2018 Fiscal Year Annual Research Report
複製因子の翻訳後修飾が制御する新しいDNAメチル化継承機構の構造基盤
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18H02392
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
有田 恭平 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 准教授 (40549648)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西山 敦哉 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (50378840)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | DNA維持メチル化 / 構造生物学 / ユビキチン化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ゲノムのCG配列中のシトシン塩基のメチル化は、遺伝子サイレンシング、ゲノムインプリンティング、X染色体不活化など様々な生命現象に関与する。DNAメチル化は分化した細胞の形質を決定する要因である。従って、哺乳類が多種多様な形質から成る細胞集団を維持するためには、DNAメチル化も細胞分裂を経て次の世代に正確に受け継がれていく必要がある。本研究ではDNA維持メチル化に必須の因子であるDNAメチル化酵素DNMT1とそのリクルータータンパク質であるUHRF1に焦点をあて、DNA維持メチル化の分子機構の解明を目指す。これまでに、複製後に生じた片鎖メチル化DNAをUHRF1のSRAドメインが認識し、その後UHRF1がDNMT1を呼び込むためにヒストンH3をマルチプルにモノユビキチン化することを構造生物学的な観点から明らかにしている。本年度は新たに複製因子に着目して研究を行った。
K126がメチル化された複製因子LIG1（LIG1K126me3）とUHRF1のTTDドメインとの複合体の結晶構造解析に成功した。その立体構造に基づいた変異体解析から、UHRF1とLIG1の高親和性の相互作用に重要なアミノ酸残基の同定に成功し、さらにその相互作用がLIG1のリン酸化によって制御される新規のメカニズムを解明した。LIG1の結合によるUHRF1の高次構造の変換機構を高速AFMとX線溶液散乱によって解明した。この研究成果は、Structure誌に採択された。
また、複製因子PAF15とUHRF1の複合体の構造解析に成功し、UHRF1がPAF15をユビキチン化する機構を構造生物学的な観点から明らかにした。さらに、ユビキチン化されたPAF15にDNMT1が強い親和性で結合することを構造生物学的な観点から明らかにし、複製と連動したDNA維持メチル化の新しい分子機構の一端を解明した。
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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
【UHRF1 TTDドメインとLIG1K126me3の複合体構造解析に成功し、その研究成果がStructure誌に採択された】
UHRF1のTTDドメインがLIG1K126me3と結合することを明らかにしていたが (Ferry Mol Cell 2017), UHRF1 TTDがなぜH3K9me3よりも約180倍強い親和性でLIG1K126me3と結合できるのかは不明であった。UHRF1 TTDドメインと118-130番目のアミノ酸領域のLIG1K126me3ペプチドとの複合体結晶構造解析に成功した。立体構造情報に基づいて部位特異的な変異を導入したLIG1ペプチドを用いることにより、UHRF1 TTDとLIG1K126me3の間の高親和性の相互作用のメカニズムを解明した。さらにLIG1のThr123のリン酸化がPKCβによって起こり、このリン酸化によってUHRF1 TTDとの結合が消失することから、リン酸化によるUHRF1とLIG1の相互作用の新規の制御機構を発見した。全長UHRF1にLIG1K126me3が結合すると、UHRF1の高次構造がコンパクトな構造から、フレキシブルな構造に変化することを明らかにし、構造変化による機能制御機構の存在を示唆する研究成果を得た。
【複製因子PAF15による新しいDNA維持メチル化の制御機構を解明】
PAF15は複製サイトに局在する因子である。分担研究者西山氏とともに、PAF15がDNA維持メチル化を制御する新たな因子であることを明らかにした。UHRF1とPAF15の複合体の構造解析に成功し、この立体構造に基づいた変異体解析から、UHRF1によるPAF15のユビキチン化機構を解明した。さらに、X線溶液散乱法を用いた解析から、ユビキチン化されたPAF15にDNMT1が結合することを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
DNA維持メチル化の異常は細胞内の遺伝子発現パターンの破綻をもたらし、がんの発症や増殖と深い関連があることが知られている。実際に、DNA維持メチル化に関与するUHRF1タンパク質は様々ながん細胞で過剰発現しており、その結果がん抑制遺伝子のDNAメチル化パターンの異常が起こることが知られている。従って、UHRF1はがんの治療に向けた薬剤開発の標的分子になると考えられている。本研究では、UHRF1 TTDとLIG1K126me3の相互作用に重要なアミノ酸の同定に成功している。申請者らが同定したUHRF1の結合ポケットを標的にした阻害剤は、UHRF1の機能を阻害する可能性がある。今後は、立体構造情報に基づいたUHRF1の機能阻害剤の開発を行っていく予定である。
さらに、複製と連携したDNA維持メチル化の分子機構を解明するために、今後は複製サイトで形成されるタンパク質複合体、またはタンパク質-DNA複合体に焦点を当てる。複合体の再構成を生物学的と化学を融合させた方法で行い、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析によって複合体構造を解明し、複製因子と維持メチル化因子の協調的な働きを立体構造情報に基づいて解明する。
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[Journal Article] Structure of the UHRF1 Tandem Tudor Domain Bound to a Methylated Non-histone Protein, LIG1, Reveals Rules for Binding and Regulation.2019
Author(s)
1.Kori S, Ferry L, Matano S, Jimenji T, Kodera N, Tsusaka T, Matsumura R, Oda T, Sato M, Dohmae N, Ando T, Shinkai Y, Defossez PA, Arita K.
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Journal Title
Structure
Volume: 27
Pages: 485-496
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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