【研究領域課題番号】22K06185 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クロマチン / ヌクレオソーム / ヒストン / 転写 / エピジェネティクス

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2022-04-01 - 2025-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】20H00489 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

触媒 / エピジェネティクス / アミロイド / クロマチン / アルツハイマー病 / タンパク質修飾 / ヒストン / アセチル化

【研究成果の概要】

生命の化学反応ネットワークに介入し、生体環境下においてタンパク質の化学構造と機能を人為的かつ思い通りに変換する化学触媒の創製を目的とする。化学触媒がタンパク質翻訳後修飾を担う酵素の機能を代替・拡張することで、新たな生物学研究ツールの創出や疾患治療概念の開拓を目指す。特に、生細胞内や動物個体内において、１）染色体エピジェネティクスへ人為的に介入する化学触媒と、２）タンパク質の質保証システムへ人為的に介入する化学触媒、の二つを開発する。従来はフラスコの中で使われてきた化学触媒の反応性と選択性の双方を飛躍的に向上させることが、この二つの開発目標を達成するための共通基盤となる。本研究の遂行により、遺伝子コード拡張や遺伝子編集技術と相補的に、生命現象の最上流から下流までを人為的に操作して生命機能を改善することが可能となり、化学および生命科学の基礎・応用分野に対して、極めて広範で高い波及効果を及ぼす。
本年度は、試験管内でヌクレオソームを構成するヒストンタンパク質に対して、極めて高い収率で広範にリジンN-アシル化反応を進行する化学触媒系を確立した。この触媒系では、オリゴDMAPを触媒として用いる。オリゴDMAPは水系溶媒の生物適合環境下において正電荷に帯電しているため、ポリアニオンであるDNAと静電相互作用をおこして、ヌクレオソームに集積する。ここにアセチル化剤として酢酸フェニルエステル誘導体を加えると、プロトン化されたリジン残基を含む三成分複合遷移状態を経て、アセチル化反応が大幅に加速された。得られたアセチル化ヌクレオソームは、有用な生化学ツールになることを示した。この化学触媒系を発展させて、生細胞内でも進行する触媒系の構築が進行中である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究領域課題番号】19K22245 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

化学合成 / クロマチン / DNA / ヒストン / ペプチド / ヌクレオソーム / エピジェネティクス / ライゲーション / 染色体 / 蛍光標識

【研究成果の概要】

（1）ミニ染色体モデルの化学合成…連結するDNAユニットの合成まで完成した。DNAユニット2種類あり、各々Widom601DNA配列を含めた。ユニットの末端は突出末端になっており、制限酵素に対応した配列を有する。
（2）ミニ染色体モデルに含まれる機能性ヒストンの化学合成…大気中でも安定な有機ルテニウム触媒を用いて、ワンポットで複数のペプチドを連結する方法を開発した。有機ルテニウム触媒は、従来のパラジウム錯体に比べて50倍以上の活性を示した。この有機ルテニウム触媒を用いて、リン酸化、ユビキチン化、シトルリン化、アセチル化などの部位特異的な翻訳後修飾を有するヘテロクロマチン因子を合成した。

【研究の社会的意義】

ミニ染色体モデルを創出する方法を確立することに意義がある。任意の配列を含む染色体構造を人工的に作ることはまだ可能になっていない。この方法が確立できれば、簡便に目的の配列や人工的な機能性修飾を含むミニ染色体モデルを獲得することが可能になり、飛躍的に染色体機能研究が進むと考えられる。また、ミニ染色体モデルを創出することにより、細胞内DNA本来の構造や反応に関わる情報を獲得できるようになる。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】18H02164 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞核 / クロマチン / ヒストンバリアント / アクチンファミリー / ヒストン / 核内アクチン / ヒストンバリアントH2A.Z / アクチン / エピジェネティクス / bicyclic peptide

