課題番号 ０３Ａ－１３

研究題目

ヒト老化細胞に形成される 3D ゲノム構造とその形成機構の解明

研究組織
研究代表者：野間 健一（北海道大学遺伝子病制御研究所）
共同研究者：小迫 英尊（徳島大学先端酵素学研究所）
研究分担者：太田 信哉（北海道大学遺伝子病制御研究所）【1】研究の概要[1-1]本研究の目的・概要

2017)。その 10 年以上にわたる研究を通して、大小サイズの異なるさまざまクロマチンドメイン構造体が多重構造を形成しており、染色体細胞老化は、テロメア短小化、DNA 損傷、が動態、転写制御、DNA 修復などの生命現象に関ん遺伝子(発がん性 Ras)の過剰発現や、がん化与していることを明らかにしてきた(Tanaka et
学療法などによる様々な細胞ストレスによっ
al. Molecular Cell 2012; Iwasaki et al.て引き起こされる非常に安定した細胞周期停止状態として定義される。この細胞老化現象は、 Molecular Cell 2015)。加えて最近では、分裂期の染色体凝縮に必須であるコンデンシンに細胞の異常な増殖を防ぐことを通じて、極めてよる 3D ゲノム構造の形成と遺伝子の転写制御重要ながん抑制メカニズムとして機能していに焦点を当てて研究を進めており、本研究では、る。従って、細胞老化に主要な役割を担う p53その分子機構の解明に取り組んだ。
や Rb などをコードする遺伝子の多くは、がん抑制遺伝子として認識されている。いったん細[1-2]研究の方法・経過
胞老化が誘導されると、p53 標的遺伝子や老化
これまで細胞老化研究で実験材料として使関 連 分 泌 表 現 型 (Senescence-Associated
用されてきているヒト IMR90 細胞は、老化するSecretory Phenotype; SASP)因子をコードする細胞故、寿命が限られており、今日では枯渇し遺伝子(SASP 遺伝子)などのゲノム上に分布すてきている。そこで、本細胞に安定して発現する多くの遺伝子の転写が活性化される。これらるヒトテロメアーゼ(hTERT)をコードする遺伝の細胞老化に関与する遺伝子は、総称して老化子を導入し、さらにこの細胞の低酸素状態の培遺伝子と呼ばれる。ゲノム広範に分布する老化養系を構築した。これにより、その寿命を飛躍遺伝子の活性化に加えて、老化細胞では、ゲノ的に延長させた IMR-90T 細胞の構築とその培養ム上に散在するヘテロクマチン領域の凝集やに成功した。さらにこの細胞に発現誘導可能なセントロメア周辺のサテライト DNA 領域の膨張発ガン性 Ras(H-RasV12)を導入し、薬剤の添加など、ゲノムの 3 次元構造(3D ゲノム構造)の再で自在に OIS の誘導を可能にした細胞 IMR編成が起こることが知られている。しかし現時90TR を作成した。本細胞は、薬剤による OIS 誘点では、老化細胞に形成される 3D ゲノム構造
導後 2 日で、老化関連酸性β-ガラクトシダーの詳細やその形成機構、および老化細胞に特異ゼの非常に強い活性が検出され、同時に核内に的なゲノム構造と老化遺伝子活性化の関連性細胞老化特異的ヘテロクロマチン構造は、殆ど理解されていない。
(senescence-associatedheterochromatic
申請者は、2007 年の独立以来、独自のゲノミfoci:SAHF)も観察された。
クス法、または他のグループが開発した手法をこの IMR-90TR を用いて、OIS 誘導前後の細胞改良した方法を用いて 3D ゲノム構造を解析し核を精製し、画分に含まれるタンパク質を徳島てきた(Tanizawa et al. Nucleic Acids Res
大学先端酵素学研究所に設置の Orbitrap 型質
2010; Kim et al. Nature Genetics 2016;
量分析装置による定量を試みた。実際には、安Tanizawa et al. Nature Struct & Mol Biol
定同位体を用いた Stable Isotope Labeling by

