2017 Fiscal Year Annual Research Report
Control of chromosome functions by axis-loop structure (chromosome 3D) during meiosis
| Project Area | Chromosome Orchestration System |
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| Project/Area Number |
15H05973
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
篠原 彰 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (00252578)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠原 美紀 近畿大学, 農学部, 教授 (80335687)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 染色体OS / 減数分裂 / 染色体 / コヒーシン / キアズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
染色体が調和して機能する仕組みを染色体オーケストレーションシステム（染色体OS） と呼び、精子、卵子などの配偶子形成に必須な減数分裂期のゲノムは染色体OSがより劇的に変化する場である。減数分裂期では染色体3D構造が大きく変化するだけでなく、染色体場で組換えなどの様々なDNA代謝反応が“制御された形”で起き、その制御プラットフォームが染色体OSであると考えられる。本計画研究は減数分裂期染色体を染色体OSのモデル系として捉え、減数分裂期染色体構造、特にその基盤となる軸―ループ構造の構造を理解し、減数分裂期特異的染色体上で起きる減数分裂期組換えの制御の分子メカニズムを明らかにすることを目的とする。201７年度では、染色体構造とその上で起こる組換えの連携の分子メカニズムを解明することを目標とし、新たにバージョンアップした蛍光顕微鏡を用いた解析に加え、超解像度傾向顕微鏡を使用して、減数分裂期の染色体構造、特に高次構造（軸―ループ構造）を明らかにしつある。減数分裂期染色体の軸構成要素であるコヒーシンの動態を中心にその局在の変化と、3C(Hi-C)法(A02班白髭／伊藤との連携)などのゲノムワイド構造解析方法を用いて、構造変換に関して解析を行っている。これまで減数分裂期の軸構成要素のコヒーシン複合体が分裂期の切断とは異なるー切断に依存しない仕組みで、染色体から解離すること、その解離には特異的なリン酸化酵素Polo-likeキナーゼ(PLK)が必要であることに加えて、コヒーシン制御因子の１つWAPL(Rad61)が重要な役割を果たすことを明らかにしてきた。また、コヒーシンの解離に伴い、染色体がコンパクトに構造変換をすることも分かった。この染色体構造変換は、染色体分配に必須のキアズマ形成と関連し、染色体構造形成に関しての新しいメカニズムを提示できる可能性が高い。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで減数分裂期の軸構成要素のコヒーシンの減数分裂期の動態を、減数分裂期特異的構成要素Rec8に着目して、その局在を従来型の蛍光顕微鏡に加えて、超解像度の蛍光顕微鏡を用いて解析してきた。その結果、分裂期とは大きく異なり、Rec8を含むコヒーシンが減数分裂期第１分裂期後期に、その切断なしに染色体から解離することを見出した。減数分裂期では染色体腕部のコヒーシンは保護されていると信じられてきており、一見矛盾するコヒーシンの腕部からの解離が起こることが分かった。つまり、減数分裂期のコヒーシンの解離は、第１、第２分裂の切断による解離の前に新しい解離過程があり、３段階があることになる。Rec8を含むコヒーシン複合体の解離を促進する因子として、Polo-likeキナーゼ(PLK)を同定できた。PLK により、Rec8はすでにリン酸化されることが報告されている。これらRec8のリン酸化が、切断に非依存的なコヒーシンの解離を促進させると考えている。従来はRec8のリン酸化は切断を促進すると考えられてきたが、その仮説とは異なる機能を持つことが予想でき、新しい分子メカニズムを提示できる可能性を見出せる可能性も高い。また、PLKに加え、このコヒーシンの解離にはコヒーシン結合因子の１つWAPLが関わること、そのリン酸化が大切であることもわかりつつある。Rec8, WAPLの2つの異なるリン酸化は、独立してコヒーシン解離反応を促進することも明らかにできている。現在は、リン酸化を受けると、コヒーシンのリングがRec8とSmc3の間で起こるモデルを検証するための融合遺伝子を作成している。また、コヒーシンの解離は局所的な促進、阻害反応を受けることが予測され、その因子の同定を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
PLKによるRec8やWAPL(Rad61)のリン酸化がコヒーシンの解離に必要かどうかをリン酸化サイトのrec8やrad61変異体を作成して、染色体でのコヒーシンの局在を解析することで検証する。また、減数分裂期のRec8コヒーシンの局在は従来型の蛍光顕微鏡ではなく、超高解像度蛍光顕微鏡を用いた方がより精密な局在解析ができることが分かりつつある。そのため、超高解像度蛍光顕微鏡がより大切であるが、スイスFMI研究所Gasser教授との国際共同研究を行うことで、超解像度蛍光顕微鏡
の１つ3D-SIMを用いて、染色体構造の解析を始めている。これまで、領域内の共同研究として、3C(Hi-C)法(A02班白髭／伊藤との連携)などのゲノムワイド構造解析方法を用いつつあるが、系の解像度を上げるため、シングルセルの3C(Hi-C)法を導入する計画である。これは蛋白研で招聘教授になった永野博士との共同研究により実施する。さらに、別な角度からの染色体構造情報を得るため、クロマチン免疫沈降～シークエンス (ChIP-seq) 法を実施する。対象としては特に研究室で準備した抗Rec8抗体を用いたRec8コヒーシンを考えている。動的変化を見るためには、時間毎のRec8コヒーシンのゲノム上の分布の変化を見るために必要があるが、この際にはインターナルコントロールが重要になる。最近、オーストリア、ウィーン大学のKlein教授が開発した方法を引き続き用いることで、時間ごとの局在の変化を比較できるため、Klein教授との共同研究を昨年度より引き続き継続実施する。これらの情報をもとに、染色体OSのモデルとしての減数分裂期染色体の3D構造の構築を目指す。将来的には動的変化を記載した後は、そのような動的な変化が染色体機能（構造と機能の連携）にどのような影響を与えるかも同時に解析することも予定している。
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