【研究成果の概要】

ヒストンバリアントH2A.Zは、クロマチンに導入・排除されることで多くの遺伝子の転写制御に関わる。しかし，H2A.Z導入・排除のダイナミクスの制御機構は不明であった。H2A.Zノックアウト細胞および核内アクチンファミリー変異細胞を用いたクロマチン免疫沈降法などにより、核内アクチンファミリーがH2A.Z機能に関与することが示された。さらに、アクチンファミリーArp6, Arp8に特異的に結合する複数の二重環状ペプチド(bicyclic peptide)を細胞に導入し、H2A.Zの導入および排除の分子機構の一端を明らかにした。

【研究の社会的意義】

H2A/Zノックアウト細胞や、細胞核内アクチンファミリーに結合する二重環状ペプチドを用いた解析により、H2A.Zの導入や排除を行う複合体の機能メカニズムの一端を明らかにすることができた。この結果は、アクチンファミリーに結合する二重環状ペプチドによって、H2A.Zダイナミクスを介した人為的な遺伝子機能解析を行うことができる可能性を示唆しており、今後の農学・医学領域への応用も期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究領域課題番号】18H03931 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヌクレオソーム / DNA / クロマチン / ヒストン / パラジウム / ルテニウム / ペプチド / タンパク質化学合成 / エピジェネティクス / タンパク質合成 / 遺伝子制御 / 化学合成 / 合成化学 / 1細胞イメージング

【研究成果の概要】

（1）人工ヌクレオソームの化学的製造法の確立…有機金属錯体を用いた新たなペプチドライゲーション法を確立して、コアヒストン4種類（H2A, H2B, H3, H4）およびリンカーヒストンH1の合成を行った。
（2）スーパーヌクレオソームの創出…原子による細胞機能制御の本質を見抜くために、タンパク質修飾法を検討して、天然にはない機能を付与した「スーパーヌクレオソーム」を化学合成する方法を確立した。

【研究の社会的意義】

独自の化学合成の確立を通して、天然にはない標識や反応性官能基、複数の複雑な機能性ユニットをヒストン構造に入れることが可能になるので、機能解明を支援する創造的スーパーヌクレオソームを作成して未知のヌクレオソーム機能を明らかにすることができる。これによって、ヌクレオソーム内DNAへ働きかけることができる新たな抗がん剤設計などに利用することができる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円)

【研究分野】実験動物学

【研究領域課題番号】17K07132 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

精子形成 / 精原細胞 / エピジェネティクス / ヒストン / 制限幹細胞 / 精巣 / 精原幹細胞 / 発生・分化 / 細胞・組織

【研究成果の概要】

ヒストン脱メチル化酵素であるFbxl11の精子形成における機能を明らかにすることを目的として、生殖細胞特異的Fbxl11ノックアウト(Fbxl11 cKO)マウスを作成し解析を行った。その結果、Fbxl11cKOマウスでは、精原細胞の自己複製には大きな影響は見られない一方で、精原細胞の分化が著しく抑制され不妊になることが明らかになった。さらに、Fbxl11 cKOマウスの精原細胞では、mTORC活性の低下が起こり分化が抑制されていることが明らかになった。以上の結果から、Fbxl11はmTORシグナルを介して精原細胞の分化を調節するという新規のモデルが提唱された。

【研究の社会的意義】

生殖細胞は次世代に遺伝情報を伝達しうる唯一の細胞系譜であり、その発生を制御する分子基盤を明らかにすることは基礎科学的に極めて興味深い分野であると同時に、不妊・不育が大きな問題となっている今日において社会的にも希求性の高い研究である。本研究では、ヒストン脱メチル化酵素Fbxl11がmTORシグナルを介して精原細胞の分化を調節することを明らかにしており、エピジェネティクス制御を介した精原細胞のホメオスタシス維持機構を理解する上で重要な知見となる。さらに、本研究の成果は新たな不妊治療技術を開発するための一助となることも期待できる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】無機・錯体化学、分析化学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19145 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エピジェネティクス / トランジスタ / バイオセンサ / 有機FET / ヒストン

