RNG
Replication of Non Genome

Newsletter

新学術領域研究（研究領域提案型）
多様かつ堅牢な細胞形質を支える
非ゲノム情報複製機構
略称：非ゲノム情報複製
領域番号：７１０３

022020 June

Greeting 領域代表挨拶

COVID19を乗り越えた領域研究―公募班の先生を迎えて―新学術領域研究（研究領域提案型）

多様かつ堅牢な細胞形質を支える
非ゲノム情報複製機構（略称：非ゲノム情報複製/７１０３）

022020 June

表紙イラスト：フィンセント・ヴィレム・ファン・ゴッホ（Vincent Willem van Gogh、
1853 年 3 月 30 日 - 1890 年 7 月 29 日）「星月夜（オランダ語 : De sterrennacht、英語 : The starrynight）」
1889 年 6 月、フランス サン＝レミ＝ド＝プロヴァンスのサン＝ポール・ド・モゾル修道院の精神病院で療養中に描かれた。

未曾有の大惨事とも呼べる COVID19 の蔓延により、大規模な班研究（領域研究）は日本における科学行政

れて、Web 上でブレインストーミングしながら領域研究

世界中の研究活動が大きく停滞している状況で本領域も上の大きな特徴です。総合研究、特定研究、重点領域研を推進していきたいと考えております。COVID19 により２年目を迎えました。本来ならば共同研究により領域全究、特定領域研究と名前は移り変わっても、基本的なコ

皆様の研究生活に多大な支障が生じているものと思いま

体の研究が最も加速していかなければならない時期であンセプトは同じで異分野の研究者を集めてブレインス

すが、どうぞ本年度も「非ゲノム情報複製」の活動をご支りますが、今は耐える時と自覚し研究活動再開に向けた

トーミングすることで領域研究を推進するというもので援いただきますようよろしくお願い申し上げます。

準備を進めなければなりません。このような中において、す。このようなやり方は、日本人の性格に合っているのか、

本領域に新たに 19 人の公募班の先生を迎えたことは大これまでの領域研究が日本の科学技術の推進に果たしきな喜びです。本領域のメインテーマである「非ゲノム情た役割は非常に大きいものであったことは疑いありませ報複製機構の解明」は幅広い研究領域を含んでいるたん。以前は研究者が一堂に会して夜な夜なアルコールのめ、公募班の先生の専門性も多岐にわたっています。ど力も借りて喧々諤々な議論をしましたが、しかしながらこの先生もそれぞれの分野において卓越した研究を進められはまさに “三密” 状態でこれからの時代許されないのかれており、計画班の先生を含めて密接な共同研究を展開も知れません。一方、これを乗り越える武器として Web

できれば、領域研究の推進と目標達成に大きな力となる会議という簡便かつ、効率的な方法があっという間に世ことは間違いありません。

の中を席巻し、全ての会議が居ながらにしてできてしまう

新学術領域研究（今は学術変革領域研究）のようなOrganization 組織

A01 非ゲノム情報の基本的複製機構

中西 真

23 研究業績紹介

研究代表者

有田 恭平（横浜市立大学生命医科学研究科）

研究分担者

研究代表者

村上 洋太（北海道大学大学院理学研究院）

国際活動支援研究代表者

石黒 啓一郎（熊本大学発生医学研究所）

広報：河本 宏若手育成：古関 明彦

Genevieve Almouzni

研究代表者（京都大学再生医科学研究所）（理化学研究所生命医科学研究センター）（キュリー研究所）

研究分担者

油谷 浩幸（東京大学先端科学技術研究センター）
永野 隆（大阪大学蛋白質研究所）

海外連携：村上 洋太（横浜市立大学生命医科学研究科）（北海道大学大学院理学研究院）

研究支援コア：油谷 浩幸

企画：谷内 一郎

（東京大学先端科学技術研究センター）（理化学研究所）
運営協力：岩間 厚志

Kristian Helin（メモリアルスローンケタリング癌センター）

Anja Groth（コペンハーゲン大学）

研究分担者
研究代表者

古関 明彦（理化学研究所生命医科学研究センター）
遠藤 高帆（理化学研究所生命医科学研究センター）
岩間 厚志（東京大学医科学研究所）
北村 俊雄（東京大学医科学研究所）

研究分担者

谷内 一郎（理化学研究所）
河本 宏（京都大学ウイルス・再生医科学研究所）

研究代表者

丹羽 仁史（熊本大学発生医学研究所）

研究代表者

公募研究班

A01 非ゲノム情報の基本的複製機構

A02 非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

Huck Hui Ng

研究代表者

佐々木 真理子（東京大学定量生命科学研究所）

研究代表者

廣瀬 哲郎（大阪大学大学院生命機能研究科）
松崎 仁美（筑波大学生命環境系）

外部評価・助言（東京大学医科学研究所）（シンガポールゲノム研究所）

研究代表者

西山 朋子（名古屋大学大学院理学研究科）

研究代表者

佐々木 裕之運営協力：石黒 啓一郎

Heinrich Leonhardt

研究代表者

研究代表者

（ミュンヘン大学）

加納 純子（東京大学大学院総合文化研究科）

岸 雄介（東京大学大学院薬学系研究科）

研究代表者

池田 陽子（岡山大学資源植物科学研究所）

研究代表者

山田 泰広（東京大学医科学研究所）

運営協力：丹羽 仁史

研究代表者

高橋 達郎（九州大学大学院理学研究院）

研究代表者

竹林 慎一郎（三重大学大学院生物資源学研究科）（熊本大学発生医学研究所）

研究代表者

仙石 徹（横浜市立大学）

研究代表者

横林 しほり（京都大学iPS細胞研究所・大学院）

平野 達也

研究代表者

鐘巻 将人（国立遺伝学研究所）

研究代表者

深川 竜郎（大阪大学大学院生命機能研究科）（理化学研究所）

研究代表者

立和名 博昭（がん研究会）

研究代表者

甲斐 歳惠（大阪大学大学院 生命機能研究科）

研究代表者

正井 久雄（東京都医学総合研究所）

研究代表者

前原 一満（九州大学 生体防御医学研究所）

研究代表者

秋山 智彦（慶應義塾大学医学部）（九州大学生体防御医学研究所）

27 コラム（東京大学大学院理学系研究科）

27 活動報告

研究代表者

研究協力者

総務：有田 恭平

A02 非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御中西 真（東京大学医科学研究所）
鵜木 元香（九州大学生体防御医学研究所）
藤 泰子（東京大学大学院理学系研究科）

研究分担者

26 研究業績一覧
古関 明彦

東京大学医科学研究所 教授

研究分担者

研究代表者

（東京大学医科学研究所）

04 公募研究班

真

計画研究班

研究代表者

02 領域代表挨拶

中西時代になりました。本領域も積極的にこの方法を取り入

総括班

CONTENTS

領域代表

塩見 美喜子（熊本大学 発生医学研究所）

R NG Newsletter 02 | 03

A01

公募研究班:非ゲノム情報の基本的複製機構

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

クロマチン再構築因子が複製阻害から
ゲノム安定性を守る機構の解明

セントロメア近傍領域におけるコヒーシンアセチル化維持機構の解明

DNA 複製装置の進行は DNA 損傷や DNA に強固に結合しているタンパク質など様々な障害によって阻害されます。複製阻害に正しく応答できないと、ゲノム不安定化が起こり癌など多種多様の疾患の原因となります。しかし複製障害はゲノム上のランダムな場所に存在することが多く複製阻害が高頻度で起こる領域がほとんど見つかっていないため、複製阻害応答機構を分子レベルで解明することは困難でした。また DNA 複製はクロマチン上で起こることから、クロマチン構造制御因子は複製阻害応答に大きな影響を与えると考えられていますが、その詳細も十分に理解されていません。出芽酵母の rDNA 領域は、
100 コピー以上の rDNA 配列が縦列に並んだ巨大クラスターを形成しています。各配列にはリボソーム RNA 転写ユニットの他に複製開始点と複製阻害点が存在します。S 期になるといくつかの rDNA 配列から複製が開始しますが、複製装置の進行は複製阻害点で阻害されます。さらにこの複製阻害に正しく応答できないと、rDNA コピー数が変化しやすくなり rDNA 領域が不安定になります。このように複製阻害が高頻度で起こりその応答過程での異常を rDNA コピー数変化として容易に解析できるという点で出芽酵母の rDNA
は非常にユニークな領域であり、複製阻害応答機構を明らかにするためのモデル領域であると期待できます。先行研究において行ったゲノムワイドスクリーニングの結果、複製と共役したヌクレオソーム形成に関与する因子（CAF-1 複合体など）が欠損すると異常な
rDNA コピー数変動が起こることが明らかとなりました。そこで（１）ヌクレオソーム再構築
因子が rDNA 領域の複製に与える影響を調べ、（２）これらの因子が複製阻害応答過程で作用する分子機構を明らかにすることによって、非ゲノム情報複製機構が複製阻害からゲノム安定性を守る分子機構を明らかにしたいと考えています。

