In vitro reconstitution and structural studies for chromatin

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Dynamic chromatin structure and function
• Project/Area Number: 25116002
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 胡桃坂 仁志 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80300870)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀 哲也 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (70550078)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 染色体構築・機能・分配 / 遺伝情報複製・再編 / ゲノム多様性 / ゲノム進化・再編 / ゲノム機能 / 活性発現の分子機構 / 生体高分子構造・機能 / 構造活性相関

Outline of Annual Research Achievements

ヒストンバリアントやヒストン翻訳後修飾を含むヌクレオソームとその相互作用因子の性質について、生化学的、構造生物学的、細胞生物学的手法による多角的な解析を行い、クロマチンの機能制御に関する多くの有意義な知見を得た。
１）ヒトの新規ヒストンH3バリアントH3.6、H3.7、およびH3.8の構造生物学的および生化学的解析を行った。H3.6とH3.8を含む再構成ヌクレオソームは主要型H3を含む場合に比べて、安定性が著しく低いことを明らかにした。２）DNA転写の過程で形成されると考えられているオーバーラッピングジヌクレオソームを試験管内で再構成し、その立体構造をX線結晶構造解析によって明らかにした。また、ヒト細胞において、転写されている遺伝子において、転写開始点の直下にオーバーラッピングジヌクレオソームが形成されることを明らかにした。この成果より、クロマチン上での転写制御に特殊なヌクレオソーム構造が寄与することを示した。３）構成的ヘテロクロマチンに見られる９番目のリジンがメチル化されたヒストンH3を含むジヌクレオソームに、ヘテロクロマチンタンパク質HP1が結合した複合体を試験管内で再構成する方法を確立した。さらに、その立体構造をクライオ電子顕微鏡を用いて決定し、HP1がリンカーDNAに結合せず、2つのヌクレオソーム間を架橋するようにヌクレオソームと結合していることを明らかにした。４）パイオニア転写因子FoxA1の認識配列を含む内在性DNAを用いて再構成したヌクレオソームの立体構造を、クライオ電子顕微鏡により4オングストロームの分解能で決定した。
また分担者の堀は、細胞生物学的手法と生化学的手法を用いて、Mis18複合体因子であるKNL2がCENP-Aヌクレオソームを直接認識し、新規CENP-Aのセントロメアへの取り込みに寄与することを明らかにした。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 国立環境衛生科学研究所/ロチェスター大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: 国立環境衛生科学研究所/ロチェスター大学
• [Int'l Joint Research] ヴュルツブルク大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ヴュルツブルク大学
• [Int'l Joint Research] グルノーブル大学/IGBMC/リヨン第1大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: グルノーブル大学/IGBMC/リヨン第1大学
  • # of Other Institutions: 2
• [Journal Article] LC-MS/MS-based quantitative study of the acyl group- and site-selectivity of human sirtuins to acylated nucleosomes (2018)
  • Author(s): Tanabe K., Liu J., Kato D., Kurumizaka H., Yamatsugu K., Kanai M., Kawashima S.A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41598-018-21060-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Basis of Heterochromatin Formation by Human HP1 (2018)
  • Author(s): Machida S., Takizawa Y., Ishimaru M., Sugita Y., Sekine S., Nakayama J., Wolf M., Kurumizaka H.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 69 Pages: 385～397.e8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.12.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Basis of Homology-based DNA Repair Mediated by RAD52 (2018)
  • Author(s): Saotome M., Saito K., Yasuda T., Ohtomo H., Sugiyama S., Nishimura Y., Kurumizaka H., Kagawa W.
  • Journal Title: iScience Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.isci.2018.04.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the nucleosome containing the ALB1 enhancer DNA sequence (2018)
  • Author(s): Takizawa Y., Tanaka H., Machida S., Koyama M., Maehara K., Ohkawa Y., Wade P.A., Wolf M., Kurumizaka H.
