計測と再構築による生細胞内クロマチンダイナミクスの高次元的理解

2014 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: 25116005
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 木村 宏 東京工業大学, 生命理工学研究科, 教授 (30241392)
• 研究分担者: 山縣 一夫 大阪大学, 微生物病研究所, 特任准教授 (10361312)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 発生・分化 / ゲノム / 細胞・組織 / バイオテクノロジー / シグナル伝達 / 遺伝子発現制御 / クロマチン / エピジェネティクス

研究実績の概要

本研究は、クロマチン動態の正確な「計測」と再構成ポリヌクレオソームを用いた「再構築」を行い、生細胞や生物個体におけるクロマチンの動的変化とその機能発現における意義を明らかにすることを目的として行っている。本年度は、転写活性化とヒストン修飾の動態に関する研究を主に行った。
活性化型RNAポリメラーゼII（RNAP2）の指標となるリン酸化修飾をFabLEM法により検出し、RNAP2による転写の開始と伸長のキネティクスを生細胞で計測した。転写の開始と伸長時に見られるRNAP2の最大サブユニットのC末端領域（CTD）のセリン残基のリン酸化に修飾に特異的なモノクローナル抗体を作成し、それらの蛍光標識Fabを生細胞計測に用いた。モデル系として、ステロイドホルモンの一種であるグルココルチコイドで誘導される遺伝子アレイの転写活性化を計測した。これらの計測データなどを元に、転写活性化のキネティクパラメータを求めた結果、転写開始の効率が10％程度であるのに対して、開始から伸長への移行は80%以上の高効率で起こることがわかった。さらに、転写活性化のキネティクスにヒストン修飾がどのように影響を与えるのかを調べるたところ、ヒストンH3K27のアセチル化（H3K27ac）がホルモン誘導前から遺伝子アレイ上に濃縮されていることが明らかになった。H3K27acのレベルと転写活性化の関係を解析した結果、ホルモン刺激前にH3K27acレベルが高い細胞では転写因子の遺伝子アレイへの集積とRNAポリメラーゼIIの転写開始から伸長への移行が促進されることが分かった。H3K27acによる転写制御には、アセチル化結合ドメインを持つアセチル化酵素であるp300と巨大転写伸長複合体を介してRNAポリメラーゼIIの伸長反応を促進すると考えられた。