コヒーシンは真核生物における姉妹染色分体間接着に必須のタンパク質複合体です。接着の破綻は染色体不均等分配をひきおこし、細胞がん化の原因とも考えられています。一方でコヒーシンは、高次クロマチン構造形成にも重要な役割を果たしていることが近年明らかにされつつありますが、その具体的なメカニズムは分かっていません。コヒーシンは、結合因子や修飾因子の制御を受けて接着を確立・解除しており、なかでもアセチル化酵
素 Esco1/2 によるコヒーシン Smc3 サブユニットのアセチル化と、それに依存した接着確
立因子 Sororin/Dmt のコヒーシンへの結合は、DNA 複製に依存した接着の確立に必須であることが知られています。特に染色体上の重要な接着部位であり、分裂中期まで接着を維持し続けなければならないセントロメア近傍においては、コヒーシンアセチル化はEsco2 によって担われていることが知られており、Sororin/Dmt は、S 期にアセチル化コ
ヒーシンと結合することで接着を確立します。しかしながら、G2 期における Sororin/Dmtとクロマチンとの結合は比較的ダイナミックであること、また Esco2 は S 期終了後にクロマチンから解離し、分解されてしまうことから、セントロメアにおける接着を分裂中期まで維持するためには、持続的な Smc3 アセチル化が不可欠であると考えられますが、そのアセチル化維持の仕組みは明らかになっていません。そこで本研究では、世代を超えて継承される重要な非ゲノム情報のひとつであるコヒーシンのアセチル化がセントロメア領域において維持されるメカニズムを、ヒトやショウジョウバエの細胞を用いて解明すること、そしてコヒーシンのもうひとつの重要な機能である高次クロマチン構造形成におけるコヒーシンア
セチル化の役割を解明することを目指します。

研究代表者

佐々木 真理子

東京大学定量生命科学研究所
ゲノム再生研究分野・助教
sasakim@iam.u-tokyo.ac.jp
http://lafula-com.info/kobayashiken/
CytoGen/

Publications
1.

2.

Hosoyamada, S., Sasaki, M., Kobayashi, T. The
CCR4-NOT complex maintains stability andtranscription of rRNA genes by repressing antisensetranscripts. Mol Cel Biol 40, e00320-19 (2019)
Sasaki, M. and Kobayashi, T. Ctf4 prevents
genome rearrangements by suppressing DNA
double-strand break formation and its end
resection at arrested replication forks. Mol Cell
66, 535–545 (2017)04 | RNG Newsletter 02

A01

研究代表者

西山 朋子

名古屋大学大学院理学研究科
染色体生物学グループ・准教授
nishiyama@bio.nagoya-u.ac.jp
http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~nishiyama/Nishiyamalab-home.html

Publications
3.

4.

Saka, K., Takahashi, A., Sasaki, M., andKobayashi, T. More than 10% of yeast genes are
related to genome stability and influence cellularsenescence via rDNA maintenance. Nuc Acid Res
44, 4211–4211 (2016)
Pan, J.; Sasaki, M. (equally contributed) et al. A
hierarchical combination of factors shapes the
genome-wide topography of yeast meiotic
recombination initiation. Cell 144, 719–731 (2011)

5.

Sasaki, M., Lange, J., and Keeney, S. Genome
destabilization by homologous recombination in
the germ line. Nat Rev Mol Cell Biol 11, 182–195(2010)

1.

Nishiyama T., Compartments in the Ring. Mol
Cell 75, 201-203 (2019).

2.

Nishiyama T., Cohesion and cohesin-dependent
chromatin organization. Curr Opin Cell Biol. 58,
8-14 (2018).

3.

Yamada T., Nishiyama T., et al., Drosophila
Dalmatian combines sororin and shugoshin roles inestablishment and protection of cohesion. EMBO J.
36, 1513-1527 (2017).

4.

Kanke M., Nishiyama T., et al., Cohesin acetylationand Wapl‐Pds5 oppositely regulate translocation ofcohesin along DNA. EMBO J. 35, 2686-2698(2016).

5.

Nishiyama T., Peters JM., et al., Aurora B andCdk1 mediate Wapl activation and release ofacetylated cohesin from chromosomes byphosphorylating Sororin. PNAS. 110, 13404-9(2013).

R NG Newsletter 02 | 05

A01

公募研究班:非ゲノム情報の基本的複製機構

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

染色体末端特異的凝縮構造による
非ゲノム情報維持機構

減数分裂におけるDNAメチル化の消去・維持機構の解明

真核生物の線状染色体の末端にはテロメアと呼ばれるドメインが存在し、染色体末端構造の維持、細胞老化タイミング制御、細胞分裂期の染色体動態制御など、生命維持に重要な役割を果たしていることが知られています。そのテロメアに隣接して “サブテロメア”と呼ばれるドメインが存在します。サブテロメアは、長大な重複配列がモザイク状に存在することによる様々な実験手法的困難から、その機能がまだほとんど明らかにされていない“染色体の未開の地” です。これまでに私たちは、分裂酵母のセントロメアタンパク質 Sgo2が、細胞周期の間期特異的にサブテロメアにリクルートされ、高度に凝縮した knob 構造の形成を誘導することを発見しました。しかし、Sgo2 の具体的な作用機序や knob の細胞内機能については多くの謎が残されています。一方、ヒトと進化的に最も近いとされる大型類人猿（チンパンジー、ボノボ、ゴリラ、オランウータン）は、興味深いことにヒトとは大きく異なる染色体末端構造をもちます。ヒトには存在しない StSat と呼ばれる繰り返し配列がテロメアとサブテロメアの間に存在します。StSat も knob と同様に高度に凝縮したク
ロマチン構造を形成することが示唆されていますが、その形成機構や機能は不明です。そこで本研究では、染色体末端近傍領域の特徴的な凝縮構造がどのように形成され、どのような機能を果たしているのかを明らかにすることを目的とします。本研究により、真核生物のサブテロメア凝縮構造の共通点は何か、ヒトはサブテロメア凝縮構造を失ったことによってどうなったのか、という疑問の解明につながることが期待されます。

DNA メチル化は「非ゲノム情報」のうち唯一世代を超えて安定的に伝わることが証明されている修飾で、クロマチンとの相互作用を介して遺伝子の発現制御に関わることが知られています。近年、DNA メチル化の複製機構に関わる因子が同定され、細胞分裂の際
DNA メチル化を安定的に維持する機構が存在することが徐々に明らかになっています。また、DNA メチル化は減数分裂前後の生殖過程でダイナミックに変化し、個体発生に寄与することも知られています。DNA メチル化の次世代への伝達機構については、動物と植物の間で違いがみられ、動物では生殖系列で DNA メチル化がリプログラミングされ、雌雄のゲノムの差が生じる一方、被子植物では減数分裂後、胚乳系列でのみ DNA メチル化が解除され、卵及び精細胞では DNA メチル化が維持されることが知られています。そのため植物では DNA メチル化の変化が次の世代に伝わりうるとされています。私達はこれまでにシロイヌナズナを用いて、この分子機構の一端を明らかにしてきました。さらに、植物特有の DNA メチル化維持機構がどのように進化してきたかを明らかにするため、進化上、陸上植物の基部に位置するゼニゴケを用い解析を進めています。最近の解析から、ゼニゴケの生活環の中で DNA メチル化がゲノムワイドに変化することが明らかになっており、ゼニゴケ
における DNA メチル化制御機構は被子植物にはない、いくつかの動物との共通性が示唆されています。本研究ではゼニゴケの減数分裂前後における DNA メチル化の消去・維持機構に焦点を当て、制御の実体を明らかにすることを目指します。

研究代表者

加納

純子

東京大学大学院総合文化研究科
広域科学専攻・教授
jkanoh@bio.c.u-tokyo.ac.jp
http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jkanoh/Publications

研究代表者

池田 陽子

岡山大学資源植物科学研究所
環境応答機構研究グループ・准教授
yikeda@okayama-u.ac.jp
http://www.rib.okayama-u.ac.jp/ers/
research.html

Publications

1.

