再構成ヌクレオソームを用いた動的クロマチン構造の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 動的クロマチン構造と機能
• 研究課題/領域番号: 25116002
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 胡桃坂 仁志 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80300870)
• 研究分担者: 堀 哲也 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (70550078)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 染色体構築・機能・分配 / 遺伝情報複製・再編 / ゲノム多様性 / ゲノム進化・再編 / ゲノム機能 / 活性発現の分子機構 / 生体高分子構造・機能 / 構造活性相関

研究実績の概要

さまざまな生物種由来のヒストンバリアントや修飾ヒストン、損傷DNA、リンカーヒストンおよびクロマチン結合因子などを含むヌクレオソームの、生化学的、構造生物学的、物理化学的、細胞生物学的解析を行うことにより、それらの機能メカニズムについての新たな知見を多数得た。1) ヌクレオソームが、相同組換え過程における相同鎖検索に及ぼす影響を解析し、減数分裂期特異的相同組換えタンパク質DMC1が、ヌクレオソームの存在しない領域を選択的に標的とする事を明らかにした。２）転写開始点に形成される、H2AとH2A.Zを１分子ずつ含む、ヘテロヌクレオソームの結晶構造を明らかにし、H2A.ZのL1領域がヘテロヌクレオソームに特徴的な構造を形成する事を見出した。３）H2BおよびH4のユビキチン化がヌクレオソームおよびポリヌクレオソームの構造に及ぼす影響を解析し、ユビキチン化によってクロマチンが広がった高次構造を形成する事を明らかにした。４）転写開始点近傍に局在するH3.Yヌクレオソームの生化学的解析、X線結晶構造解析によって、H3.Yヌクレオソームが通常のヌクレオソームよりも安定である一方で、DNAの末端が広がった動的な構造を形成する事を明らかにした。５）分裂酵母のヌクレオソームがヒトのヌクレオソームよりも不安定である事を生化学解析によって明らかにした。６）マウスの精子形成に必須なH3tを含むヌクレオソームの立体構造とその性質を明らかにした。７）塩基除去修復の過程やDNA損傷によって形成される、APサイトを含んだヌクレオソームの立体構造を明らかにし、損傷部位のDNAバックボーンがヌクレオソームから飛び出した“インチワーム構造”形成する事を発見した。さらに分担者の堀は、セントロメア位置の継承基盤について細胞生物学的解析を行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度も様々なヌクレオソームを試験管内で再構成し、その立体構造を明らかにしてきた。具体例として、H2AとH2A.Zを１分子ずつ含むヘテロヌクレオソーム、H2BとH4のユビキチン化を含むヌクレオソーム、H3.Yヌクレオソーム、マウスH3tヌクレオソーム、DNA損傷APサイトを含んだヌクレオソームのX線結晶構造解析に成功し、その立体構造を解明し、その成果を論文にて報告した。
これらの構造を明らかにした際に、いくつかの予測外の新発見をした。たとえば、APサイトを含んだヌクレオソーム中では、DNAのリン酸骨格が大きく湾曲した構造が形成されることが明らかになり、この構造を“インチワーム構造”と命名した。これまでのX線結晶構造解析の歴史において、このようにDNAのリン酸骨格が湾曲した構造は例がない。インチワーム構造が損傷DNAの認識にどのような影響を与えるのか、今後の解析が期待される。また、H2AとH2A.Zを１分子ずつ含むヘテロヌクレオソーム構造解析からは、H2A.ZのL1領域がこのヘテロヌクレオソームに特異的な構造を形成する事を発見した。
さらに、クライオ電子顕微鏡解析にも着手して解析手法を確立しており、巨大なクロマチン複合体の立体構造解析する基盤が整った。これらの成果は、当初の計画を大きく上回るものであり、本年度は計画以上に研究が進展したと評価できる。