  • Journal Title: Open Biology Volume: 8 Pages: 170255～170255
  • DOI: 10.1098/rsob.170255
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Replication stress induces accumulation of FANCD2 at central region of large fragile genes (2018)
  • Author(s): Okamoto Y., Iwasaki M.W., Kugou K., Takahashi K.K., Oda A., Sato K., Kobayashi W., Kawai H., Sakasai R., Takaori-Kondo A., Yamamoto T., Kanemaki M.T., Taoka M., Isobe T., Kurumizaka H., Innan H., Ohta K., Ishiai M., Takata M.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 46 Pages: 2932～2944
  • DOI: 10.1093/nar/gky058
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Parallel mapping with site-directed hydroxyl radicals and micrococcal nuclease reveals structural features of positioned nucleosomes in vivo (2017)
  • Author(s): Fuse T., Katsumata K., Morohoshi K., Mukai Y., Ichikawa Y., Kurumizaka H., Yanagida A., Urano T., Kato H., Shimizu M.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 12 Pages: e0186974
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0186974
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorylation of CBX2 controls its nucleosome-binding specificity (2017)
  • Author(s): Kawaguchi Takayuki、Machida Shinichi、Kurumizaka Hitoshi、Tagami Hideaki、Nakayama Jun-ichi
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 162 Pages: 343～355
  • DOI: 10.1093/jb/mvx040
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histone H3 Methylated at Arginine 17 Is Essential for Reprogramming the Paternal Genome in Zygotes (2017)
  • Author(s): Hatanaka Y., Tsusaka T., Shimizu N., Morita K., Suzuki T., Machida S., Satoh M., Honda A., Hirose M., Kamimura S., Ogonuki N., Nakamura T., Inoue K., Hosoi Y., Dohmae N., Nakano T., Kurumizaka H., Matsumoto K., Shinkai Y., Ogura A.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 20 Pages: 2756～2765
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.08.088
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SYCP3 regulates strand invasion activities of RAD51 and DMC1 (2017)
  • Author(s): Kobayashi W., Hosoya N., Machida S., Miyagawa K., Kurumizaka H.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 22 Pages: 799～809
  • DOI: 10.1111/gtc.12513
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Association of M18BP1/KNL2 with CENP-A Nucleosome Is Essential for Centromere Formation in Non-mammalian Vertebrates (2017)
  • Author(s): Hori T., Shang W.H., Hara M., Ariyoshi M., Arimura Y., Fujita R., Kurumizaka H., Fukagawa T.
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 42 Pages: 181～189.e3
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2017.06.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthetic Posttranslational Modifications: Chemical Catalyst-Driven Regioselective Histone Acylation of Native Chromatin (2017)
  • Author(s): Amamoto Y., Aoi Y., Nagashima N., Suto H., Yoshidome D., Arimura Y., Osakabe A., Kato D., Kurumizaka H., Kawashima S., Yamatsugu K., Kanai M.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 139 Pages: 7568～7576
  • DOI: 10.1021/jacs.7b02138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RFWD3-Mediated Ubiquitination Promotes Timely Removal of Both RPA and RAD51 from DNA Damage Sites to Facilitate Homologous Recombination (2017)
  • Author(s): Inano S., Sato K., Katsuki Y., Kobayashi W., Tanaka H., Nakajima K., Nakada S., Miyoshi H., Knies K., Takaori-Kondo A., Schindler D., Ishiai M., Kurumizaka H., Takata M.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 66 Pages: 622～634.e8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.04.022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure and Dynamics of a 197?bp Nucleosome in Complex with Linker Histone H1 (2017)
  • Author(s): Bednar J., Garcia-Saez I., Boopathi R., Cutter A.R., Papai G., Reymer A., Syed S.H., Lone I.N., Tonchev O., Crucifix C., Menoni H., Papin C., Skoufias D.A., Kurumizaka H., Lavery R., Hamiche A., Hayes J.J., Schultz P., Angelov D., Petosa C., Dimitrov S.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 66 Pages: 384～397.e8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.04.012
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Structure and Characterization of Novel Human Histone H3 Variants, H3.6, H3.7, and H3.8 (2017)
  • Author(s): Taguchi H., Xie Y., Horikoshi N., Maehara K., Harada A., Nogami J., Sato K., Arimura Y., Osakabe A., Kujirai T., Iwasaki T., Semba Y., Tachibana T., Kimura H., Ohkawa Y., Kurumizaka H.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 56 Pages: 2184～2196
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b01098
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of the overlapping dinucleosome composed of hexasome and octasome (2017)
  • Author(s): Kato D., Osakabe A., Arimura Y., Mizukami Y., Horikoshi N., Saikusa K., Akashi S., Nishimura Y., Park S.Y., Nogami J., Maehara K., Ohkawa Y., Matsumoto A., Kono H., Inoue R., Sugiyama M., Kurumizaka H.