Inoue, H., *Kanoh, J., et al., Casein kinase 2
regulates telomere protein complex formation
through Rap1 phosphorylation. Nucleic Acids Res
47, 6871-6884 (2019)3.

Tashiro, S., *Kanoh, J., et al., Subtelomeresconstitute a safeguard for gene expression andchromosome homeostasis. Nucleic Acids Res 45,
10333-10349 (2017)

2.

Oizumi, Y., *Kanoh, J., et al., Alpha satellite
DNA-repeat OwlAlp1 forms centromeres in
Azara’ s owl monkey. Genes Cells 24, 511-517(2019)

4.

Tashiro, S., *Kanoh, J., et al., Shugoshin forms a
specialized chromatin domain at subtelomeres andregulates transcription and replication timing. Nat
Commun 7, 10393 (2016)06 | R NG Newsletter 02

A01

5.

Fujita, I., *Kanoh, J., et al., Telomere-nuclear
envelope dissociation promoted by Rap1
phosphorylation ensures faithful chromosome
segregation. Curr Biol 22, 1932-1937 (2012)

1.

2.

*Ikeda, Y., et al., *Mathieu, O. Loss of CG
methylation in Marchantia polymorpha caused
disorganization of cell division and reveals unique
DNA methylation regulatory mechanisms of non-CG
methylation. Plant Cell Physiol 59, 2421-2431 (2018)*Bowman, J.L., Ikeda, Y., et al., Insights into land
plant evolution garnered from the Marchantia
polymorpha genome. Cell 171, 287-304 (2017)3.

Ikeda, Y., et al., *Mathieu, O. Arabidopsis proteins
with a transposon-related domain act in genesilencing. Nat Commun 8, 15122 (2017)4.

*Ikeda, Y., Plant imprinted genes identified bygenome-wide approaches and their regulatory
mechanisms. Plant Cell Physiol 53, 809-816(2012)

5.

Ikeda, Y., et al., *Kinoshita, T. HMG domain
containing SSRP1 is required for DNA
demethylation and genomic imprinting in
Arabidopsis. Dev Cell 21, 589-596 (2011)

R NG Newsletter 02 | 07

A01

公募研究班:非ゲノム情報の基本的複製機構

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

ゲノム情報の複製正確性維持機構と非ゲノム情報維持反応のクロストークの解明

ヒストンメチル化状態の確立・維持・破綻機構

DNA の正確な複製は全ての生物にとって必須の反応です。DNA 複製の正確性は、主に DNA 合成酵素の正確性に依存していますが、これに加えて複製の誤りを修復する「ミスマッチ修復」が重要な役割を担っています。ヒトにおいてミスマッチ修復が欠損すると、変率が上昇し、きわめて高頻度にがんを発症することが分かっています。興味深いことに、
ミスマッチ修復の効率はクロマチンの状態によって異なることが報告されています。つまり、
非ゲノム情報は、クロマチン上でのミスマッチ修復に影響し、ゲノム情報の複製正確性を変えると考えられます。我々のグループでは、ツメガエル卵抽出液を用いてミスマッチ修復がクロマチン上で機能するしくみを解析し、クロマチンリモデリング因子 Smarcad1 とヒスト
ンシャペロン FACT がクロマチン上でのミスマッチ修復を補助することを発見してきました。
さらに、これらの因子は、ミスマッチ塩基周辺のヌクレオソームを広範囲に「排除」するために機能していました。この発見は、１）ヒストン修飾などの非ゲノム情報は、Smarcad1
や FACT などによるミスマッチ修復補助の効率に影響するのではないか、２）ヌクレオソー
ムの排除はミスマッチ周辺の非ゲノム情報の維持に影響するのではないか、という２つの興味深い可能性を示唆します。我々は、ミスマッチに依存したヌクレオソームのリモデリング
過程を精製タンパク質によって試験管内再構成し、Smarcad1 と FACT がそれぞれ異なるステップに機能する事を見いだしました。本研究では、ツメガエル卵抽出液と精製再構成系を利用し、ゲノム情報と非ゲノム情報の複製正確性がミスマッチ修復を介して相互に影響するメカニズムを解明します。

ヒストンは様々な位置のリジン残基でメチル化を受け、それにより異なる生物学的応答が引き起こされます。例えば、H3K36 のメチル化は転写領域や intergenic 領域に見られ、適切な転写開始点の選択や DNA メチル化などを制御しています。一方、H3K27 のメチル化は条件的ヘテロクロマチン形成を誘導し、分化制御遺伝子などの発現を抑制しています。
ヒストンメチル化酵素には様々な種類があり、それぞれ特定の位置にメチル基を導入します。
これらの酵素は多くの因子によって複雑な制御を受けますが、その制御機構の詳細な理解は進んでいません。また、異常なヒストンメチル化は様々な疾患と密接に関係しています。
本研究ではクライオ電子顕微鏡を用いた立体構造解析を行い、2 種類のヒストンメチル化酵素（H3K36 をメチル化する NSD2/MMSET と、H3K27 をメチル化する PRC2）がメチル化状態という非ゲノム情報がどのように確立・維持し、またその制御が病的環境でどのように破綻するかを解明します。生化学的解析から、NSD2 は遊離ヒストンに対する活性は弱く、ヌクレオソーム構造を認識して H3K36 をメチル化することが示唆されています。また、造血器腫瘍において NSD2 の活性が異常亢進しており、一部の白血病ではこれが E1099K 変異によって引き起こされています。ヌクレオソーム環境による NSD2 の正常な活性制御機構と、E1099K 変異による病的な活性化機構の解明を目指します。PRC2は複数のサブユニットからなるメチル化酵素複合体であり、コアサブユニットに加えて異なる種類の付加的サブユニットがゲノム上の局在と活性を制御しています。また、ヌクレオソー
ムが H2A モノユビキチン化されると活性が上昇し、一方 H3K36 メチル化で活性が抑制されることが分かっています（修飾のクロストーク）。これらの複雑な PRC2 機能制御機構の構造基盤を明らかにします。

研究代表者

高橋

達郎

九州大学大学院理学研究院
生物科学部門 染色体機能学研究室
准教授
takahashi.tatsuro.465@m.kyushu-u.ac.jp
http://www.biology.kyushu-u.ac.jp/~chromosome/Publications
1.

Terui, R., Nagao, K., Kawasoe, Y., Taki, K., Higashi,
TL., Tanaka, S., Nakagawa, T., Obuse, C., Masukata,H., *Takahashi, T.S., Nucleosomes around amismatched base pair are excluded via an
Msh2-dependent reaction with the aid of SNF2 family
ATPase Smarcad1. Genes Dev 32, 806-821 (2018)2.

Kawasoe, Y., Tsurimoto, T., Nakagawa, T.,
Masukata, H., *Takahashi, T.S., MutSα maintains
the mismatch repair capability by inhibiting PCNA
unloading. eLife 5, e15155 (2016)08 | RNG Newsletter 02

A01

研究代表者

仙石

徹

横浜市立大学 医学部 生化学教室
講師
tsengoku@yokohama-cu.ac.jp
http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~seika/Publications
3.

Higashi, T.L., Ikeda, M., Tanaka, H., Nakagawa, T.,
Bando, M., Shirahige, K., Kubota, Y., Takisawa, H.,
Masukata, H., *Takahashi, T.S., The
prereplication complex recruits XEco2 tochromatin to promote cohesin acetylation in
Xenopus egg extracts. Curr Biol, 22, 977-988(2012)

4.

*Takahashi, T.S., Basu, A., Bermudez, V.,
Hurwitz, J., *Walter, J.C., Cdc7-Drf1 kinase links
chromosome cohesion to the initiation of DNA
replication in Xenopus egg extracts. Genes Dev
22, 1894-1905 (2008)

1.

Niwa H, , Handa N, Sengoku T, Umehara T,
Yokoyama S*. Development and Structural
Evaluation of N-Alkylatedtrans-2-Phenylcyclopropylamine-Based LSD1
Inhibitors. ChemMedChem Mar 12 (2020)

5.

Takahashi, T.S., Yiu, P.Y., Chou, M.F., Gygi, S.,*Walter, J.C., Recruitment of Xenopus Scc2 andcohesin to chromatin requires the pre-replication
complex. Nat Cell Biol 6, 991-996 (2004)

2.

