メチル化DNAを含むヌクレオソームの構造生物学的解析

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26840025
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 越阪部 晃永 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院助教) (70632107)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: クロマチン / DNAメチル化 / ヒストン / ヌクレオソーム / ヘテロクロマチン / エピジェネティクス

研究実績の概要

本研究の目的は、重要なエピジェネティックマークの一つであるDNAのメチル化がヌクレオソーム構造へ与える影響を、生化学および構造生物学的手法によって明らかにすることである。真核生物において、CpGダイヌクレオチドのシトシン塩基のメチル化が、発生や分化などにおける遺伝子の発現を制御する。さらに、がん細胞において、DNAのメチル化の異常によってヘテロクロマチン構造が不安定になることが示された。従って、DNAのメチル化がゲノムの恒常性維持に極めて重要であることが考えられるが、DNAのメチル化がクロマチン構造へ与える影響は不明であった。そこで本研究では、肝臓がん細胞での低メチル化が報告されているサテライト2配列に着目し、DNAのメチル化がクロマチンの基盤構造であるヌクレオソームの構造や安定性へ与える影響を、試験管内再構成ヌクレオソームを用いた生化学的および構造生物学的手法によって解析した。まず、サテライト2配列を含む再構成ヌクレオソームのポジションを、次世代シーケンサーを用いて網羅的に解析した。その結果、ヌクレオソームのポジションがDNAのメチル化によって変化することが明らかになった。次に、マイクロコッカルヌクレアーゼを用いて、溶液中におけるヌクレオソームの末端DNAの運動性を生化学的に解析した。その結果、非メチル化状態では各ポジションにおけるヌクレオソームの末端DNAの運動性が異なった一方、メチル化によって各ポジションにおける違いが解消されることが明らかになった。また、メチル化DNAを含むヌクレオソームのX線結晶構造解析を行った結果、DNAのメチル化はヌクレオソーム構造へ大きな影響を与えないことが明らかになった。以上より、DNAのメチル化はヌクレオソームのポジションの違いによる末端DNAの運動性を解消することで、安定かつ均一なヘテロクロマチンの形成に重要であることが示唆された。

研究成果

• [国際共同研究] National Institutes of Health(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Institutes of Health
• [国際共同研究] Friedrich Miescher Institute(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Friedrich Miescher Institute
• [雑誌論文] Histone H3.5 forms an unstable nucleosome and accumulates around transcription start sites in human testis. (2016)
  • 著者名/発表者名: Urahama T, Harada A, Maehara K, Horikoshi N, Sato K, Sato Y, Shiraishi K, Sugino N, Osakabe A, Tachiwana H, Kagawa W, Kimura H, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Epigenetics & Chromatin 巻: 9 ページ: 2
  • DOI: 10.1186/s13072-016-0051-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystal structure of the nucleosome containing ultraviolet light-induced cyclobutane pyrimidine dimer. (2016)
  • 著者名/発表者名: Horikoshi N, Tachiwana H, Kagawa W, Osakabe A, Matsumoto S, Iwai S, Sugasawa K, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 471 ページ: 117-122
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.01.170
  • 査読あり
• [雑誌論文] C-terminal acidic domain of histone chaperone human NAP1 is an efficient binding assistant for histone H2A-H2B, but not H3-H4. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohtomo H, Akashi S, Moriwaki Y, Okuwaki M, Osakabe A, Nagata K, Kurumizaka H, Nishimura Y.
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 21 ページ: 252-263
  • DOI: 10.1111/gtc.12339
  • 査読あり
• [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 Research 巻: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1093/nar/gkw202
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stable complex formation of CENP-B with the CENP-A nucleosome. (2015)
  • 著者名/発表者名: Fujita R, Otake K, Arimura Y, Horikoshi N, Miya Y, Shiga T, Osakabe A, Tachiwana H, Ohzeki J, Larionov V, Masumoto H, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 43 ページ: 4909-4922
  • DOI: 10.1093/nar/gkv405
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic changes in CCAN organization through CENP-C during cell-cycle progression. (2015)
  • 著者名/発表者名: Nagpal H, Hori T, Furukawa A, Sugase K, Osakabe A, Kurumizaka H, Fukagawa T.
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 26 ページ: 3768-3776
  • DOI: 10.1091/mbc.E15-07-0531
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of DNA methylation on positioning and DNA flexibility of nucleosomes with pericentric satellite DNA. (2015)
  • 著者名/発表者名: Osakabe A, Adachi F, Arimura Y, Maehara K, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Open Biology 巻: 5 ページ: 150128
  • DOI: 10.1098/rsob.150128
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural basis of pyrimidine-pyrimidone (6-4) photoproduct recognition by UV-DDB in the nucleosome. (2015)
  • 著者名/発表者名: Osakabe A, Tachiwana H, Kagawa W, Horikoshi N, Matsumoto S, Hasegawa M, Matsumoto N, Toga T, Yamamoto J, Hanaoka F, Thomä NH, Sugasawa K, Iwai S, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 16330
  • DOI: 10.1038/srep16330
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] クロマチンにおける紫外線損傷DNA認識機構の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 越阪部晃永、立和名博昭、堀越直樹、香川亘、松本翔太、山元淳平、花岡文雄、菅澤薫、岩井成憲、胡桃坂仁志
  • 学会等名: 第33回染色体ワークショップ・第14回核ダイナミクス研究会
  • 発表場所: 松島
  • 年月日: 2016-01-12 – 2016-01-14
• [学会発表] Structural and biochemical analyses for accommodation and recognition of UV-damaged bases within nucleosome (2015)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Osakabe, Hiroaki Tachiwana, Wataru Kagawa, Naoki Horikoshi, Syota Matsumoto, Junpei Yamamoto, Fumio Hanaoka, Kaoru Sugasawa, Shigenori Iwai, Hitoshi Kurumizaka
  • 学会等名: International Symposium on Chromatin Structure, Dynamics, and Function
  • 発表場所: 淡路島
  • 年月日: 2015-08-23 – 2015-08-26
  • 国際学会
• [備考] 研究代表者が所属する研究室のホームページ
  • URL: http://www.eb.waseda.ac.jp/kurumizaka/