Chromatin potential for gene regulation

Abstract

金沢大学ナノ生命科学研究所本研究は、生命活動の根源である遺伝子発現を分子レベルで解明することを目的とし、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いて、クロマチン動態のナノ空間・リアルタイム撮影を試みる。本研究は、当該領域が掲げる、クロマチン構造が潜在的に持つ遺伝子発現制御能力「クロマチンポテンシャル」の実体を可視化することできる。具体的には、①ヒストンの翻訳後修飾を制御するヒストンメチル化酵素とクロマチンの動態、②クロマチンリモデリング複合体によるクロマチン構造の大規模な構造変化、③クロマチン構造が凝集するヘテロクロマチン形成過程を動画撮影し、クロマチン動態、および、その関連タンパク質の分子作動メカニズムを明らかにする。生命の根源である遺伝子発現には、クロマチン動態が重要な役割を果たすと考えられている。しかしながら、クロマチン動態や、その制御因子群がクロマチン上で起こす動的構造変化をナノ空間かつ、リアルタイムで可視化し解析した例はない。本研究は、高速原子間力顕微鏡（以下、高速AFM）を用い、クロマチンのナノ動態の実時空間イメージングを試み、クロマチン動態および、その関連タンパク質の分子作動機構を明らかにすることが目的である。最終年度は、初年度で得た高速AFM基板条件を用い（１）ATP依存性クロマチンリモデリング複合体（SNF2H）の高速AFM観察を行った。試験管内で、あらかじめSNF2Hとヌクレオソームを結合させ、ATP非存在下で高速AFM観察を行った。しかし、SNF2Hとヌクレオソームが結合した複合体は観察されなかった。次に、高速AFM観察中にATPをバッファー内に添加し、リモデリング反応を開始させた。その結果、数回の観察例ではあるが、ヌクレオソームの近傍にSNF2Hが存在し、ヌクレオソームのヒストンコアの位置が変わる様子（再配列）を可視化することができた。この時、SNF2Hとヌクレオソームはタイトに結合するわけではなく、数nm程度離れた場所でSNF2Hのひも状ドメインがヒストンコアに作用する様子が見られた。（２）領域内共同研究（胡桃坂計画班）として、H2AヒストンバリアントであるH2A.Bを含むヌクレオソームの高速AFM観察を行い、H2A.B-H2BダイマーがH2A-H2Bダイマーと自発的に交換する分子メカニズムの解明を行った。通常型のヒストンで構成されたヌクレオソームとH2A.Bヒストンバリアントを含むヒストンで構成されたヌクレオソームを比較すると、ヌクレオソーム構造が大きく異なり、開いた構造をとることを発見し、H2A.Bヒストンバリアントの自己交換反応のモデルを提唱した。研究課題/領域番号:19H05257, 研究期間(年度):2019-04-01 – 2021-03-31出典：研究課題「クロマチン動態の実時空間イメージング」課題番号19H05257（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PUBLICLY-19H05257/）を加工して作