Sengoku T, Suzuki T, Dohmae N, Watanabe C,
Honma T, Hikida Y, Yamaguchi Y, Takahashi H,
Yokoyama S*, Yanagisawa T*. Structural basis ofprotein arginine rhamnosylation byglycosyltransferase EarP. Nat Chem Biol 14,
368-374 (2018)

3.

Tang Z, Chen WY, Shimada M, Nguyen UT, Kim J,
Sun XJ, Sengoku T, McGinty RK, Fernandez JP,
Muir TW, Roeder RG*. SET1 and p300 act
synergistically, through coupled histone
modifications, in transcriptional activation by p53.
Cell 154, 297-310 (2013)4.

Shpargel KB, Sengoku T, Yokoyama S, Magnuson
T*. UTX and UTY demonstrate histone
demethylase-independent function in mouseembryonic development. PLoS Genet 8, e1002964(2012)

5.

Sengoku T, Yokoyama S*. Structural basis forhistone H3 Lys 27 demethylation by UTX/KDM6A.
Genes Dev 25, 2266-77 (2011)

R NG Newsletter 02 | 09

A01

公募研究班:非ゲノム情報の基本的複製機構

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

非ゲノム情報による複製開始点制御の解明

核内RNAクラウドによる非ゲノム情報ネットワークの維持機構の解析

真核生物のモデル生物代表選手である出芽酵母においては、複製開始点がコンセンサ
ス配列に規定されており、染色体上全ての複製開始点が同定されています。一方、ヒト細胞を含む哺乳動物の複製開始点には明確なコンセンサス配列が存在せず、非ゲノム情報により制御されていることが知られています（図 A）。これは、初期発生等ダイナミックに染色体が変化する状況では、コンセンサス配列できっちり複製開始点を決めないことが有利だったことを示しているのかもしれません。この性質のため、ヒト細胞においてはいくつかの代表的な複製開始領域を除けば、全ゲノムにおける詳細な複製開始点の位置や各々の活性は理解されておらず、従って非ゲノム情報との詳細な関連も明らかになっていません。
DNA 複製においてはリーディング鎖が連続して合成されるのに対し、ラギング鎖として非連続的に合成される岡崎フラグメントは、後に DNA リガーゼによって連結されます。
そこで、DNA リガーゼを阻害し、岡崎フラグメントを集めて方向性を特定したままシーケンスすれば、染色体上の複製開始点の位置と活性を網羅的に同定できます（図 B）。このOkazaki sequence（OK-seq）法は、出芽酵母の DNA リガーゼ温度感受性変異株を用いておこなわれましたが、ヒト細胞においては DNA リガーゼを効率よく不活化する方法が無かったため、おこなわれたことがありません。そこで、私たちの研究室で開発したオーキ
シンデグロン法をヒト細胞のDNA リ ガ ー ゼ LIG1 と LIG3に応用し、リガンド添加により
LIG1 と LIG3 を数時間以内に分解除去することが可能なヒト
細 胞を作出しました（図 C）。
本研究では、ヒト細胞を材料とした OK-seq により、染 色 体
上の複製開始点の位置と活性を調べるとともに、ChIP-seq
等で調べられた非ゲノム情報との関連性を明らかにします。

約 70％の乳がんはエストロゲン受容体（ER）を発現しており、その増殖に ER の機能が必要です。そのため、ER の基質となるエストロゲンの産生を抑制するホルモン療法がER 陽性乳がんには有効です。しかし、ホルモン療法を継続していく過程においてホルモン療法耐性となりがん細胞が再び増殖を始めることが知られています。我々は、この再発乳がん細胞において ER をコードする ESR1 遺伝子座近傍に非コード RNA エレノアが塊（クラウド）を形成していることを報告しています。また、エストロゲン類縁体の添加により ER
依存的にエレノアクラウドが消失し、細胞死に至ることを明らかにしています。さらに、エレノアクラウドの消失に伴い ESR1 遺伝子座近傍のクロマチン構造が変化することを見出しています。以上のことから、ホルモン療法耐性再発乳がん細胞において ESR1 遺伝子座には、非コード RNA を中心とした非ゲノム情報ネットワークが形成されていることが分かります。しかし、これらが協調的に複製・維持される分子機構は明らかではありません。そこで本研究ではホルモン療法耐性再発乳がん細胞の ESR1 遺伝子座近傍の非ゲノム情報複製機構を、非コード RNA エレノアおよびヒストンを中心とする非ゲノム情報の解析から明らかにします。研究はホルモン療法耐性再発乳がんモデル細胞を用いて、エレノアクラウド
をエストロゲン類縁体の添加により消失させ、その前後において非ゲノム情報の変化を解析することにより進めていきます。本研究は、転写制御機構の解明につながり、細胞のがん化だけではなく遺伝子発現プロファイルの変化する生命現象（発生、分化、外部刺激に対する応答など）の理解につながることが期待されます。

研究代表者

鐘巻

将人

国立遺伝学研究所・教授
mkanemak@nig.ac.jp
http://kanemaki-lab.sakura.ne.jp/jpn/

Publications
1.

2.

Natsume, T., Nishimura, K., Minocherhomji, S.,
Bhowmick, R., Hickson, ID., *Kanemaki, MT.
Acute inactivation of the replicative helicase in
human cells triggers MCM8-9-dependent DNA
synthesis. Genes Dev 31, 816-829 (2017)
Natsume, T., Kiyomitsu, T., Saga, Y., *Kanemaki,
MT. Rapid protein depletion in human cells by
auxin-inducible degron tagging with shorthomology donors. Cell Rep 15, 210-218 (2016)10 | RNG Newsletter 02

A01

研究代表者

立和名 博昭公益財団法人がん研究会
がん研究所がん生物部・研究員
hiroaki.tachiwana@jfcr.or.jp
https://www.jfcr.or.jp/laboratory/
department/cancer_biology/www/default.htm

Publications
3.

Nishimura, K., Ishiai, M., Horikawa, K., Fukagawa,T., Takata, M., Takisawa, H., *Kanemaki, MT.
Mcm8 and Mcm9 form a complex that functions
in homologous recombination repair induced by
DNA interstrand crosslinks. Mol Cell 47, 511-522(2012)

4.

Watase, G., Takisawa, H., *Kanemaki, MT.
Mcm10 plays a role in functioning of the
eukaryotic replicative DNA helicase,
Cdc45-Mcm-GINS. Curr Biol 22, 343-349 (2012)

1.

Takizawa, Y., Tachiwana, H., et al., co-first author)
Cryo-EM Structures of Centromeric
Tri-nucleosomes Containing a Central CENP-A
Nucleosome. Structure 28, 44-53 (2020)

5.

Nishimura, K., Fukagawa, T., Takisawa, H.,
Kakimoto, T., *Kanemaki, M. An auxin-based
degron system for the rapid depletion of proteinsin nonplant cells. Nat Meth 6, 917-922 (2009)2.

Arimura, Y., Tachiwana, H., et al., The CENP-A
centromere targeting domain facilitates H4K20
monomethylation in the nucleosome by structuralpolymorphism. Nat Commun. 10, 576 (2019)3.

Tachiwana, H., Müller, S., et al., HJURP
involvement in de novo CenH3(CENP-A) and
CENP-C recruitment. Cell Rep. 11, 22-32 (2015)

4.

Tachiwana, H., Miya, Y., et al., Nap1 regulates
proper CENP-B binding to nucleosomes. Nucleic
Acids Res. 41, 2869-2880 (2013)

5.