Amino acids in Cell culture (SILAC)技術を用いることで、OIS の誘導前と OIS 誘導後 8 日目の老化細胞の核画分に含まれるタンパク質を相対的に比較定量した。また、断片化ペプチ
ドは強陽イオン交換固相 SCX を用いて、複数に分画した後に nano LC によりそれぞれをさらに分離し、質量分析を行った。

状である。本年度以降は、3D ゲノム分野とプロテオミクスを融合させた新規分野の確立し、この次世代の研究分野で先駆的な役割を担い、我が国の科学技術の進展へ貢献を目指す。

【3】主な発表論文等[3-1]論文発表
Sakuno T, Tashiro S, Tanizawa T, Iwasaki O,【2】研究成果
Ding DQ, Haraguchi T, Noma K*, Hiraoka Y*.
[2-1]本共同研究で明らかになった研究成果
Rec8 cohesin-mediated loop-axis chromatinarchitecture is required for meiotic
質量分析の結果、OIS 誘導前後のそれぞれのrecombination. Nucleic Acids Research.
細胞核画分で、2777 種類のタンパク質の同定とMarch25;Online
1501 種類のタンパク質の定量に成功した。また、 2022
(https://doi.org/10.1093/nar/gkac183)
SCX による分画を行わないで質量分析を実施し*Co-correspondence
たところ、定量タンパク質は 754 種類であった
ことから、細胞核の同定と定量には SCX による分画が効果的であることがわかった。これは、[3-2]学会発表
ヒストンなどの DNA 結合タンパク質は、リジンやアルギニンを多く持つため正電荷に帯電しZNF518 による CENP-B 依存的なペリセントロメているものが多いことが理由の一つにあるとアヘテロクロマチン化機構考えられる。
第 93 回日本遺伝学会年会、東京・2021 年 9 月
OIS の誘導後の核内では、これまでに報告がある複数の老化に関連した転写因子が、非常に増加していると同時に、老化細胞特異的な 3D ゲ
ノ ム 構造 の形 成に 必須で あ ると され てい る
High mobility group protein 1, 2 (HMGA1,2)なども同様に顕著に増加していることが実際に観察できた。これらの先行研究の結果の再現性の検証により、その信頼性を確認できた。
興味深いことに、複数あるヒストンタンパク質のアイソザイムについて、老化誘導前後で全く変化しないものと、著しく増加あるいは減少するものと、３つのカテゴリーに分けられた。
この結果は、特定のヒストンに関して、細胞老化の過程で、ゲノム上で大規模な置換が起こっている可能性を示唆している[3-3]成果資料等
ZNF518 による CENP-B 依存的なペリセントロメアヘテロクロマチン化メカニズム北海道大学部局横断シンポジウム、札幌・2021
年9月【4】今後の課題等
今後の課題、その他等

本共同利用研究により、細胞老化前後でタンパク質組成変化を定量的に測定することが可能となった。今後は、コンデンシン等のゲノムさらに、著しい増減を示すタンパク質には、 構造の形成に重要な因子の非存在下では、老化未だ老化との関連性が十分に示されていないによりどのようなタンパク質組成変化が起こタンパク質も存在した。これらのタンパク質は、 るのかを測定し、細胞老化に伴う 3D ゲノム構造の形成の分子機構について、その全容解明を目指
実際に細胞老化の核内でどのような役割を担っているかを検証する研究を今後進めていく。 す。
[2-2]本共同研究による波及効果及び今後の発展性
本研究は、ゲノミクスとプロテオミクスという両方の学術分野の融合を必要とするため、国内外においても例を見ない独創的なものである。また、3D ゲノムは、生物学の比較的新しい分野であるが、国内のこの分野における研究は残念ながら国際的に遅れをとっているのが実