【研究成果の概要】

ヒストンの化学修飾を生体分子間相互作用として解析するため、有機薄膜FETデバイスの開発を行いエピジェネティクスセンサとして分子生物学や疾病診断、発症・進行予測ツールとしての可能性を見出すことである。各種ガン細胞の培養をおこない、培地中成分の多変量解析として、タンパク質の定性ならびに半定量実験をおこない、ヒストン修飾への足がかりとした。

【研究の社会的意義】

近年、ゲノムDNAやヒストンの後天的な化学修飾（エピジェネティクス）と疾病に関する多くの研究がなされており、様々な疾患とエピジェネティックな化学修飾との間に統計的な相関があることは誰もが認めるところである。しかしながら、多岐にわたるヒストン修飾を網羅的に測定する技術が無かった。我々は、ヒストンを含む測定対象溶液を滴下するだけで各種ヒストンの修飾状態を迅速に直接解析可能な有機FETデバイスの開発を行い、がん化等のエピゲノム異常検知、さらには発症・進行予測に向けた基礎・基盤技術を得ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2019-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】薬学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19479 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

触媒 / エピゲノム / タンパク質翻訳後修飾 / ヒストンアシル化 / 遺伝子転写 / 翻訳後修飾 / 化学触媒 / アセチル化 / エピジェネティクス / アシル化 / ヒストン / 染色体 / 蛋白質 / 化学修飾 / がん

【研究成果の概要】

生命は生体分子と化学反応のネットワークから発現する。生体内の化学反応には酵素が介在し、酵素の機能異常、あるいはそれにより引き起こされる生体内化学反応の異常が、生体恒常性の損失や疾患に密接に関与している。本研究の目的は、遺伝子転写を正に制御する翻訳後修飾であるヒストンタンパク質のリジンアセチル化に焦点を当て、生体内での人工化学触媒反応によって酵素非依存的にヒストンアセチル化を導入することを目的とする。本研究では、化学触媒DSHが、生細胞内でヒストンを含む内在性タンパク質の特定の残基を選択してアセチル化を進行させることを見い出した。さらに、DSHよりも活性の高い化学触媒HXAの開発をおこなった。

【研究の社会的意義】

生命現象は有機分子と化学反応のネットワークから発現し、そのネットワーク異常が病態を引き起こす。生体内の化学反応は通常、酵素により促進されるが、酵素の機能を代替する化学触媒をつくることを目的として研究をおこなっている、本研究では、遺伝子転写を正に制御するヒストンタンパク質のリジンアシル化を促進する化学触媒を開発した。これにより、エピゲノムを化学的に制御することによる病態治療の端緒を拓いた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】消化器内科学

【研究領域課題番号】16K09390 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

膵癌 / 膵がん / エピジェネテイクス / エピゲノム / クロマチン / ヒストン

【研究成果の概要】

本研究では膵発癌機序におけるエピジェネテイクス機構の重要性を明らかにすることを目的とした。具体的には遺伝子改変膵癌自然発症マウスとヒストンメチル化酵素のKOマウスとを交配し、ヒストンメチル化酵素Ehmt欠損マウスでは膵癌前駆病変の進行が遅延することを明らかにした。さらにまたEhmtの下流で膵前癌病変進行に重要な役割を持つ分子を解析した。これらのデータはEhmtがマウス膵においてKras遺伝子変異存在下での腫瘍発生に重要な役割を果たしていることを示唆するものであった。

【研究の社会的意義】

膵癌においては代表的な４つの遺伝子変異がよく知られているが、それらの存在のみが膵前癌病変の進行に必要十分であるとはいえない。エピジェネテイクス修飾は遺伝子発現を調節する機構であり、癌における重要性も明らかになりつつあることから、それらを標的として制御する薬剤も開発されつつある。本研究において膵癌の発生進行に関わるエピジェネテイクス修飾機構が明らかにされ、その意義が解明されることによる臨床的有用性は高いと考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】実験動物学