Tachiwana, H., Kagawa, W., et al., Crystal
structure of the human centromeric nucleosome
containing CENP-A. Nature 476, 232-235 (2011)

R NG Newsletter 02 | 11

A01

公募研究班:非ゲノム情報の基本的複製機構

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

エピゲノム情報としてのグアニン４重鎖の形成と複製開始における役割と生物学的意義

非コードRNAによって形成される
核内相分離環境の継承機構の解明

ゲノム情報の媒体である DNA は、大部分 B 型 DNA と総称される右巻き二重らせん構造ですが、それ以外の形態である非 B 型 DNA 構造の存在が古くから知られています。中でもグアニン４重鎖 (G4) 構造は、生物種を問わず普遍的に存在します。最近、その細胞内での存在も証明され、生物学的機能も次々と報告されています（図）。G4 はゲノムに内蔵されるが、配列ではなく、形成する核酸形態が重要な役割を果たします。また、G4 は転写や複製に連動して一過性に形成され、とりまくイオン強度、分子混雑度、エピゲノム環境などにその安定性は大きな影響を受けます。また、G4 を破壊する酵素 (G4 ヘリカーゼ )も存在します。従って G4 の形成と崩壊は、生体内でダイナミックに変動している可能性があり、これまで見逃されている重要な非ゲノム情報であると言えます。G4 と DNA 複製の関係は、ほとんど知られていませんでしたが、数年前にヒトを含む高等生物の複製起点の近傍に高い頻度で G4 形成配列が存在することが明らかとなり、G4 が複製開始に役割を果たす可能性が示唆されました。また G4 は、形成されることにより複製フォーク進行を阻害し、遺伝的不安定性を増加させる可能性、また繰り返し構造の増幅などによるその異常な形成が疾患の原因になることも知られています。私たちは長年にわたる DNA 複製の制
御機構の研究から、G4 が複製を抑制するクロマチン形成の拠点として機能することを発見しました。また、大腸菌染色体複製をモデルとした研究から、RNA-DNA ハイブリッド
上に形成される G4 が複製開始に重要な役割を果たす可能性を見出しました。本研究では、非ゲノム情報としての G4 の細胞内でのダイナミックな形成が、DNA 複製開始をどのように制御するか、またその存在がゲノムの安定な維持継承にどのような影響を及ぼすか、に関して解析し、生物種を超えた普遍的かつ始原的な複製機構と、その生物学的意義の解明を目指します。

哺乳類細胞の核内には、膜を持たない構造体が複数存在し遺伝子発現の重要なハブとして働いていると考えられています。これまでに私たちは、特定の非膜性構造体の骨格として構造形成を先導する非コード RNA を発見し、Architectural RNA (arcRNA) と命名しました。arcRNA は特異的な天然変性タンパク質を集約して細胞内相分離を誘導して非膜性構造体を形成しており、その構造体は複数のクロマチン座位と相互作用して発現制御のハブとして働く可能性があります。このような相分離環境を介して形成されたクロマチン
構造が、細胞分裂の過程でどのように継承されるのかについては、これまでほとんど知見がありません。そこで本研究では、私たちが長年研究してきたパラスペックルと核内ストレス
ボディという 2 種類の arcRNA 骨格をもつ非膜性構造体を取り上げ、構造体の構成因子および標的クロマチン座位との相互作用が、細胞分裂時にどのように解消され、さらに細胞分裂後に再形成されるのかを明らかにすることによって、相分離環境の継承メカニズムを解明することを目指します。そのために生化学的手法を用いた非膜性構造体の構成因子の変動検出、超解像イメージングと人為的テザリング系による arcRNA の生細胞イメージ
ングとクロマチン相互作用検出系を開発し、細胞分裂前後での相互作用をモニタリングすることを試行します。本研究によって相分離環境におけるエピジェネティック制御機構を明らかにすることで、当該領域の目指す非ゲノム情報の継承における新たな基盤知見の獲得が期待できます。

研究代表者

正井

久雄

公益財団法人東京都医学総合研究所
基礎医科学研究分野・所長
masai-hs@igakuken.or.jp
http://www.igakuken.or.jp/genome/

A02

研究代表者

廣瀬

哲郎

大阪大学大学院生命機能研究科
RNA 生体機能研究室・教授
hirose@fbs.osaka-u.ac.jp
http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/hirose

G4（グアニン４重鎖）の多様な機能：
G4 は 多 様 な 形 態、トポ ロ ジ ー で
DNA お よ び RNA あ る い は RNADNA ハイブリッド上に形成され、核酸が関与する多種多様な反応を制御
し ま す。本 研 究 で は、特 に RNADNA ハイブリッド上に形 成されるG4 構造上での複製開始メカニズムの解明を目指します。

Publications

Publications

1.

Kanoh, Y., ••••• and *Masai, H. Rif1 binds toG-quadruplexes and suppresses replication overlong distances. Nature Struct. Mol. Biol. 22,889-897 (2015)

3.

*Masai, H., et al. Molecular architecture of
G-quadruplex structures generated on duplex Rif1
binding sequences. J. Biol. Chem. 293,
17033-17049 (2018)2.

Yang, C-C., ••••• and *Masai, H. Claspin recruits
Cdc7 kinase for initiation of DNA replication inhuman cells. Nature Communications 7, 12135(2016)

4.

Kobayashi, S., ••••• and *Masai, H. Both aunique motif at the C terminus and N-terminal
HEAT repeat contribute to G4 binding and origin
regulation by Rif1 protein. Mol. Cell. Biol. 39(4),pii: e00364-18. (2019)12 | RNG Newsletter 02

5.

Yang, C-C., ••••• and *Masai, H. Cdc7 activates
replication checkpoint by phosphorylating the
Chk1 binding domain of Claspin in human cells.
E-life 8, pii: e50796 (2019)1.

Yamazaki T, *Hirose T., et al., Architectural RNAs formembraneless nuclear body formation. Cold
Spring Harb Symp Quant Biol. pii: 039404 (2020)

2.

Ninomiya K, *Hirose T., et al., LncRNA-dependent
nuclear stress bodies promote intron retention
through SR protein phosphorylation. EMBO J. 39:
e102729 (2020)3.

Yamazaki T, *Hirose T., et al., Functional domains of
NEAT1 architectural lncRNA induce paraspeckle
assembly through phase separation. Mol Cell 70:
1038-1053 (2018)

4.

Chujo T, *Hirose T., et al., Unusual
semi-extractability as a hallmark of nuclear
body-associated architectural noncoding RNAs.
EMBO J 36: 1447-1462 (2017)5.

Mannen T, *Hirose T., et al., The Sam68 nuclear
body is composed of two RNase-sensitive
substructures joined by the adaptor HNRNPL. J Cell
Biol 214: 45-59 (2016)

R NG Newsletter 02 | 13

A02

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

A02

哺乳類の正常発生を支える
非対称性DNAメチル化維持機構の解明

神経幹細胞の運命転換における非ゲノム情報の複製・維持そして変換機構の解明

哺乳類の精子と卵は高度に分化した細胞で、そのエピゲノムは互いに大きく異なります。
この非対称性は、受精後、細胞が全能性を獲得するとともに解消され（リプログラミング）、
両親から受け継がれる一対の遺伝子のほとんどは、子供において同等に発現します。しかし、一部の遺伝子では、生殖細胞で確立された非対称的なエピゲノムが、リプログラミングを免れて維持されるため、父方、または母方アリルのみでしか発現がおこりません。この現象は「ゲノム刷り込み genomic imprinting」と呼ばれ、個体の正常な発生・維持に必須です。片アリル性発現の分子基盤として、転写調節領域（imprinting control region;
ICR）のアリル特異的な DNA メチル化修飾が見いだされ、その生殖細胞での確立と、受精後の維持に必要な DNAメチル化酵素群もそれぞれ明らかにされてきました。一方で我々幹細胞は、発生初期には自己複製によりその数を増やし、あるタイミングになると分化細胞を産生します。すなわち、複製・維持されている非ゲノム情報を、あるタイミングで変換することで、適切な組織を構築することができます。
脳の高次機能をつかさどる大脳新皮質の幹細胞である神経幹細胞は発生早期においては、盛んに増殖を繰り返すことで神経幹細胞の数を増やし（増殖期）、発生中期にはニューロンを産生します（ニューロン分化期）。この神経幹細胞の運命転換のタイミングは厳密に制御される必要があります。例えば増殖期からニューロン分化期への移行のタイミ
ングが遅くなると、神経幹細胞の数が過剰になって脳が異常に大きくなる可能性があるからです。実際に、このタイミングの制御異常で発達性神経疾患を発症することが近年の研究で示唆されてきています。しかしながら、現在までに神経幹細胞の増殖期からニューロン
分化期への移行メカニズムはほとんど明らかにされていません。そこで本研究では、増殖期からニューロン分化期への運命転換において、非ゲノム情報であるオープンクロマチン領域が複製・維持あるいは変換するメカニズムを包括的に明らかにすることを目指します。

は、マウス Igf2/H19 刷り込み遺伝子座 ICR の解析の過程で、同領域には生殖細胞でDNA メチル化以外のエピジェネティック・マークも書き込まれ、それをもとに受精後でもアリル特異的に新規 DNA メチル化されうることを見いだしました。また、この新規メチル化に必要な制御シス配列を決定して欠損したところ、受精後にメチル化と正常発生が失われました。したがって、同活性は、正常発生を支えるための、エピゲノム情報の保護機構として不可欠のシステムであると考えられます。そこで本研究では、生殖細胞での DNA メチル化以外のマーキングと、受精後の刷り込み新規 DNA メチル化を制御する因子を探索し、その作用機序を解析することで、非対称性 DNA メチル化状態を正しく維持するための分子メカニズムの解明を目指します。

研究代表者

松崎

仁美

筑波大学生命環境系・助教
matsuzaki@tara.tsukuba.ac.jp
http://kt-b1-mac1.tara.tsukuba.ac.jp/~tanimotokeiji/Keijis/Welcome.html

Publications
1.

