ヌクレオソーム動態を１分子計測する。杉山らはピロールーイミダゾールポリアミド（PIP)とDNADNAフレームを用いて遺伝子発現制御について解析を進める。谷口らは試験管再構成により構築したヌクレオソーム鎖の構造解析を行うのに必要な高純度の再構成産物を得るため、生化学条件のさらなる最適化を行うと共に、計算シミュレーションに基づく構造計算法の開発を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Substitution to hydrophobic linker and formation of host-guest complex enhanced the effect of synthetic transcription factor made of pyrrole-imidazole polyamide (2023)
  • 著者名/発表者名: Hatanaka Junnosuke、Hashiya Kaori、Bando Toshikazu、Sugiyama Hiroshi
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry 巻: 81 ページ: 117208～117208
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2023.117208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] RNA G-quadruplex organizes stress granule assembly through DNAPTP6 in neurons (2023)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu Sefan、Yabuki Yasushi、Matsuo Kazuya、Kawasaki Moe、Hirose Yuki、Kashiwazaki Gengo、Chandran Anandhakumar、Bando Toshikazu、Wang Dan Ohtan、Sugiyama Hiroshi、Shioda Norifumi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade2035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mitochondria and G-quadruplex evolution: an intertwined relationship (2023)
  • 著者名/発表者名: Sahayasheela Vinodh J.、Yu Zutao、Hidaka Takuya、Pandian Ganesh N.、Sugiyama Hiroshi
  • 雑誌名: Trends in Genetics 巻: 39 ページ: 15～30
  • DOI: 10.1016/j.tig.2022.10.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chromatin organization and DNA damage. The Enzymes Volume LI: DNA damage and double strand breaks (2022)
  • 著者名/発表者名: Minami, K., Iida, S., Maeshima, K.
  • 雑誌名: Academic Press/Elsevier 巻: Chapter 3 ページ: 29-51
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Editorial: Emerging concepts and tools in genome organization and chromatin function in eukaryotes (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima Kazuhiro、Meshorer Eran
  • 雑誌名: Current Opinion in Cell Biology 巻: 78 ページ: 102120～102120
  • DOI: 10.1016/j.ceb.2022.102120
  • 国際共著
• [雑誌論文] A phase transition for chromosome transmission when cells divide (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima Kazuhiro
  • 雑誌名: Nature 巻: 609 ページ: 35～36
  • DOI: 10.1038/d41586-022-01925-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chromatin behavior in living cells: Lessons from single‐nucleosome imaging and tracking (2022)
  • 著者名/発表者名: Ide Satoru、Tamura Sachiko、Maeshima Kazuhiro
  • 雑誌名: BioEssays 巻: 44 ページ: 2200043
  • DOI: 10.1002/bies.202200043
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-nucleosome imaging reveals steady-state motion of interphase chromatin in living human cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Iida Shiori、Shinkai Soya、Itoh Yuji、Tamura Sachiko、Kanemaki Masato T.、Onami Shuichi、Maeshima Kazuhiro
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: eabn5626
  • DOI: 10.1126/sciadv.abn5626
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Twelve Colors of Streptavidin-Fluorescent Proteins (SA-FPs): A Versatile Tool to Visualize Genetic Information in Single-Molecule DNA (2022)
  • 著者名/発表者名: Jin Yu、Bae Jaeyoung、Kim Tehee Yurie、Hwang Hyeseung、Kim Taesoo、Yu Myungheon、Oh Hyesoo、Hashiya Kaori、Bando Toshikazu、Sugiyama Hiroshi、Jo Kyubong
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 94 ページ: 16927～16935
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c04344
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Zeptoliter DNA Origami Reactor to Reveal Cosolute Effects on Nanoconfined G-Quadruplexes (2022)
  • 著者名/発表者名: Pandey Shankar、Jonchhe Sagun、Mishra Shubham、Emura Tomoko、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki、Mao Hanbin
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 13 ページ: 8692～8698
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c02253
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chlorambucil-conjugated PI-polyamides (Chb-M’), a transcription inhibitor of RUNX family, has an anti-tumor activity against SHH-type medulloblastoma with p53 mutation (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsui Yasuzumi、Mineharu Yohei、Noguchi Yuki、Hattori Etsuko Yamamoto、Kubota Hirohito、Hirata Masahiro、Miyamoto Susumu、Sugiyama Hiroshi、Arakawa Yoshiki、Kamikubo Yasuhiko
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 620 ページ: 150～157
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.06.090
  • 査読あり
• [雑誌論文] A RUNX-targeted gene switch-off approach modulates the BIRC5/PIF1-p21 pathway and reduces glioblastoma growth in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Etsuko Yamamoto Hattori, Tatsuya Masuda, Yohei Mineharu, Masamitsu Mikami, Yukinori Terada, Yasuzumi Matsui, Hirohito Kubota, Hidemasa Matsuo, Masahiro Hirata, Tatsuki R. Kataoka, Tatsutoshi Nakahata, Shuji Ikeda, Susumu Miyamoto, Hiroshi Sugiyama, Yoshiki Arakawa & Yasuhiko Kamikubo
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 ページ: 939
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] N‐terminal Cationic Modification of Linear Pyrrole‐Imidazole Polyamide Improves Its Binding to DNA (2022)
  • 著者名/発表者名: Hatanaka Junnosuke、Hirose Yuki、Hashiya Kaori、Bando Toshikazu、Sugiyama Hiroshi
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 23 ページ: e202200124,
  • DOI: 10.1002/cbic.202200124
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An informatics approach to distinguish RNA modifications in nanopore direct RNA sequencing (2022)
  • 著者名/発表者名: Ramasamy Soundhar、Mishra Shubham、Sharma Surbhi、Parimalam Sangamithirai Subramanian、Vaijayanthi Thangavel、Fujita Yoto、Kovi Basavaraj、Sugiyama Hiroshi、Pandian Ganesh N.
  • 雑誌名: Genomics 巻: 114 ページ: 110372～110372
  • DOI: 10.1016/j.ygeno.2022.110372
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Chromatin behavior during interphase and mitosis revealed by single-nucleosome imaging. (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima K.
  • 学会等名: ENS
  • 国際学会
• [学会発表] Liquid-like domain organization of early DNA replication regions in living human cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima K.
  • 学会等名: NIG International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Chromatin behavior in living cells revealed by single-nucleosome imaging/tracking. (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima K.
  • 学会等名: FASEB The Transcription, Chromatin, and Epigenetics in Aging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Chromatin Behavior in Living Human Cells Revealed by Single-nucleosome Imaging/Tracking. (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeshima K.
  • 学会等名: Japan-UK Regulation through Chromatin Conference 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single molecule imaging sheds light on the mechanism of the human chromosome condensation. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hibino, K.
  • 学会等名: East Asian Single-Molecule Biophysics Symposium,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single nucleosome imaging during human chromosome condensation. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hibino, K.
  • 学会等名: 44th Indian Biophysical Society Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi, Y.
  • 学会等名: HUST lecture, Huazhong University of Science and Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi, Y.
  • 学会等名: 15th Asia-Pacific Physics Conference
  • 国際学会 / 招待講演