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

FabLEM法を用いて、転写活性化におけるヒストン修飾の役割を明らかにした意義は大きいと考えている。

今後の研究の推進方策

これまでの研究体制を継続し、培養細胞を用いた系で詳細な解析を行いつつ、動物個体を用いた系で発生や分化に伴うクロマチン動態を明らかにしていく。また、次年度以降は「再構成」系にも取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Phenotype Specific Analyses Reveal Distinct Regulatory Mechanism for Chronically Activated p53. (2015)
  • 著者名/発表者名: Kirschner K, Samarajiwa SA, Cairns JM, Menon S, Pérez-Mancera PA, Tomimatsu K, Bermejo-Rodriguez C, Ito Y, Chandra T, Narita M, Lyons SK, Lynch AG, Kimura H, Ohbayashi T, Tavaré S, Narita M.
  • 雑誌名: PLoS Genet 巻: 11 ページ: e1005053
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1005053.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stella preserves maternal chromosome integrity by inhibiting 5hmC-induced γH2AX accumulation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Nakatani T, Yamagata K, Kimura T, Oda M, Nakashima H, Hori M, Sekita Y, Arakawa T, Nakamura T, Nakano T.
  • 雑誌名: EMBO Rep 巻: 17 ページ: e201439427
• [雑誌論文] H3K36 Trimethylation-Mediated Epigenetic Regulation is Activated by Bam and Promotes Germ Cell Differentiation During Early Oogenesis in Drosophila. (2015)
  • 著者名/発表者名: Mukai M, Hira S, Nakamura K, Nakamura S, Kimura H, Sato M, Kobayashi S.
  • 雑誌名: Biol Open 巻: 4 ページ: 119-124
  • DOI: 10.1242/bio.201410850.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Incorporation of histone H3.1 suppresses the lineage potential of skeletal muscle. (2015)
  • 著者名/発表者名: Harada A, Maehara K, Sato Y, Konno D, Tachibana T, Kimura H, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: 43 ページ: 775-786
  • DOI: 10.1093/nar/gku1346.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coordinated expression of H3K9 histone methyltransferases during tooth development in mice. (2015)
  • 著者名/発表者名: Kamiunten T, Ideno H, Shimada A, Nakamura Y, Kimura H, Nakashima K, Nifuji A.
  • 雑誌名: Histochem Cell Biol 巻: 143 ページ: 259-266
  • DOI: 10.1007/s00418-014-1284-0.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regulation of RNA polymerase II activation by histone acetylation in single living cells. (2014)
  • 著者名/発表者名: Stasevich TJ, Hayashi-Takanaka Y, Sato Y, Maehara K, Ohkawa Y, Sakata-Sogawa K, Tokunaga M, Nagase T, Nozaki N, McNally JG, Kimura H.
  • 雑誌名: Nature. 巻: 516 ページ: 272-275
  • DOI: 10.1038/nature13714
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of chemical fluorescent dyes as a protein conjugation partner for live cell imaging. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hayashi-Takanaka Y, Stasevich TJ, Kurumizaka H, Nozaki N, Kimura H.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9 ページ: e106271
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0106271
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] DNA methylation reader MECP2: cell type- and differentiation stage-specific protein distribution. (2014)
  • 著者名/発表者名: Song C, Feodorova Y, Guy J, Peichl L, Jost KL, Kimura H, Cardoso MC, Bird A, Leonhardt H, Joffe B, Solovei I.
  • 雑誌名: Epigenetics Chromatin 巻: 7 ページ: 17
  • DOI: 10.1186/1756-8935-7-17.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantifying histone and RNA polymerase II post-translational modification dynamics in mother and daughter cells. (2014)
  • 著者名/発表者名: Stasevich TJ, Sato Y, Nozaki N, Kimura H.
  • 雑誌名: Methods 巻: 70 ページ: 77-88
  • DOI: 10.1016/j.ymeth.2014.08.002.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Adhesion of suspension cells on a coverslip in serum-free conditions. (2014)
  • 著者名/発表者名: Nakayama T, Mihara K, Kawata J, Kimura H, Saitoh H.
  • 雑誌名: Anal Biochem 巻: 466 ページ: 1-3
  • DOI: 10.1016/j.ab.2014.07.023.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hierarchical molecular events driven by oocyte-specific factors lead to rapid and extensive reprogramming. (2014)
  • 著者名/発表者名: Jullien J, Miyamoto K, Pasque V, Allen GE, Bradshaw CR, Garrett NJ, Halley-Stott RP, Kimura H, Ohsumi K, Gurdon JB.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: 55 ページ: 524-536
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2014.06.024.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nuclear dynamics of topoisomerase IIβ reflects its catalytic activity that is regulated by binding of RNA to the C-terminal domain. (2014)
  • 著者名/発表者名: Onoda A, Hosoya O, Sano K, Kiyama K, Kimura H, Kawano S, Furuta R, Miyaji M, Tsutsui K, Tsutsui KM.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: 42 ページ: 9005-9020
  • DOI: 10.1093/nar/gku640
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved and robust detection of cell nuclei from four dimensional fluorescence images. (2014)
  • 著者名/発表者名: Bashar MK, Yamagata K, Kobayashi TJ.
  • 雑誌名: PLoS One. 巻: 9 ページ: e101891
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0101891.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histone H4 Lys 20 monomethylation of the CENP-A nucleosome is essential for kinetochore assembly. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hori T, Shang WH, Toyoda A, Misu S, Monma N, Ikeo K, Molina O, Vargiu G, Fujiyama A, Kimura H, Earnshaw WC, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Dev Cell 巻: 29 ページ: 740-749