今後の研究の推進方策

これまで引き続き、ヒストンバリアントやヒストン翻訳後修飾、ヌクレオソーム結合タンパク質の機能を明らかにするために、試験管内再構成ヌクレオソームの立体構造や物理化学的性質、生化学的機能を解析する。さらに、以下の研究を推進する。
クロマチンやヌクレオソームはヘテロクロマチン形成やクロマチンリモデリングの過程でダイナミックにその構造を変換させる事で、転写制御等の機能を発揮する。来年度以降はヘテロクロマチンの構造を明らかにするために、ヘテロクロマチンタンパク質が結合したヌクレオソームの立体構造や物理化学的性質とその機能を解析する。さらに、クロマチンリモデリングの中間体として形成されるオーバーラッピングダイヌクレオソームについても立体構造や物理化学的性質、生理学的機能を解析する。
さらに、ヌクレオソーム中の配列を転写因子が認識するメカニズムを明らかにするために、転写因子の結合配列を含むヌクレオソームを再構成し、転写因子が結合したヌクレオソーム複合体の立体構造や、認識配列のヌクレオソーム中の位置による転写因子結合の制御について解析する。
また、これまでに我々は、ヒトのヒストンバリアントを中心にヌクレオソームの立体構造や物理化学的性質、生理学的機能を明らかにしてきた。一方で、モデル生物や寄生虫等に関しては、そのヌクレオソーム構造の解明が生物学の進展や医療応用に大きな意味合いを持つにも関わらず、研究がなされていない。本年度までに出芽酵母や分裂酵母、マラリア原虫のなどのヒストンの調製方法を確立しており、今後は、モデル生物や寄生虫等のヌクレオソームの立体構造や物理化学的性質、生理学的機能についても研究を推進する。

