染色体分配に必須なセントロメアの形成機構の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06167
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 深川 竜郎 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (60321600)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: セントロメア / キネトコア / 細胞周期 / エピジェネティックス / 電子顕微鏡 / 構造解析 / ゲノム科学

研究実績の概要

本研究は、セントロメアの形成機構の理解を目標に以下の３計画の研究を行い成果をあげた。
I) 細胞周期に依存したセントロメア構成タンパク質ネットワークの理解: CENP-Cのリン酸化がCENP-Aの結合に重要であることを見出し、ゲノム編集によりリン酸化を受けないCENP-Cが発現する細胞を作成して、その表現型の解析を行った。この細胞自体は、染色体分配に異常がなかったが、原因はCENP-Tによる機能相補と考え、CENP-Tの経路を破壊した状態でCENP-Cのリン酸化サイトに変異を加えた細胞も作成し、この状態ではCENP-Cリン酸化が必須であることが証明できた。また、ヒト細胞でも同様の実験を行い、CENP-Cのリン酸化がM期のセントロメア局在に必須であることも示せた。今後は、この分子基盤を解析する。
II) セントロメアが形成されるゲノム基盤の理解: セントロメアクロマチンの確立に重要なCENP-Aのセントロメアへの導入機構を明らかにするために、CENP-AのシャペロンであるHJURPとの関係を解析し、これまでに報告されていない結合モードを見出した。また、セントロメアクロマチンについて、4C-seqやHi-Cを用たデータを蓄積した。
III) 電子顕微鏡を活用したセントロメアタンパク質複合体の構造基盤の理解: クライオ電子顕微鏡を活用してCENP-AヌクレオソームとCENP-Cの高精度の構造解析には成功し、CENP-A の結合に関わる新しいドメインを発見した。また、CENP-Cのドメイン構造についてX線結晶構造解析を併用しながら、構造解析を行い、C末端側のユニークな構造を見出した。また、CENP-H複合体の構造解析にも着手した。

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

細胞周期に依存したセントロメア構成タンパク質ネットワークの変化に関しては、順調に研究が進み、CENP-Cのリン酸化制御という新しい概念を発表し、論文として発表した。分野の内外から注目を受け、予定以上に研究は進んでいる。また、セントロメゲノムの解析についても、独自の研究系を有していることもあり、世界に先駆けて研究が進み、CENP-Aがどのようにセントロメアへ取り込まれるのかという点で新しい発見が見出された。再構成実験やクライオ電子顕微鏡を用いた構造解析の実験についても、CENP-AヌクレオソームとCENP-Cの高精度の構造がクライオ電子顕微鏡で明らかにできた。また、CENP-Nを含めた構造も明らかになり、当初の計画以上のペースで研究は、進展している。