【研究領域課題番号】15K18386 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

精原細胞 / 精原幹細胞 / 精巣 / ヒストン / 精子形成 / エピジェネティクス

【研究成果の概要】

本研究ではヒストンH3K4/H3K36の脱メチル化 酵素であるKdm2aの精子形成における機能を明らかにすることを目的として、生殖細胞特異的Kdm2a KO(Kdm2a cKO)マウスを作成しその解析を行った。その結果 、Kdm2a cKOマウスでは未分化精原細胞から分化型精原細胞への移行が著しく抑制され重篤な精子形成不全が起こることを明らかにした。また、Kdm2a cKOマウスの精原細胞を用いたChIP-seqとマイクロアレイ解析の結果から、Kdm2aはmTORCの活性化を制御することにより精原細胞の自己複製と分化のバランスを制御するという新たなモデルが示された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】生体関連化学

【研究領域課題番号】15H02190 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / メチル化 / 脱メチル化 / ヒストン / 金属反応 / ペプチド合成 / エピジェネティクス / 化学合成 / イメージング / DNAメチル化 / 金属錯体 / RNA修飾 / ＤＮＡメチル化 / ＲＮＡ修飾 / 核酸 / 有機化学 / 癌 / ゲノム / バイオテクノロジー

【研究成果の概要】

われわれが開発した化学反応を基礎にして、高効率なエピジェネティクス検出研究を進めた。成果は次の通り。課題(i) 腫瘍不均一性を解くためのDNA反復配列に現れるメチル化の超高輝度検出、課題(ii) 腫瘍術後診断を効率化するDNA脱メチル化特異的反応生成物の超高性能分析、課題(iii) 遺伝子発現を制御するヒストン構造の化学的再現と解析

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円)

【研究分野】生物分子化学

【研究領域課題番号】25560408 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物活性物質の探索 / エピジェネティクス / ヒストン / ケミカルバイオロジー

【研究成果の概要】

生細胞ベースヒストン修飾プロファイル解析法を用いて、選択的なヒストン修飾変化を引き起こす化合物を海洋無脊椎動物から探索し、それらが幹細胞分化に与える影響を解析した。
スクリーニングの結果、ヒストン修飾をひとつもしくは複数変動させうるサンプルが多数認められた。そのうち、H3K9アセチル化を誘導する活性本体としてヒストン脱アセチル化酵素阻害剤として知られるpsammaplin Aが同定された。Psammaplin Aは胚様体形成において中胚葉および内胚葉への分化を促進した。また海綿Mycale sp.から強力なHDAC1阻害活性ならびに神経分化阻害活性を有する画分を見出した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】植物分子生物・生理学

【研究領域課題番号】24570065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エピジェネティクス / ヒストン修飾 / 植物ゲノム / 環境応答 / ヘテロクロマチン / ヒストン / 国際情報交換

【研究成果の概要】

シロイヌナズナのゲノム制御に機能するHDA6複合体の、ゲノム上での作用点（遺伝子領域）の同定に成功した。HDA6は乾燥耐性を制御するジャスモン酸シグナルネットワーク系の遺伝子群、およびCOPIAタイプのトランスポゾンに特異的に結合する。このことから、HDA6複合体には、ユークロマチン領域を制御する複合体とヘテロクロマチン領域を制御する複合体の、少なくとも２種類の複合体が存在することが示唆された。これらの結果は、ゲノム構造と遺伝子応答に関わる異なる複合体に於いて、１つのエピジェネティック因子が機能して、異なる作用・役割を持つことを示す大きな成果である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)

【研究分野】腫瘍生物学

【研究領域課題番号】23701047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

癌 / 組織・細胞 / ストレス / エピジェネティクス / ヒストン / 細胞・組織 / ヒストン修飾

【研究成果の概要】

癌の進展には腫瘍微小環境が重要な役割を果たす。我々は、低酸素・低栄養という腫瘍微小環境が（１）腫瘍細胞の増殖、転移能を促進すること（２）免疫系を制御すること（３）ヒストン脱メチル化酵素(JMJD1A, JHDM1D)が腫瘍増殖や血管新生を制御すること（４）JMJD1A阻害が血管新生阻害剤と相乗効果を示すことを報告してきた。このことから低酸素・低栄養に抵抗性な癌細胞を標的とすることが新規制癌法の開発に繋がることが示唆された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2011 - 2013

