クロマチンリモデリングの実時空間イメージング

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: 遺伝子制御の基盤となるクロマチンポテンシャル
• 研究課題/領域番号: 21H00247
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 柴田 幹大 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 教授 (80631027)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: １分子イメージング・ナノ計測 / クロマチン動態 / 超分子複合体 / バイオイメージング / １分子計測・操作

研究実績の概要

生命の根源ともいえる遺伝子発現制御には、クロマチンダイナミクスが重要である。しかし、クロマチンの基本単位であるヌクレオソームのナノ動態や、クロマチン制御因子群がヌクレオソーム上で起こす動的な構造変化をナノ空間、かつ、リアルタイムで直接可視化し解析した例はない。本研究は、高速原子間力顕微鏡（以下、高速AFM）を用い、ヌクレオソームのナノ動態を実時空間でイメージングし、ヌクレオソーム動態および、その関連タンパク質の分子作動機構を明らかにすることを目的とする。
本年度は、ヒストンバリアントの一種であるH2A.Zを含むヌクレオソームに対して高速AFMを適用した。H2A.Zは、遺伝子の転写活性領域と抑制領域の両方に高度に集積すること，また，その遺伝子欠損マウスが，ほとんどが生存できないという実験事実から，生体内で非常に重要な役割をもつことが知られている。しかしながら，H2A.Zが遺伝子発現の制御に活性（プラス）にも抑制（マイナス）にもはたらく，その分子メカニズムはほとんど分かっていなかった。そこで本研究では，精製したH2A.ZとDNAをもとに，H2A.Zを含むヌクレオソームを試験管内で再構成し，その1秒以下のナノ動態を高速AFMを用いて直接可視化することを試みた。その結果，H2A.Zを含むヌクレオソームが，自発的に0.3秒以内の時間スケールでDNAに沿って移動すること（ヌクレオソームスライディング）を発見した。さらに，H2A.Zのアミノ酸残基を主要型であるH2Aのアミノ酸残基へ入れ替えた変異体を解析することで，H2A.ZのN末端に位置するアミノ酸残基がこのヌクレオソームスライディングに関与していることが分かった。本研究では，ヌクレオソームのダイナミクス観察という観点において，エピゲノムによる遺伝子発現制御の分子メカニズムの一端を明らかにした。本研究成果は、今後，遺伝子発現制御の分子メカニズムに対して新しい知見を提供することが期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Designing receptor agonists with enhanced pharmacokinetics by grafting macrocyclic peptides into fragment crystallizable regions. (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsuya Sakai*, Nozomi Sugano-Nakamura, Emiko Mihara, Nichole Marcela Rojas-Chaverra, Sayako Watanabe, Hiroki Sato, Ryu Imamura, Dominic Chih-Cheng Voon, Itsuki Sakai, Chihiro Yamasaki, Chise Tateno, Mikihiro Shibata, Hiroaki Suga, Junichi Takagi* & Kunio Matsumoto*
  • 雑誌名: Nat. Biomed. Eng 巻: 7 ページ: 164-176
  • DOI: 10.1038/s41551-022-00955-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-speed atomic force microscopy reveals spontaneous nucleosome sliding of H2A.Z at the subsecond timescale. (2023)
  • 著者名/発表者名: Shin Morioka, Shoko Sato, Naoki Horikoshi, Tomoya Kujirai, Takuya Tomita, Yudai Baba, Takahiro Kakuta, Tomoki Ogoshi, Leonardo Puppulin, Ayumi Sumino, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hitoshi Kurumizaka, & Mikihiro Shibata*
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 23 ページ: 1696-1704
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04346
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamics of target DNA binding and cleavage by Staphylococcus aureus Cas9 as revealed by high-speed atomic force microscopy. (2023)
  • 著者名/発表者名: Leonardo Puppulin*, Junichiro Ishikawa, Ayumi Sumino, Arin Marchesi, Holger Flechsig, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hiroshi Nishimasu, & Mikihiro Shibata*
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 4629-4641
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c10709
  • 査読あり
• [学会発表] クロマチンリモデリングの実時空間イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 新学術領域研究「クロマチン潜在能」第5回領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるヌクレオソームの1 分子ナノ動態撮影 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるヒストンバリアントのナノ動態観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 第15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] 高速原子間力顕微鏡を用いた１分子ナノ生命科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 第39回分子病理学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] タンパク質の構造変化をリアルタイムかつナノスケールで可視化する (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線：理論と実験との密な協働」
  • 招待講演
• [学会発表] 原子間力顕微鏡が切り拓くナノ生命科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: がん研究早期体験プログラム がん研EEP 授業編『生命科学・医学研究の最先端と未来』
  • 招待講演
• [学会発表] 高速AFMによるタンパク質複合体のナノ動態・機能相関の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 名工大セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Application of high-speed atomic force microscopy to Nano life science (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: ナノ精密医学・理工学卓越大学院プログラム プレプログラム,
  • 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy (HS-AFM) for cancer research (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 第81回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Oligomeric states of microbial rhodopsins in lipid bilayer determined by high-speed atomic force microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 招待講演
• [学会発表] Correlation between function and mobility of protein complex revealed by HS-AFM (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: NanoLSI第6回国際シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Direct imaging of spontaneous sliding along DNA of H2A.Z.1 nucleosome by high-speed atomic force microscopy. (2022)
  • 著者名/発表者名: 森岡 新, 佐藤祥子, 堀越直樹, 鯨井智也, 胡桃坂仁志, 柴田幹大
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Target DNA binding dynamics of Staphylococcus aureus Cas9 as revealed by high-speed atomic force microscopy. (2022)
  • 著者名/発表者名: Leonardo Puppulin, Junichiro Ishikawa, Hiroshi Nishimasu, Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるFnCas9の機能動態解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塚田秀明, 柴田幹大
  • 学会等名: R4年度生物物理学会中部支部講演会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いたCaMKIIβの動態解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島啓介, 村越秀治, 柴田幹大
  • 学会等名: R4年度生物物理学会中部支部講演会
• [学会発表] Cyro-EM structural analysis of pump-like channelrhodopsin ChRmine and structure guided engineering. (2022)
  • 著者名/発表者名: Koichiro E. Kishi et al.
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [備考] 柴田幹大研究室
  • URL: https://bioafminfi.w3.kanazawa-u.ac.jp/
• [備考] ヌクレオソームが1秒以内にDNA上をスライディング
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/highlights/24964/