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2018 年度 実績報告書

複製因子の翻訳後修飾が制御する新しいDNAメチル化継承機構の構造基盤

研究課題

研究課題/領域番号 18H02392
研究機関横浜市立大学

研究代表者

有田 恭平  横浜市立大学, 生命医科学研究科, 准教授 (40549648)

研究分担者 西山 敦哉  東京大学, 医科学研究所, 准教授 (50378840)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードDNA維持メチル化 / 構造生物学 / ユビキチン化
研究実績の概要

ゲノムのCG配列中のシトシン塩基のメチル化は、遺伝子サイレンシング、ゲノムインプリンティング、X染色体不活化など様々な生命現象に関与する。DNAメチル化は分化した細胞の形質を決定する要因である。従って、哺乳類が多種多様な形質から成る細胞集団を維持するためには、DNAメチル化も細胞分裂を経て次の世代に正確に受け継がれていく必要がある。本研究ではDNA維持メチル化に必須の因子であるDNAメチル化酵素DNMT1とそのリクルータータンパク質であるUHRF1に焦点をあて、DNA維持メチル化の分子機構の解明を目指す。これまでに、複製後に生じた片鎖メチル化DNAをUHRF1のSRAドメインが認識し、その後UHRF1がDNMT1を呼び込むためにヒストンH3をマルチプルにモノユビキチン化することを構造生物学的な観点から明らかにしている。本年度は新たに複製因子に着目して研究を行った。
K126がメチル化された複製因子LIG1(LIG1K126me3)とUHRF1のTTDドメインとの複合体の結晶構造解析に成功した。その立体構造に基づいた変異体解析から、UHRF1とLIG1の高親和性の相互作用に重要なアミノ酸残基の同定に成功し、さらにその相互作用がLIG1のリン酸化によって制御される新規のメカニズムを解明した。LIG1の結合によるUHRF1の高次構造の変換機構を高速AFMとX線溶液散乱によって解明した。この研究成果は、Structure誌に採択された。
また、複製因子PAF15とUHRF1の複合体の構造解析に成功し、UHRF1がPAF15をユビキチン化する機構を構造生物学的な観点から明らかにした。さらに、ユビキチン化されたPAF15にDNMT1が強い親和性で結合することを構造生物学的な観点から明らかにし、複製と連動したDNA維持メチル化の新しい分子機構の一端を解明した。

現在までの達成度 (区分)
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

【UHRF1 TTDドメインとLIG1K126me3の複合体構造解析に成功し、その研究成果がStructure誌に採択された】
UHRF1のTTDドメインがLIG1K126me3と結合することを明らかにしていたが (Ferry Mol Cell 2017), UHRF1 TTDがなぜH3K9me3よりも約180倍強い親和性でLIG1K126me3と結合できるのかは不明であった。UHRF1 TTDドメインと118-130番目のアミノ酸領域のLIG1K126me3ペプチドとの複合体結晶構造解析に成功した。立体構造情報に基づいて部位特異的な変異を導入したLIG1ペプチドを用いることにより、UHRF1 TTDとLIG1K126me3の間の高親和性の相互作用のメカニズムを解明した。さらにLIG1のThr123のリン酸化がPKCβによって起こり、このリン酸化によってUHRF1 TTDとの結合が消失することから、リン酸化によるUHRF1とLIG1の相互作用の新規の制御機構を発見した。全長UHRF1にLIG1K126me3が結合すると、UHRF1の高次構造がコンパクトな構造から、フレキシブルな構造に変化することを明らかにし、構造変化による機能制御機構の存在を示唆する研究成果を得た。
【複製因子PAF15による新しいDNA維持メチル化の制御機構を解明】
PAF15は複製サイトに局在する因子である。分担研究者西山氏とともに、PAF15がDNA維持メチル化を制御する新たな因子であることを明らかにした。UHRF1とPAF15の複合体の構造解析に成功し、この立体構造に基づいた変異体解析から、UHRF1によるPAF15のユビキチン化機構を解明した。さらに、X線溶液散乱法を用いた解析から、ユビキチン化されたPAF15にDNMT1が結合することを明らかにした。

今後の研究の推進方策

DNA維持メチル化の異常は細胞内の遺伝子発現パターンの破綻をもたらし、がんの発症や増殖と深い関連があることが知られている。実際に、DNA維持メチル化に関与するUHRF1タンパク質は様々ながん細胞で過剰発現しており、その結果がん抑制遺伝子のDNAメチル化パターンの異常が起こることが知られている。従って、UHRF1はがんの治療に向けた薬剤開発の標的分子になると考えられている。本研究では、UHRF1 TTDとLIG1K126me3の相互作用に重要なアミノ酸の同定に成功している。申請者らが同定したUHRF1の結合ポケットを標的にした阻害剤は、UHRF1の機能を阻害する可能性がある。今後は、立体構造情報に基づいたUHRF1の機能阻害剤の開発を行っていく予定である。
さらに、複製と連携したDNA維持メチル化の分子機構を解明するために、今後は複製サイトで形成されるタンパク質複合体、またはタンパク質-DNA複合体に焦点を当てる。複合体の再構成を生物学的と化学を融合させた方法で行い、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析によって複合体構造を解明し、複製因子と維持メチル化因子の協調的な働きを立体構造情報に基づいて解明する。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS
  • [雑誌論文] Structure of the UHRF1 Tandem Tudor Domain Bound to a Methylated Non-histone Protein, LIG1, Reveals Rules for Binding and Regulation.2019

    • 著者名/発表者名
      1.Kori S, Ferry L, Matano S, Jimenji T, Kodera N, Tsusaka T, Matsumura R, Oda T, Sato M, Dohmae N, Ando T, Shinkai Y, Defossez PA, Arita K.
    • 雑誌名

      Structure

      巻: 27 ページ: 485-496

    • DOI

      10.1016/j.str.2018.11.012.

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] マルチプルモノユビキチン化ヒストンH3が制御するDNA維持メチル化の構造基盤2018

    • 著者名/発表者名
      有田恭平, 石山怜, 西山敦哉, 中西真, 川上徹, 末武勲
    • 学会等名
      第91 日本生化学化大会
  • [学会発表] 複製因子DNA ligase 1の認識に基づいたUHRF1の構造変化の解析2018

    • 著者名/発表者名
      郡聡実, Laure Ferry, 治面地智宏, 又野翔平, 松村るみゑ, 古寺哲幸, 安藤敏夫, 佐藤衛, Pierre Defossez, 有田恭平
    • 学会等名
      第18 回蛋白質科学会年会
  • [備考] UHRF1とLIG1の複合体構造解析 ~阻害剤開発の基盤となる相互作用部位を同定~

    • URL

      https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2018/201901arita.html

  • [備考] 横浜市立大学 生命医科学研究科 構造生物学研究室 有田G ウエブサイト

    • URL

      http://www-mls.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/xtal-mls/members/kyouhei/index.html

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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