研究成果

• [国際共同研究] Institute for Advanced Bioscience(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institute for Advanced Bioscience
• [国際共同研究] フリードリッヒ・ミーシャ研究所(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: フリードリッヒ・ミーシャ研究所
• [雑誌論文] Xeroderma pigmentosum group C protein interacts with histones: regulation by acetylated states of histone H3. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kakumu E, Nakanishi S, Shiratori HM, Kato A, Kobayashi W, Machida S, Yasuda T, Adachi N, Saito N, Ikura T, Kurumizaka H, Kimura H, Yokoi M, Sakai W, Sugasawa K.
  • 雑誌名: Genes Cells. 巻: 3 ページ: 310-327
  • DOI: 10.1111/gtc.12479.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Polymorphism of apyrimidinic DNA structures in the nucleosome. (2017)
  • 著者名/発表者名: Osakabe A, Arimura Y, Matsumoto S, Horikoshi N, Sugasawa K, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 ページ: 41783
  • DOI: 10.1038/srep41783.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of the amino acid residues responsible for stable nucleosome formation by histone H3.Y. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kujirai T, Horikoshi N, Xie Y, Taguchi H, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Nucleus. 巻: - ページ: 1-10
  • DOI: 10.1080/19491034.2016.1277303.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Testis-Specific Histone Variant H3t Gene Is Essential for Entry into Spermatogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueda J, Harada A, Urahama T, Machida S, Maehara K, Hada M, Makino Y, Nogami J, Horikoshi N, Osakabe A, Taguchi H, Tanaka H, Tachiwana H, Yao T, Yamada M, Iwamoto T, Isotani A, Ikawa M, Tachibana T, Okada Y, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H, Yamagata K.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 18 ページ: 593-600
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.065.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In vitro reconstitution and biochemical analyses of the Schizosaccharomyces pombe nucleosome (2017)
  • 著者名/発表者名: Koyama M, Nagakura W, Tanaka H, Kujirai T, Chikashige Y, Haraguchi T, Hiraoka Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: 482 ページ: 896-901
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.11.130.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of polynucleosome preparation methods on sedimentation velocity analysis of chromatin. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kujirai T, Machida S, Osakabe A, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: J. Biochem. 巻: 161 ページ: 381-388
  • DOI: 10.1093/jb/mvw081
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Constitutive centromere-associated network controls centromere drift in vertebrate cells. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hori T, Kagawa N, Toyoda A, Fujiyama A, Misu S, Monma N, Makino F, Ikeo K, Fukagawa T.
  • 雑誌名: J Cell Biol. 巻: 216 ページ: 101-113
  • DOI: 10.1083/jcb.201605001.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Genetically Encoded Probe for Live-Cell Imaging of H4K20 Monomethylation (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato Y, Kujirai T, Arai R, Asakawa H, Ohtsuki C, Horikoshi N, Yamagata K, Ueda J, Nagase T, Haraguchi T, Hiraoka Y, Kimura A, Kurumizaka H, Kimura H.
  • 雑誌名: J Mol Biol. 巻: 428 ページ: 3885-3902
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2016.08.010.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure of the human DNA-repair protein RAD52 containing surface mutations (2016)
  • 著者名/発表者名: Saotome M, Saito K, Onodera K, Kurumizaka H, Kagawa W.
  • 雑誌名: Acta Crystallogr F Struct Biol Commun. 巻: 72 ページ: 598-603
  • DOI: 10.1107/S2053230X1601027X.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Flexible Ends of CENP-A Nucleosome Are Required for Mitotic Fidelity (2016)
  • 著者名/発表者名: Roulland Y, Ouararhni K, Naidenov M, Ramos L, Shuaib M, Syed SH, Lone IN, Boopathi R, Fontaine E, Papai G, Tachiwana H, Gautier T, Skoufias D, Padmanabhan K, Bednar J, Kurumizaka H, Schultz P, Angelov D, Hamiche A, Dimitrov S.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: 63 ページ: 674-685
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2016.06.023
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure and function of human histone H3.Y nucleosome (2016)
  • 著者名/発表者名: Kujirai T, Horikoshi N, Sato K, Maehara K, Machida S, Osakabe A, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 44 ページ: 6127-6141
  • DOI: 10.1093/nar/gkw202.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural and biochemical analyses of monoubiquitinated human histones H2B and H4 (2016)
  • 著者名/発表者名: Machida S, Sekine S, Nishiyama Y, Horikoshi N, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Open Biol. 巻: 6 ページ: 160090
  • DOI: 10.1098/rsob.160090.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystal structures of heterotypic nucleosomes containing histones H2A.Z and H2A (2016)
  • 著者名/発表者名: Horikoshi N, Arimura Y, Taguchi H, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Open Biol. 巻: 6 ページ: 160127
  • DOI: 10.1098/rsob.160127
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chromatin architecture may dictate the target site for DMC1, but not for RAD51, during homologous pairing (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi W, Takaku M, Machida S, Tachiwana H, Maehara K, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Sci. Rep 巻: 6 ページ: 24228
  • DOI: 10.1038/srep24228
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Structural basis of epigenetic chromatin regulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: The 5th International Symposium of the Mathematics on Chromatin Dynamics
  • 発表場所: 広島
  • 年月日: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クライオ電験とX線結晶構造解析によるクロマチン高次構造とダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: よこはまNMR研究会 第56回ワークショップ
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2017-03-03
  • 招待講演
• [学会発表] Structural studies for functional chromatin (2017)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: Japan-Swiss Symposium Chromatin Structure and Dynamics
  • 発表場所: スイス
  • 年月日: 2017-01-20
  • 国際学会
• [学会発表] 染色体の構造基盤 (2017)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: ワークショップ染色体研究の最前線
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2017-01-16 – 2017-01-17
  • 招待講演
• [学会発表] 岡崎フラグメント50周年シンポジウム (2016)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: 岡崎フラグメント50周年シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2016-12-21 – 2016-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] エピジェネティクスのクロマチン構造基盤 (2016)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: 第39回日本分子生物学会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-12-02
  • 招待講演
• [学会発表] Three dimensional structures and dynamics of chromatin (2016)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: 第54回生物物理学会
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2016-11-25 – 2016-11-27
  • 招待講演
• [学会発表] Structural studies for epigenetic regulation of genomic DNA (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: 10th International 3R (Replication, Recombination and Repair) Symposium
  • 発表場所: 松江
  • 年月日: 2016-11-13 – 2016-11-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クロマチン・細胞核の動的構造変換とエピジェネティック制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: 平成28年度遺伝研研究会
  • 発表場所: 三島
  • 年月日: 2016-10-27 – 2016-10-28
  • 招待講演
• [学会発表] がん細胞で見られるヒストン変異のクロマチン構造・動態変動への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 胡桃坂 仁志
  • 学会等名: 第89回日本生化学会大会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] Structural Versatility of Nucleosomes and Chromatin Dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: Colorado Chromatin Meeting 2016
  • 発表場所: アメリカ
  • 年月日: 2016-08-08
  • 国際学会
• [学会発表] Structural basis of chromatin dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: Telluride workshop on chromatin structure and dynamics
  • 発表場所: アメリカ
  • 年月日: 2016-08-01 – 2016-08-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ALTERED STRUCTURES AND PHYSICAL CHARACTERISTICS OF NUCLEOSOMES CONTAINING CANCER-ASSOCIATED HISTONE MUTATIONS (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: DNA metabolism, genome stability and diseases
  • 発表場所: 中国
  • 年月日: 2016-06-13 – 2016-06-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] HISTONE CONTRIBUTIONS TO CHROMATIN DYNAMICS (2016)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: Chromatin, Epigenetics and Transcription
  • 発表場所: 中国
  • 年月日: 2016-05-09 – 2016-05-13
  • 国際学会 / 招待講演