2.

Matsuzaki, H., et al., *Tanimoto, K. Recapitulationof gametic DNA methylation and its
post-fertilization maintenance with reassembled
DNA elements at the mouse Igf2/H19 locus.
Epigenetics & Chromatin 13, 2 (2020)
Matsuzaki, H., et al., *Tanimoto, K. Synthetic DNA
fragments bearing ICR cis elements become
differentially methylated and recapitulate genomic
imprinting in transgenic mice. Epigenetics &14 | R NG Newsletter 02

研究代表者

岸

雄介

東京大学大学院薬学系研究科
分子生物学教室・講師
ykisi@mol.f.u-tokyo.ac.jp
http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~molbio/

Publications
Chromatin 11, 36 (2018)
3.

4.

Matsuzaki, H., et al., *Tanimoto, K. De novo DNA
methylation through the 5'-segment of the H19 ICR
maintains its imprint during early embryogenesis.
Development 142, 3833-3844 (2015)†Okamura, E., †Matsuzaki, H., et al., *Tanimoto, K.
(†equal contribution) The H19 imprinting control
region mediates preimplantation imprinted

methylation of nearby sequences in yeast artificial
chromosome transgenic mice. Mol. Cell. Biol. 33,
858-871 (2013)5.

Matsuzaki, H., et al., *Tanimoto, K. CTCF binding is
not the epigenetic mark that establishes
post-fertilization methylation imprinting in thetransgenic H19 ICR. Hum. Mol. Genet. 19,
1190-1198 (2010)

1.

Nakagawa, T., et al., *Kishi, Y. Epigenetic
regulation for acquiring glial identity by neural stem
cells during cortical development. GLIA, doi:
10.1002/glia.23818 (2020)3.

Eto, H., *Kishi, Y., et al. The Polycomb groupprotein Ring1 regulates dorsoventral patterning of
the mouse telencephalon. bioRxiv, 2019,
doi.org/10.1101/639492

2.

Sakai, H., et al., *Kishi, Y. Plag1 regulates neuronal
gene expression and neuronal differentiation of
neocortical neural progenitor cells. Genes to Cells,24(10):650-666 (2019)4.

Tsuboi, M., *Kishi, Y., et al. Ubiquitinationindependent repression of PRC1 targets during
neuronal fate restriction in the developing mouseneocortex. Developmental cell, 47, 758–772 (2018)

5.

Kishi, Y., et al. HMGA regulates the global
chromatin state and neurogenic potential in
neocortical precursor cells. Nature Neuroscience,
15, 1127-1133 (2012)

R NG Newsletter 02 | 15

A02

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

DNAメチル基転移酵素による新規メチル化
標的領域の同定とその病態研究への応用

非ゲノム複製の破綻がもたらすDNA損傷メカニズムの解明

多様な形質を持つ多細胞生物の体細胞が、分裂の際に形質を維持しながら倍加するた
めには、非ゲノム情報も正確に複製される必要があります。なかでも抑制性非ゲノム情報の代表である DNA メチル化はメチル基転移酵素による DNA メチル化の維持および付加と受動的および能動的な脱メチル化のバランスよって維持され、体細胞形質の恒常性維持に重要な役割を果たしていることが示唆されています。実際に、DNA メチル化レベルの領域
特異的な異常亢進は、がんをはじめとする様々な疾患で観察されています。しかしながら、DNA メチル化状態の複製機構破綻の原因については大部分が不明のままです。本研究では、DNA メチル 化 機 構、な かでも 新 規 DNA メチル 基 転 移 酵 素 DNMT3A および
DNMT3B に着目し、それぞれの酵素による新規 DNA メチル化標的部位の領域特異性を明らかにするとともに、標的領域特異性を規定する分子基盤の解明を目指します。さらに、
DNMT3A および DNMT3B による領域特異的 DNA メチル化による遺伝子発現制御への関与を示し、その異常による個体発生異常や個体老化、がんなどの疾患発症機構の理解を目指します。最終的にはその分子機構に介入することで、効率的な細胞運命制御方法
や疾患治療法の開発への応用を目指します。

多くの非ゲノム情報の中でも DNA メチル化に関しては継承メカニズムの解明が進んでおり，その過程に関わる多くの因子がこれまで同定されています。具体的には，ゲノム複製の際に生じたヘミメチル化 DNA（親鎖にメチル基が付加した状態であるが，新生鎖は修飾されていない状態の DNA）が，DNMT1 維持メチル化酵素の働きによって両鎖がメチル化された状態に変換され，親鎖のメチル化パターンが次世代に正確にコピーされることがすでに明らかになっています。私たちは，NP95/UHRF1 タンパク質がゲノム複製によって一時的に生じたヘミメチル化 DNA に結合し，そこに DNMT1 酵素を呼び込むことでメチル化パターンの維持を行なっていることを報告するなど，そのメカニズム解明に貢献してきました。興味深いことに，DNMT １酵素を欠損させた細胞では急激な増殖停止や細胞死が誘導されるという現象が報告されています。遺伝子発現の制御不全だけでは説明できない現象が起こっており，そのメカニズム解明は非ゲノム複製の生物学的意義の再評価に繋がると期待されます。最近，私たちは，DNMT1 阻害によって異常に生じたヘミメチル化 DNA
が DNA 損傷の原因になっていること示唆するデータを得ています。また，この損傷は
DNMT1 阻害を行った最初の S 期では誘導されませんが，さらに次の S 期で強く誘導されるということも明らかにしています。これらの結果から，DNMT1 阻害で生じたヘミメチ
ル化 DNA が，次の細胞周期の S 期で複製フォークと衝突を起こすことで DNA 損傷が誘導されるというヘミメチル化起源モデルを私たちは提唱しています。ヘミメチル化 DNA とNP95/UHRF1 の複合体が複製フォークと衝突を起こすことで DNA 損傷の原因になっている可能性も考えられ，本研究ではこれらのモデルを検証します。

研究代表者

山田 泰広

東京大学医科学研究所
先進病態モデル研究分野・教授
yasu@ims.u-tokyo.ac.jp
https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/
yamada_lab/home/index.html

Publications
1.

2.

Komura S, *Yamada Y et al. Cell-type dependentenhancer binding of the EWS/ATF1 fusion gene inclear cell sarcomas. Nature Commun. 10(1):3999(2019)
Terada Y, *Yamada Y et al. Human pluripotent
stem cell-derived tumor model uncovers theembryonic stem cell signature as a key driver inAtypical teratoid/Rhabdoid tumor. Cell Reports.
26, 2608–2621 (2019)16 | RNG Newsletter 02

A02

研究代表者

竹林 慎一郎三重大学大学院生物資源学研究科
分子細胞生物学研究室・准教授
stake@bio.mie-u.ac.jp
http://kyoin.mie-u.ac.jp/profile/2922.html

Publications
3.

Shibata H, *Yamada Y et al. In vivo
reprogramming drives Kras-induced cancer
development. Nature Commun. 9(1):2081 (2018)4.

Yagi M, *Yamada Y et al. Derivation ofground-state female ES cells maintaining
gamete-derived DNA methylation. Nature. 548(7666):224-227 (2017)

5.

Ohnishi K, *Yamada Y et al. Prematuretermination of reprogramming in vivo leads tocancer development through altered epigenetic
regulation. Cell 156(4):663-77 (2014)

1.

2.

Miura, H., Takahashi, S., Shibata, T., Nagao, K.,
Obuse, C., Okumura, K., Ogata, M., Hiratani, I.,*Takebayashi, S. I. Mapping replication timing
domains genome wide in single mammalian cellswith single-cell DNA replication sequencing(scRepli-seq). Nat. Protoc. (in press).
Takahashi, S., Miura, H., Shibata, T., Nagao, K.,
Okumura, K., Ogata, M., Obuse, C., *Takebayashi,
S. I., and Hiratani, I. Genome-wide stability of thestable association of Dnmt1 with newly replicatedregions. Mol. Cell Biol. 27:8243-8258 (2007)

DNA replication program in single mammalian cells.
Nat. Genet. 51:529-540 (2019)3.