今後の研究の推進方策

基本的に計画に沿って研究を進める。予定以上に計画が順調に進んでいるので、さらに研究を発展できる内容を盛り込む。

研究成果

• [国際共同研究] エジンバラ大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: エジンバラ大学
• [国際共同研究] キューリ研究所(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: キューリ研究所
• [国際共同研究] MIT(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: MIT
• [国際共同研究] JNCASR(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: JNCASR
• [雑誌論文] Bridgin connects the outer kinetochore to centromeric chromatin. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sridhar S, Hori T, Nakagawa R, Fukagawa T, Sanyal K.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 12 ページ: 146
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20161-9.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of the CENP-A nucleosome in complex with phosphorylated CENP-C. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ariyoshi M, Makino F, Watanabe R, Nakagawa R, Kato T, Namba K, Arimura Y, Fujita R, Kurumizaka H, Okumura EI, Hara M, Fukagawa T.
  • 雑誌名: EMBO J. 巻: 40 ページ: e105671.
  • DOI: 10.15252/embj.2020105671.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetochore stretching-mediated rapid silencing of the spindle-assembly checkpoint required for failsafe chromosome segregation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Uchida KSK, Jo M, Nagasaka K, Takahashi M, Shindo N, Shibata K, Tanaka K, Masumoto H, Fukagawa T, Hirota T.
  • 雑誌名: Curr. Biol. 巻: online ページ: S0960-9822
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.01.062.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CENP-C Phosphorylation by CDK1 in vitro. (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Hara M, Ariyoshi M, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Bio Protoc. 巻: 11 ページ: e3879.
  • DOI: 10.21769/BioProtoc.3879.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM Structures of Centromeric Tri-nucleosomes Containing a Central CENP-A Nucleosome. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshimasa Takizawa, Cheng-Han Ho, Hiroaki Tachiwana, Hideyuki Matsunami, Wataru Kobayashi, Midori Suzuki, Yasuhiro Arimura, Tetsuya Hori, Tatsuo Fukagawa, Melanie D. Ohi, Matthias Wolf, Hitoshi Kurumizaka
  • 雑誌名: Structure 巻: 28 ページ: 44-53
  • DOI: 10.1016/j.str.2019.10.016.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Artificial generation of centromeres and kinetochores to understand their structure and function. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hori T, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Exp Cell Res. 巻: 380 ページ: 111898
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2020.111898.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamics of kinetochore structure and its regulations during mitotic progression. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hara M, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Cell Mol Life Sci. 巻: 77 ページ: 2981-2995.
  • DOI: 10.1007/s00018-020-03472-4.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CENP-50 is required for papilloma development in the two-stage skin carcinogenesis model. (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito M, Kagawa N, Okumura K, Munakata H, Isogai E, Fukagawa T, Wakabayashi Y.
  • 雑誌名: Cancer Sci. 巻: 111 ページ: 2850-2860
  • DOI: 10.1111/cas.14533.
  • 査読あり
• [雑誌論文] H3K9me3 maintenance on a human artificial chromosome is required for segregation but not centromere epigenetic memory. (2020)
  • 著者名/発表者名: Martins NMC, Cisneros-Soberanis F, Pesenti E, Kochanova NY, Shang WH, Hori T, Nagase T, Kimura H, Larionov V, Masumoto H, Fukagawa T, Earnshaw WC.
  • 雑誌名: J Cell Sci. 巻: 133 ページ: jcs242610.
  • DOI: 10.1242/jcs.242610.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A super-sensitive auxin-inducible degron system with an engineered auxin-TIR1 pair. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura K, Yamada R, Hagihara S, Iwasaki R, Uchida N, Kamura T, Takahashi K, Torii KU, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 48 ページ: e108
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa748.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Essentiality of CENP-A Depends on Its Binding Mode to HJURP. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hori T, Cao J, Nishimura K, Ariyoshi M, Arimura Y, Kurumizaka H, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 33 ページ: 108388
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.108388.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Where is the right path heading from the centromere to spindle microtubules? (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Hara, Tatsuo Fukagawa
  • 雑誌名: Cell Cycle 巻: 18 ページ: 1199-1211
  • DOI: 10.1080/15384101.2019.1617008.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Centromere maintenance during DNA replication. (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Hara, Tatsuo Fukagawa
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 21 ページ: 669-671
  • DOI: 10.1038/s41556-019-0335-0.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CDK1-mediated CENP-C phosphorylation modulates CENP-A binding and mitotic kinetochore localization. (2019)
  • 著者名/発表者名: Reito Watanabe, Masatoshi Hara, Ei-ichi Okumura, Solene Herve, Daniele Fachinetti, Mariko Ariyoshi, Tatsuo Fukagawa
  • 雑誌名: Journal of Cell Biology 巻: 218 ページ: 4042-4062
  • DOI: 10.1083/jcb.201907006.
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 染色体不安定およびゲノム再編成を防ぐ正確な動原体構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 深川竜郎
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamics on kinetochore assembly during cell cycle progression (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuo Fukagawa
  • 学会等名: GRC on centromere Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] セントロメアおよび動原体の分子基盤の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 深川竜郎
  • 学会等名: 第92回日本遺伝学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] CENP-Aヌクレオソーム-CENP-Cタンパク質複合体の立体構造からみえてきた染色体分配を支えるキネトコア複合体の動的制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有吉眞理子、深川竜郎
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] CENP-C creates a compact chromatin configuration within centromeres (2020)
  • 著者名/発表者名: 原 昌稔、有吉 眞理子、深川 竜郎
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] キネトコアタンパク質結合ネットワークにおけるCENP-Cの役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原昌稔、深川竜郎
  • 学会等名: 第37回染色体ワークショップ
• [学会発表] CCAN-セントロメア結合の細胞周期依存的な制御とその役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡邉励人、深川竜郎
  • 学会等名: 第37回染色体ワークショップ
• [学会発表] CDK1 Regulates CENP-A-CENP-C Interaction In Vertebrate Kinetochore. (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Hara, Reito Watanabe, Mariko Ariyoshi, and Tatsuo Fukagawa
  • 学会等名: ASCB/EMBO 2019 Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Essentiality of CENP-A Depends on Its Binding Mode to HJURP. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hori, JingHui Cao, Yasuhiro Arimura, Kohei Nishimura, Mariko Ariyoshi, Hitoshi Kurumizaka, and Tatsuo Fukagawa
  • 学会等名: ASCB/EMBO 2019 Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetochore Dynamics During Progression of Cell Cycle. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsuo Fukagawa
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Essentiality of CENP-A depends on its binding mode to HJURP. (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀哲也、曹静暉、有村泰宏、西村浩平、有吉眞理子、豊田敦、三須定彦、池尾一穂、胡桃坂仁志、深川竜郎
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Structural and functional analysis of a C-terminal region of a centromeric protein, CENP-C. (2019)
  • 著者名/発表者名: 有吉眞理子、佐野智基、原昌稔、深川竜郎
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Interaction mode between CENP-A and HJURP in vitro. (2019)
  • 著者名/発表者名: 曹静暉、有村泰宏、有吉眞理子、胡桃坂仁志、堀哲也、深川竜郎
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 染色体分配におけるKMNネットワークの役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹之下憂祐、原昌稔、深川竜郎
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 細胞周期の進行に伴うCENP－Cのセントロメアクロマチンへの結合機構の変化とその意義 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡邉励人、原昌稔、有吉眞理子、深川竜郎
  • 学会等名: 第91回日本遺伝学会大会
• [学会発表] 脊椎動物細胞におけるセントロメアの3次元構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村浩平、堀哲也、豊田敦、古宮正隆、伊藤武彦、深川竜郎
  • 学会等名: 第91回日本遺伝学会大会
• [学会発表] 細胞周期進行にともなうセントロメアタンパク質結合ネットワークの変換 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原 昌稔、深川竜郎
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 染色体分配を司るセントロメア・キネトコアのダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 深川竜郎
  • 学会等名: 第38回分子病理研究会淡路シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 動的なキネトコア構造の実体 (2019)
  • 著者名/発表者名: 深川竜郎
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • 招待講演
• [備考] 深川研究室
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/fukagawa/index_j.html
• [備考] 細胞分裂時に染色体の分配を制御する鍵となるしくみを解明
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/jpn/events/achievement/fukagawa-20191101/