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2014.05.001.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Loss of histone H4K20 trimethylation predicts poor prognosis in breast cancer and is associated with invasive activity. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Y, Matsumoto A, Hieda M, Shinchi Y, Ogihara E, Hamada M, Nishioka Y, Kimura H, Yoshidome K, Tsujimoto M, Matsuura N.
  • 雑誌名: Breast Cancer Res 巻: 16 ページ: R66.
  • DOI: 10.1186/bcr3681.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nucleosomal regulation of chromatin composition and nuclear assembly revealed by histone depletion. (2014)
  • 著者名/発表者名: Zierhut C, Jenness C, Kimura H, Funabiki H.
  • 雑誌名: Nat Struct Mol Biol 巻: 21 ページ: 617-625
  • DOI: 10.1038/nsmb.2845.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Heterochromatin dynamics during the differentiation process revealed by the DNA methylation reporter mouse, MethylRO. (2014)
  • 著者名/発表者名: Ueda J, Maehara K, Mashiko D, Ichinose T, Yao T, Hori M, Sato Y, Kimura H, Ohkawa Y, Yamagata K.
  • 雑誌名: Stem Cell Reports 巻: 2 ページ: 910-924
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2014.05.008
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct evidence for pitavastatin induced chromatin structure change in the KLF4 gene in endothelial cells. (2014)
  • 著者名/発表者名: Maejima T et al.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9 ページ: e96005
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0096005.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Glycolytic genes are targets of the nuclear receptor Ad4BP/SF-1. (2014)
  • 著者名/発表者名: Baba T, Otake H, Sato T, Miyabayashi K, Shishido Y, Wang CY, Shima Y, Kimura H, Yagi M, Ishihara Y, Hino S, Ogawa H, Nakao M, Yamazaki T, Kang D, Ohkawa Y, Suyama M, Chung BC, Morohashi K.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 5 ページ: 3634
  • DOI: 10.1038/ncomms4634.
  • 査読あり
• [学会発表] Visualization of Dynamics of Methylated DNA in living cell and animal. (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Yamagata
  • 学会等名: International Symposium on Bio-imaging and Gene Targeting Sciences in Okayama
  • 発表場所: 岡山
  • 年月日: 2015-02-15
  • 招待講演
• [学会発表] メチローマウスで動くメチル化DNAを追う (2015)
  • 著者名/発表者名: 山縣一夫
  • 学会等名: "平成26年度基礎生物学研究所重点共同利用研究
  • 発表場所: 岡崎
  • 年月日: 2015-01-19
  • 招待講演
• [学会発表] Tracking functional chromatin components in living cells and organisms (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: 4D Nucleome meeting
  • 発表場所: 広島
  • 年月日: 2014-12-17 – 2014-12-19
  • 招待講演
• [学会発表] Tracking epigenetic modifications and transcription activity in living cells and organisms (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: 8th International Symposium on Nanomedicine
  • 発表場所: 松山
  • 年月日: 2014-12-04 – 2014-12-06
  • 招待講演
• [学会発表] 初期胚の高精細イメージングで見えてくるもの (2014)
  • 著者名/発表者名: 山縣一夫
  • 学会等名: 第59回本生殖医学会学術講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-12-03 – 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] 発生過程や刺激に応答した転写活性化とヒストン修飾の動態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏、スタセビッチ ティモシー、佐藤優子
  • 学会等名: 第37回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
  • 招待講演
• [学会発表] Regulation of Transcription Cycle by Histone Modifications in Living Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: The International Symposium on Transcription Cycle 2014
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-24
  • 招待講演
• [学会発表] Histone modification and transcription dynamics in living cells and organisms (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: The 9th 3R Symposium
  • 発表場所: 御殿場
  • 年月日: 2014-11-17 – 2014-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] メチローで 動くメチル化ＤＮＡを追う (2014)
  • 著者名/発表者名: 山縣一夫
  • 学会等名: 第87回日本生化学会大会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2014-10-15 – 2014-10-18
  • 招待講演
• [学会発表] ヒストンとＲＮＡポリメラーゼの翻訳後修飾の生細胞・生体内計測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第52回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] 発生・分化に伴うヒストン修飾のダイナミクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第56回歯科基礎医学会学術大会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] ヒストン修飾翻訳後修飾と転写の生細胞動態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第14回蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] ライブセルイメージングで「卵子の質」を定量化する (2014)
  • 著者名/発表者名: 山縣一夫
  • 学会等名: 第66回日本細胞生物学会大会
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2014-06-11 – 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] Quantification of embryo quality by live-cell imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Yamagata
  • 学会等名: 47th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2014-05-27 – 2014-05-30
  • 招待講演
• [学会発表] ライブセルイメージングで「卵子の質」を評価する (2014)
  • 著者名/発表者名: 山縣一夫
  • 学会等名: 第55回日本卵子学会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2014-05-17 – 2014-05-18
  • 招待講演
• [備考] 東京工業大学大学院生命理工学研究科 木村宏研究室
  • URL: http://kimura-lab.bio.titech.ac.jp/
• [備考] 東京工業大学大学院生命理工学研究科 木村宏研究室
  • URL: http://www.bio.titech.ac.jp/laboratory/kimura-kajikawa/kimura/index.html