*Takebayashi, S., Ogata, M., and Okumura, K.
Anatomy of Mammalian Replication Domains.
Genes (Basel) 8: E110 (2017)4.

Takebayashi, S., Tamura, T., Matsuoka, C., andOkano, M. Major and essential role for DNA
methylation mark in mouse embryogenesis and5.

Sharif, J., Muto, M., Takebayashi, S., Suetake, I.,
Iwamatsu, A., Endo, T. A., Shinga, J.,
Mizutani-Koseki, Y., Toyoda, T., Okamura, K., Tajima,S., Mitsuya, K., Okano, M., and Koseki, H. The SRA
protein Np95 mediates epigenetic inheritance byrecruiting Dnmt1 to methylated DNA. Nature
450:908-912 (2007)

R NG Newsletter 02 | 17

A02

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

エピゲノムリプログラミング過程のゆらぎに関わるクロマチン高次動態の解明

非ゲノム情報によって制御される
セントロメアの維持・形成機構

エピゲノムリプログラミングは、エピゲノム状態のゲノムワイドな変化を介して細胞の運命
変化や初期化を促す生命現象であり、哺乳類の初期胚や生殖細胞の発生、さらに iPS 細胞（人工多能性幹細胞）の樹立に重要な役割を果たす現象です。近年のクロマチン研究か
ら、エピゲノム状態の維持および変化は、クロマチンの高次動態（立体的相互作用や核内
空間的配置）と連動しながら協調的に制御されていることが示唆されています。しかし、リプログラミング過程で起きるゲノムワイドなエピゲノム変化が高次クロマチン動態に与える
影響、およびその相互関係における理解はまだほとんど成されていません。私はこれまで、
ヒト iPS 細胞を起点とした試験管内始原生殖細胞誘導系の確立と、細胞株による分化傾向性の違いを解析してきました。さらに、株間比較エピゲノム解析により多様性（多型）を示す領域を同定し、細胞機能への影響の解析を進めてきました。本研究では、これらのエ
ピゲノム多型領域を基盤とし、ヒト iPS 細胞のエピゲノム状態複製維持に関わる高次クロマ
チン動態の連関機序の理解を目指します。さらに、試験管内始原生殖細胞誘導系を用いて、
ヒト iPS 細胞株のエピゲノム多型が、始原生殖細胞で誘発されるエピゲノムリプログラミン
グ過程およびその後の生殖細胞分化に与える影響を、高次クロマチン動態に着目して理解することを目指します。これらの研究は、エピゲノムリプログラミング現象に伴う非ゲノム情報の変換および維持を協調する分子制御メカニズムの理解、さらにはエピゲノムリプログラ
ミング過程のロバストネスの理解につながることが期待されます。

生物が生命を維持するためには、染色体が安定に複製・分配されることが必要です。真核生物における正確な染色体分配には、セントロメアと呼ばれる特殊領域が重要であり、
セントロメア上に形成されるキネトコア構造と紡錘体微小管との適切な結合が、正確な染色体分配に必須となります。興味深いことに、多くの生物のセントロメアは、塩基配列による “ゲノム情報” では規定されずに、エピジェネティックな “非ゲノム情報” によって規定されます。CENP-A と呼ばれるセントロメアに特異的なヒストンがエピジェネティックな目印として働いていると考えられてはいますが、セントロメアを規定するための “非ゲノム情報” の実体については不明な点が多いです。研究代表者の深川は、これまでに、セントロメア及びキネトコアタンパク質の同定やその機能・構造解析、セントロメアゲノムの配列解明などの研究成果をあげてきましたが、その知識をベースに、本研究においては、セントロメアやキネトコアが形成される際に必要な “非ゲノム情報” の実体の解明を目指します。具体的には、
I) 配列に依存しないでセントロメアと相互作用するゲノム領域の特徴解明、II) ゲノム複製の前後で変化するセントロメアに特異的なクロマチン構造の実体解明を行います。本研究では、本領域に所属する多様な研究者と共同で、セントロメアを規定する新たな非ゲノム情報を明らかにしようとするものであり、DNAのメチル化やヒストン修飾
でないと新しい非ゲノム情報を同定できれば、これら
は、セントロメア生物学の領 域だけでなく、ゲノム生物学分野に高いインパクトを与えることができると考えています。

研究代表者

横林 しほり京都大学 iPS 細胞研究所・大学院
医学研究科機能微細形態学
斎藤通紀研究室・特定拠点助教
yokobayashi@anat2.med.kyoto-u.ac.jp
http://anat.cell.med.kyoto-u.ac.jp/

Publications

研究代表者

深川 竜郎

大阪大学大学院生命機能研究科
教授
tfukagawa@fbs.osaka-u.ac.jp
http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/
fukagawa/index_j.html

Publications

1.

Yamashiro, C., et al., Yokobayashi, S., et al.,Generation of human oogonia from induced
pluripotent stem cells in culture. Nat Prot, 15,
1560-1583 (2020)

3.

*Yokobayashi, S., et al., *Saitou, M., Clonalvariation of human induced pluripotent stem cells
for induction into the germ cell fate. Biol Reprod,
96, 1154-1166 (2017)2.

*Yokobayashi, S. and *Saitou, M., Reconstitutionof germ cell development in vitro. Cell Biology of
the Ovary, Springer, Singapore (2018)

4.

Sasaki, K., Yokobayashi, S., et al., co-first author,
Robust in vitro induction of human germ cell fatefrom pluripotent stem cells., Cell Stem Cell, 17,
178-94 (2015)18 | RNG Newsletter 02

A02

5.

Yokobayashi, S., et al., *Peters, AH., PRC1
coordinates timing of sexual differentiation of
female primordial germ cells. Nature, 495, 236-40(2013)

1.

Watanabe, R., *Fukagawa, T., et al.,
CDK1-mediated CENP-C phosphorylation modulates
CENP-A binding and mitotic kinetochore localization.
J Cell Biol 218, 4042-4062 (2019)2.

Hara, M., *Fukagawa, T., et al., Multiple
phosphorylations control recruitment of the KMN
network onto kinetochores. Nature Cell Biol 20,
1378-1388 (2018)3.

Hori, T., *Fukagawa, T., et al., Association of
M18BP1/KNL2 with CENP-A Nucleosome Is
Essential for Centromere Formation in
Non-mammalian Vertebrates. Dev Cell 42, 181-189(2017)

4.

*Fukagawa, T., and Earnshaw, W., The
centromere: chromatin foundation for the
kinetochore machinery. Dev Cell 30, 496-508 (2014)

5.

Nishino, T., *Fukagawa, T., et al., CENP-T-W-S-X
Forms a Unique Centromeric Chromatin Structurewith a Histone-like Fold. Cell 148, 487-501 (2012)

R NG Newsletter 02 | 19

A02

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

生殖幹細胞の全能性を保障する
多階層的な非ゲノム情報の複製機構の解明

クロマチン構造と遺伝子発現を接続する
一細胞時系列モデリング

定常的に保たれているように見える高等動物の多くの組織は、組織の消耗や細胞死により失われる細胞を、組織幹細胞に由来する新しい細胞で常に補うことによって維持されています。ショウジョウバエの卵巣幹細胞システムは、幹細胞を維持するためのニッチと呼ばれる微小空間内外での幹細胞の制御機構に数々の先鞭をつけてきたモデル系です。この幹細胞システムでは、卵巣の先端に位置するニッチ内で生殖幹細胞が非対称分裂し、一つは幹細胞としてニッチ内に留まります。生殖幹細胞は、ニッチ細胞から TGFβリガンドを受け取ることができ、未分化状態を維持しています。一方、もう一つの娘細胞はニッチを離れて、分化プログラムを開始し、減数分裂を経て卵として成熟していきます。細胞分化の際には、染色体高次構造のダイナミックな変化が、多くの遺伝子の発現制御に関与していると考えられています。さらに、染色体高次構造は、DNA 塩基修飾や染色体に結合するインスレー
ターによって制御されています。即ち、生殖幹細胞における DNA 塩基修飾や染色体高次構造などの非ゲノム情報を複製する機構は、生殖幹細胞を維持するメカニズムであり、この破綻によって分化が始まると考えられます。本研究では、遺伝学的・組織学的解析に優れたショウジョウバエ生殖幹細胞をモデル系として、雌性生殖幹細胞における DNA 塩基修
飾と染色体高次構造の解析を行います。それらの結果から、幹細胞の維持と分化に関与する DNA の化学修飾や染色体高次構造などの多階層性非ゲノム情報が、複製・維持される分子機構の解明を目指します。

