X線小角散乱を用いた再構成クロマチンの動的構造解析

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 動的クロマチン構造と機能
• 研究課題/領域番号: 26116519
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 小田 隆 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 特任助教 (00573164)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: X線小角散乱 / クロマチン

研究実績の概要

早稲田大学胡桃坂博士らとの共同研究により、セントロメア特異的なH3のヒストンバリアントであるCENP-Aを含むヌクレオソームについてX線小角散乱解析を行った。これまでの我々の研究からCENP-Aモノヌクレオソームではヒストンに巻きついたDNAの両端がはがれて揺らいだ状態にあることが示されている(Tachiwana et al, 2011 Nature)。このようなモノヌクレオソーム構造の差異がセントロメアの形成・維持・機能にどのようにかかわるのか明らかにするために、より高次の再構成クロマチンを調製し解析を行った。具体的にはH3またはCENP-Aを含むモノヌクレオソームを３つ、H3-H3-H3の順、またはH3-CENP-A-H3の順でつないだトリヌクレオソームを調製し、そのX線小角散乱パターンから距離分布関数(P(r))、慣性半径(Rg)を解析した。このような高次のヌクレオソーム複合体は動的に揺らいだ構造をとるため結晶構造解析が困難と考えられると同時に、その動的な構造が機能に重要であると想像される。解析の結果H3-CENP-A-H3トリヌクレオソームはH3-H3-H3とは明らかな散乱パターンの差異が観測され、動的な構造に違いがあることが示された。これはセントロメア領域のクロマチン構造の特徴を反映しているものと推測される。

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

ヒストンバリアントを含むヌクレオソームがクロマチンの高次構造へどのような影響を与えるのかを明らかにするためには、ヒストンバリアントを含む再構成クロマチン複合体の動的な構造解析が必要である。2014年度はヒストンバリアントを含むモノヌクレオソームおよび、より高次のクロマチン複合体としてトリヌクレオソームのX線小角散乱実験を行うことを予定していた。ヒストンバリアントのうち、CENP-AについてはトリヌクレオソームのX線小角散乱実験まで進めることができたため、おおむね順調といえる。

今後の研究の推進方策

前年度までのX線小角散乱実験により、CENP-Aを含むトリヌクレオソーム(高次クロマチン複合体)は通常のCENP-Aを含まないトリヌクレオソームと比較して、動的な構造に差異があることが示された。そこでさらなる小角散乱実験と分子動力学計算シミュレーションによる解析を行い、動的な挙動の違いをより詳細に定量的に解析し、CENP-Aがクロマチンの高次構造へ与える影響を明らかにする。分子動力学計算は領域内での共同研究により行う。このような巨大複合体では溶液中での分子の挙動を正しく再現するために計算と実験の両面で様々な工夫が必要となる。疎視化シミュレーションではアミノ酸残基1つや塩基1つを1粒子とすることで計算を簡素化でき、全原子シミュレーションでは追えないような長時間にわたる大規模な構造変化を追うことができるためこれを行う。ただし、この方法では各粒子間に働く相互作用を全原子シミュレーションのように正確に再現できない。従って、正しく解析を行うために計算パラメータを様々に変動させて計算を行い、得られる構造アンサンブルから小角散乱パターンを計算し、実測の散乱パターンとの一致度を確認しながら解析を行う。解析にはこれまでに収集したX線小角散乱データを利用する。また、ヌクレオソームの間をつなぐリンカーDNAの長さに依存してとりやすい構造が変化することも考えられるため、リンカーの長さの異なるトリヌクレオソームについても同様に解析を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular Basis for SMC Rod Formation and Its Dissolution upon DNA Binding (2015)
  • 著者名/発表者名: Young-Min Soh, Frank Burmann, Ho-Chul Shin, Takashi Oda, Kyeong Sik Jin, Christopher P. Toseland, Cheolhee Kim, Hansol Lee, Soo Jin Kim, Min-Seok Kong, Marie-Laure Durand-Diebold, Yeon-Gil Kim, Ho Min Kim, Nam Ki Lee, Mamoru Sato, Byung-Ha Oh, and Stephan Gruber,
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 57 ページ: 290 - 303
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2014.11.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct Features of the Histone Core Structure in Nucleosomes Containing the Histone H2A.B Variant (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Sugiyama, Yasuhiro Arimura, Kazuyoshi Shirayama, Risa Fujita, Yojiro Oba, Nobuhiro Sato, Rintaro Inoue, Takashi Oda, Mamoru Sato, Richard K. Heenan,and Hitoshi Kurumizaka
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 106 ページ: 2206 - 2213
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.04.007
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 小角散乱と結晶構造の複合構造解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小田隆、橋本博
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 56 ページ: 247 - 252
  • 査読あり
• [学会発表] DNA架橋損傷修復に関わる天然変性タンパク質Hefの構造研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小田隆, 小林裕也, 舘岡太郎, 宮城泰城, 石黒あかり, 有田恭平, 禾晃和, 石野良純, 杉山正明, 佐藤衛
  • 学会等名: 第14会日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 横浜市
  • 年月日: 2014-06-24 – 2014-06-27
• [学会発表] X線小角散乱によるタンパク質の揺らいだ構造の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小田隆
  • 学会等名: 第2回タンパク質X線溶液散乱講習会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-06-03 – 2014-06-04
  • 招待講演