【配分額】2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)

【研究分野】動物生理・行動

【研究領域課題番号】20870037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エピジェネティクス / メチル化シトシン / ヒストン / アセチル化 / ヒストン・アセチル化 / インフルエンザウイルス / RNAポリメラーゼ / PAサブユニット / PB2サブユニット / エンドヌクレアーゼ活性 / 昆虫 / 転写共役因子

【研究成果の概要】

インフルエンザウイルスは人類にとって大きな脅威である.本研究では,ウイルスのRNA合成酵素の立体構造を解明し,新しい抗ウイルス薬の開発の基礎を構築する.現在までに大腸菌を用いてRNA合成酵素の機能部位の人工的発現に成功し,今後,立体構造解析や機能解析を行う.また,緑茶カテキンとサリドマイド由来誘導体がRNA合成酵素の機能を阻害することが明らかにされ,新しい抗インフルエンザ薬としての可能性を持つことが示唆された.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】3,302千円 (直接経費: 2,540千円、間接経費: 762千円)

【研究分野】遺伝・ゲノム動態

【研究領域課題番号】19570008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クロマチン / ヒストン修飾 / 後生遺伝学 / ストレス応答 / ノンコーディングRNA / エピゲノム / ヒストン / 組換え / 転写 / 減数分裂 / 転写制御 / 染色体 / non-coding RNA / エピジェネティクス

【研究成果の概要】

分裂酵母M26/CRE 配列の周辺におけるヒストン修飾やクロマチン再編成に関わる因子を数種同定し、それらの欠失変異株について、種々のストレスに対する感受性やヒストン修飾における役割を解明した。さらに、グルコース飢餓時に転写が活性化する分裂酵母fbp1+遺伝子座におけるクロマチン再編成に、mRNA 型の長鎖ノンコーディングRNA のカスケード転写が関わることを見出し、ノンコーディングRNA を介した新しい転写活性化モデルを提出した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】食品科学

【研究領域課題番号】16658055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アミノ酸 / エピジェネティクス / ヒストン / クロマチン / 転写因子 / DNAメチル化 / 食餌タンパク質 / ラット / ゲノム / RLGS / 栄養条件

【研究成果の概要】

本年度は、食餌成分のうちアミノ酸に注目し、アミノ酸の利用性によるエピジェネティクスレベルでの変化を検出できるか否かを解析した。特にアミノ酸に欠乏に鋭敏に応答する遺伝子であるIGFBP-1遺伝子に着目し、これらの遺伝子部位におけるヒストンのアセチル化およびメチル化の変動を免疫クロマチン沈降法(ChIP法)で検出した。HepG2細胞をロイシン欠乏培地(-Leu)で12時間処理し、同遺伝子を含む領域約30kbpについて3kbpの解像度で測定した。ヒストンH3のアセチル化は転写開始点付近(+73および-3357)においてロイシン欠乏で有意に増加した。H4については転写領域から上流20kbにかけて幅広い領域で有意な増加が認められた。H3のメチル化に関しても、転写促進性のLys4のメチル化では転写開始点付近で増加し、逆に抑制性のLys9のメチル化は10数kb以上上流の領域で減少しており、ロイシン欠乏による同遺伝子の転写制御と良く対応していた。同じ条件において各種転写因子の結合状態をChIP法で調べたところ、数kb上流付近へのATF-3、ATF-4およびC/EBPβの結合が-Leuで有意に増加しており、これは他のアミノ酸応答遺伝子であるアスパラギンシンターゼ(AS)遺伝子でも明確に観察された。これらの転写因子の機能をより明確にするため、各転写因子をノックダウンした場合にIGFBP-1およびAS遺伝子のアミノ酸に対する応答がどのようになるかを検討した。ATF-3およびATF-4のノックダウンの場合にこれら遺伝子の発現上昇が抑制されたので、これらの転写因子の重要性が確認された。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)