転写と中核的な生命機能を結びつける高次複合体の構造基盤

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H05690
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 関根 俊一 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (50321774)
• 研究分担者: 鯨井 智也 東京大学, 定量生命科学研究所, 助教 (70823566)
• 研究期間 (年度): 2020-08-31 – 2025-03-31
• キーワード: RNAポリメラーゼ / 転写 / ヌクレオソーム / リボソーム / クライオ電子顕微鏡

研究実績の概要

DNAの遺伝情報をRNAに転写する巨大なタンパク質複合体であるRNAポリメラーゼは、細胞内の多数の分子と相互作用し、様々な生命機能を支えるハブとして機能している。しかしながら、転写と諸機能との接点で形成される分子の実体やその構造、機能や制御のメカニズムはほとんど分かっていない。重要な生命機能を担う高次複合体の構造基盤を解明するために、本年度は以下のように研究を進めた。
真核生物では、ゲノムDNAは高度に組織化されたクロマチン構造をとって細胞核内に収納されている。RNAポリメラーゼII (RNAPII)によるmRNAの転写は、クロマチン構造によって高度な制御を受けている。転写の初期段階において、一般に、RNAPIIは転写開始点の近傍で転写を休止する(Promoter-proximal pausing)。この現象の構造基盤を明らかにするために、ヌクレオソーム上で休止した哺乳類RNAPII転写伸長複合体の構造をクライオ電子顕微鏡を用いて解析した。
RNAPIIは、遺伝子の末端まで転写を行うと、DNAとRNAを解離して転写を終結する。この転写終結の分子メカニズムを明らかにするために、転写終結を担うヌクレアーゼとRNAPIIとの複合体の構造解析を進め、複数の構造を決定した。
細菌では、mRNAの転写を行っている最中のRNAPにリボソームが結合し、転写と翻訳は同調して行われる。RNAPによって転写されつつあるmRNA上に、リボソームのサブユニットや翻訳開始因子が集合して翻訳を開始する過程をクライオ電子顕微鏡で解析し、転写と共役した翻訳開始の構造基盤を明らかにした。
また、デングウイルスのゲノム複製を担うタンパク質-RNA複合体の構造を解析し、ウイルス複製における主要なステップの構造基盤を明らかにすることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Kyungpook National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Kyungpook National University
• [国際共同研究] Mayo Clinic(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Mayo Clinic
• [雑誌論文] Structural perspectives on transcription in chromatin (2024)
  • 著者名/発表者名: Sekine Shun-ichi、Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Trends in Cell Biology 巻: 34 ページ: 211～224
  • DOI: 10.1016/j.tcb.2023.07.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] ERK2-topoisomerase II regulatory axis is important for gene activation in immediate early genes (2023)
  • 著者名/発表者名: Bunch Heeyoun、Kim Deukyeong、Naganuma Masahiro、Nakagawa Reiko、Cong Anh、Jeong Jaehyeon、Ehara Haruhiko、Vu Hongha、Chang Jeong Ho、Schellenberg Matthew J.、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44089-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM structures of RNA polymerase II-nucleosome complexes rewrapping transcribed DNA (2023)
  • 著者名/発表者名: Akatsu Munetaka、Ehara Haruhiko、Kujirai Tomoya、Fujita Risa、Ito Tomoko、Osumi Ken、Ogasawara Mitsuo、Takizawa Yoshimasa、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 299 ページ: 105477～105477
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105477
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM and biochemical analyses of the nucleosome containing the human histone H3 variant H3.8 (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirai Seiya、Kujirai Tomoya、Akatsu Munetaka、Ogasawara Mitsuo、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Ohkawa Yasuyuki、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 174 ページ: 549～559
  • DOI: 10.1093/jb/mvad069
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structures of dengue virus RNA replicase complexes (2023)
  • 著者名/発表者名: Osawa Takuo、Aoki Mari、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 83 ページ: 2781～2791.e4
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2023.06.023
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural Transition of the Nucleosome during Transcription Elongation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kujirai Tomoya、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Cells 巻: 12 ページ: 1388～1388
  • DOI: 10.3390/cells12101388
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural Basis of Damaged Nucleotide Recognition by Transcribing RNA Polymerase II in the Nucleosome (2023)
  • 著者名/発表者名: Osumi Ken、Kujirai Tomoya、Ehara Haruhiko、Ogasawara Mitsuo、Kinoshita Chiaki、Saotome Mika、Kagawa Wataru、Sekine Shun-ichi、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 435 ページ: 168130～168130
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2023.168130
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contributions of histone tail clipping and acetylation in nucleosome transcription by RNA polymerase II (2023)
  • 著者名/発表者名: Oishi Takumi、Hatazawa Suguru、Kujirai Tomoya、Kato Junko、Kobayashi Yuki、Ogasawara Mitsuo、Akatsu Munetaka、Ehara Haruhiko、Sekine Shun-ichi、Hayashi Gosuke、Takizawa Yoshimasa、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 51 ページ: 10364～10374
  • DOI: 10.1093/nar/gkad754
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 特集 クロマチンによる転写制御機構の最前線 Ⅰ.分子レベル 転写伸長因子およびヒストンシャペロンFACTによるヌクレオソーム転写制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 畠澤 卓、鯨井 智也、胡桃坂 仁志
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 74 ページ: 193～198
  • DOI: 10.11477/mf.2425201674
• [学会発表] Structural basis of nucleosome transcription by the RNAPII elongation complex (2023)
  • 著者名/発表者名: Sekine S, Ehara H, Kujirai Y, Kurumizaka H
  • 学会等名: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • 国際学会
• [学会発表] デングウイルスのゲノム複製複合体のクライオ電子顕微鏡解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 関根俊一
  • 学会等名: 第70回 日本ウイルス学会学術集会
• [学会発表] Cryo-EM structure of the DEK-nucleosome complex and its implications on gene regulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kujirai T, Echigoya K, Kishi Y, Takizawa Y, Saeki M, Ito T, Negishi L, Masumoto H, Kimura H, Gotoh Y, Kurumizaka H
  • 学会等名: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • 国際学会
• [学会発表] 転写伸長におけるヌクレオソーム構造のダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 鯨井智也
  • 学会等名: 筑波大学開学50周年記念TARAシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 転写におけるヌクレオソームの崩壊と再構築の構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鯨井智也、江原晴彦、白水美香子、関根俊一、胡桃坂仁志
  • 学会等名: 第16回日本エピジェネティクス研究会年会
  • 招待講演
• [学会発表] クロマチン転写の構造生物学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 江原晴彦、鯨井智也、白水美香子、胡桃坂仁志、関根俊一
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Cryo-EM analysis on the nucleosome disassembly and reassembly during transcription elongation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ehara H, Kujirai Y, Shirouzu M, Kurumizaka H, Sekine S
  • 学会等名: CSHL MECHANISMS OF EUKARYOTIC TRANSCRIPTION
  • 国際学会
• [備考] 理化学研究所 生命機能科学研究センター 転写制御構造生物学研究チーム
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/sekine-s/index.html