  • Journal Title: Science Volume: 356 Pages: 205～208
  • DOI: 10.1126/science.aak9867
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histone Variant H2A.L.2 Guides Transition Protein-Dependent Protamine Assembly in Male Germ Cells (2017)
  • Author(s): Barral S., Morozumi Y., Tanaka H., Montellier E., Govin J., de Dieuleveult M., Charbonnier G., Coute; Y., Puthier D., Buchou T., Boussouar F., Urahama T., Fenaille F., Curtet S., Hery P., Fernandez-Nunez N., Shiota H., Gerard M., Rousseaux S., Kurumizaka H., Khochbin S.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 66 Pages: 89～101.e8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.02.025
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural diversity of the nucleosome (2017)
  • Author(s): Koyama M., Kurumizaka H.
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 163 Pages: 85～95
  • DOI: 10.1093/jb/mvx081
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of the FA pathway mediated by phosphorylation and ubiquitination (2017)
  • Author(s): Ishiai M., Sato K, Tomida J, Kitao H., Kurumizaka H., Takata M.
  • Journal Title: Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis Volume: 803-805 Pages: 89～95
  • DOI: 10.1016/j.mrfmmm.2017.05.003
• [Presentation] Nucleosome Remodeling and Structure (2018)
  • Author(s): Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: INDO-JAPAN Conference (2018): Epigenetics, Human Microbiomes and Disease
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 形からみる遺伝子のはたらき (2018)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 文部科学省科科学研究費補助金新学術領域「動的クロマチン構造と機能」一般公開シンポジウム
• [Presentation] クロマチンの高次構造とダイナミクスの相関構造解析 (2018)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] クロマチンコーディングの構造基盤 (2018)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 染色体研究の最前線2018
  • Invited
• [Presentation] Chromatin contribution in DNA repair (2017)
  • Author(s): Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: The 6th US-Japan DNA Repair Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural versatility and dynamics of chromatin units (2017)
  • Author(s): Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: EMBO CONFERENCE “The Nucleosome: From Atoms to Genomes”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural studies of reconstituted chromatin units (2017)
  • Author(s): Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: HMGU-Japan Epigenetics and Chromatin Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural Biology of Epigenetic Chromatin Regulation (2017)
  • Author(s): Hitoshi Kurumizaka
  • Organizer: 15th Chinese Biophysics Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] エピジェネティクスの制御基盤としてのクロマチン構造多様性 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: DSSBシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Structural studies for dynamic chromatin architecture (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: Dynamic Structural Biology"（DSB）第一回研究報告会
  • Invited
• [Presentation] ヌクレオソームの構造と動的多様性によるゲノムDNA機構制御 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 第17回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 細胞核でのクロマチン機能制御の構造基盤 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 日本大学文理学部生命科学科セミナー
  • Invited
• [Presentation] ゲノムDNA機能制御のクロマチン構造基盤 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • Invited
• [Presentation] ヌクレオソームのリモデリング機構 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 第76回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] クロマチン構造とゲノム機能制御機構 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 平成２９年度遺伝研研究会
  • Invited
• [Presentation] 再構成クロマチンによるエピジェネティクス機構の解析 (2017)
  • Author(s): 胡桃坂 仁志
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Epigenetics and Kinetochore assembly in Vertebrate Cells (2017)
  • Author(s): 堀 哲也
  • Organizer: EMBO Workshop "Dynamic kinetochore"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] セントロメア機能に必須なエピジェネティック機構 (2017)
  • Author(s): 堀 哲也
  • Organizer: 第40回日本分子生物学会年会
• [Book] 生体の科学, vol. 68 No. 3(担当：パイオニア転写因子によるクロマチン構造変換) (2017)
  • Author(s): 小山昌子, 胡桃坂仁志
  • Total Pages: 99
  • Publisher: 金原一郎記念医学医療振興財団
• [Book] ナノバイオ・メディシン (2017)
  • Author(s): 宇理須 恒雄、佐久間 哲史、高田 望、竹中 繁織、小澤 岳昌、吉村 英哲、胡桃坂 仁志、越阪部 晃永、原田 昌彦、束田 裕一、宮成 悠介、塩見 美喜子、大西 遼
  • Total Pages: 232
  • Publisher: 近代科学社
  • ISBN: 4764950286