細胞分化は遺伝情報の選択的な獲得により制御されます。その制御は、転写制御因子
がゲノム上の制御配列に結合することで行われ、これまで数多くの組み合わせが同定されてきました。ゲノム機能は、分化刺激への応答により惹起される多数分子の組み合わせによってクロマチン構造を変化させ、転写を活性化あるいは抑制します。私はこれまで、多数
分子の織りなす転写制御の複雑さを紐解く鍵が、クロマチン構造変化にあると考え、計算機を用い、クロマチン構造を構成するヒストンバリアントの網羅的同定と機能解析を行ってきました ( 論文４，５ )。これまでに、マウス骨格筋幹細胞に発現するヒストンバリアント
H3mm7 を同定し、H3mm7 のクロマチンへの取り込みが、分化に伴う遺伝子発現量の「レート（倍率）変化」を引き起こし、骨格筋再生を制御することを報告しました（論文３）。
こうした空間・時間的に限られた局面ではたらく組織特異的な幹細胞の機能を理解するには、組織や単一細胞レベルでヒストンの局在と、その変化がもたらす遺伝子発現のダイナミ
クスを同時に知る必要があると考えました。そこで本計画では、独自に開発した少数細胞
エピゲノム解析技術 ChIL 法（論文２）によるマルチオミクスデータの取得、およびその解析を行います。さらに、クロマチン構成因子と遺伝子発現制御の制御／依存関係の理解を目指し、現在開発中の単一細胞データの時間構造推定法（論文１）を応用した、新たな遺伝子発現の時系列解析法の確立を目指します。具体的には、単一細胞遺伝子発現データの時系列モデリングを行い、遺伝子発現のみによって説明できない制御構造の変化や、計
測対象外の因子による外乱の有無を評価します。ダイナミクスの適切な記述に必須のモデ
ル外部の要素（非ゲノム因子としてのクロマチン構造）の機能を解明することで、クロマチ
ン構造変化による遺伝子発現の新たな理解を目指します。

研究代表者

甲斐

歳惠

大阪大学大学院 生命機能研究科
生殖生物学研究室・教授
toshie_kai@fbs.osaka-u.ac.jp
http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/kai/Publications
1.

2.

Teo, R.Y.W., *Kai, T., et al., Heterochromatinprotein 1a functions for piRNA biogenesis
predominantly from pericentric and telomericregions in Drosophila. Nature Commun. 9, 1735(2018)
Quénerch’ du, E., *Kai, T., et al., The piRNA
pathway is developmentally regulated during
spermatogenesis in Drosophila. RNA 22,
1044–1054 (2016)20 | RNG Newsletter 02

A02

研究代表者

前原

一満

九州大学 生体防御医学研究所
トランスクリプトミクス分野・助教
kazumits@bioreg.kyushu-u.ac.jp
http://tx.bioreg.kyushu-u.ac.jp

Publications
3.

Anand, A., and *Kai, T., The tudor domain protein
Kumo is required to assemble the nuage and to
generate germline piRNAs in Drosophila. EMBO J.
31, 870–882 (2012)

4.

Patil, V.S., and *Kai, T., Repression ofretroelements in Drosophila germline via piRNA
pathway by the tudor domain protein Tejas. Curr.
Biol. 20, 724–730 (2010)

5.

Lim, A.K., and *Kai, T., Unique germ-line
organelle, nuage, functions to repress selfish
genetic elements in Drosophila melanogaster.
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 6714–6719(2007)

1.

Maehara K and *Ohkawa Y. Modeling latent flows
on single-cell data using the Hodge decomposition.
BioRxiv (2019; preprint)

2.

†Harada A, †Maehara K, †Handa T, et al. A
chromatin integration labelling method enables
epigenomic profiling with lower input. Nature Cell
Biology 21(2):287-296 (2019)3.

†Harada A, †Maehara K et al. Histone H3.3
sub-variant H3mm7 is required for normal skeletal
muscle regeneration. Nature Communications 9(1):1400 (2018)4.

Maehara K and *Ohkawa Y. Exploration of
nucleosome positioning patterns in transcription
factor function. Scientific Reports 6:19620 (2016)

5.

†Maehara K, †Harada A, et al. Tissue-specificexpression of histone H3 variants diversified after
species separation. Epigenetics & Chromatin,
8:35, (2015)†: co-first authors

R NG Newsletter 02 | 21

A02

公募研究班:非ゲノム情報複製機構による細胞機能制御

Research introduction 研究業績紹介

体細胞分裂から減数分裂へのスイッチをいれるMEIOSIN

幹細胞のエンハンサー機能を支える
クロマチン継承機構
造血幹細胞や多能性幹細胞に代表される「幹細胞」は、自己複製と分化能という２つの性質を持ちます。自己複製を続ける幹細胞が、環境変化に応じて分化細胞へと転じるには未分化維持に関わる「非ゲノム情報」をすみやかに除去しなければなりません。胚性幹細胞 (ES 細胞 ) の場合、OCT4 を中心とした転写因子ネットワークがその「非ゲノム情報」の本質ですが、いかにして OCT4 が自己複製を制御しつつ、柔軟に細胞分化に対応できるのかは大きな謎です。OCT4 の発現自体は分化後も一定期間持続されるので単に発現量の調節だけでは説明がつきません。それよりも、OCT4 が分化に応じて結合するエンハン
サー領域から迅速に乖離できる機構が疑われます。転写因子の結合調節にはエンハンサー
領域の高次クロマチン構造が重要な役割を果たします。ES 細胞では、エンハンサー領域がオープンになり、活性型クロマチン修飾がエンリッチした、基本的には体細胞とよく似た構造を持つことが知られています。しかしながら、幹細胞が持つ特有の性質、自己複製と分化能を司るエンハンサー構造の同定には至っていません。自己複製を行うために OCT4 の結合は堅牢に維持されながらも、分化に備えて容易に乖離できる動的なクロマチン構造が存在すると考えられます。本研究では、OCT4 の結合と配置、解離のタイミング、そして分化における再配置を調節するクロマチン制御機構の解明を目指します。

石黒 啓一郎（熊本大学・発生医学研究所）
Ishiguro K* Matsuura K, Tani N, Takeda N, Usuki S, Yamane M, Sugimoto M, Fujimura S, Hosokawa M, Chuma S, Ko S.H.M, Araki K, Niwa H :MEIOSIN directs the switch from mitosis to meiosis in mammalian germ cells. Dev. Cell 52, 429-445 (2020)

研究代表者

秋山 智彦

慶應義塾大学医学部・専任講師
akiyama617@keio.jp
http://systemsmedicine.jp/

減数分裂は体細胞と同様の細胞周期の機構を巧みに転用し良く Pre-meiotic S 期の精母細胞を回収できる遺伝子改変マながらも、減数分裂仕様の染色体構造が再構成されるようにウスを開発し、STRA8 と相互作用する新規の因子を質量分析

プログラムされている。体細胞分裂と比較した場合、減数分裂法により同定した。この因子は ID 番号だけを付されたゲノムにではゲノム半数化の染色体分配を実行する “第一分裂” が挿入

眠る未解析の遺伝子 Gm4969 にコードされていた。我々がされている点が両者の本質的な相違を与えていると解釈され

MEIOSIS initiator (MEIOSIN) と 名 付 け た タ ン パ ク 質 はる。体細胞分裂から減数第一分裂への切替えが何によって制

HMG-like ドメインをもつ DNA 結合因子と推測されるが、これ御されているのかという問題は、生物種を問わず長年の懸案とを欠損させると雄雌ともに精巣・卵巣の萎縮を伴って体細胞されていた。マウスではレチノイン酸に応答して一過的に発現誘分裂から減数分裂への切替えが見られなくなる事が判明した

導される STRA8 タンパク質が減数分裂の進行に必須であるこ( 図 A, C)。さらに本領域計画班の丹羽班との共同で行ったとが 2000 年代半ばの先行研究により示唆されていたが、そのChIP-seq 解析により、MEIOSIN は STRA8 と複合体を形成

分子機構の解明は国際的にも攻め倦んでいた。

して減数分裂関連遺伝子の転写開始点近傍に結合することが最近、我々は減数分裂にコミットした生殖細胞集団から効率判明した。この事実と符合して Meiosin を欠損させた生殖細胞では多くの減数分裂関連遺伝子の発現低下が見られた。さらに Meiosin を欠損させた精母細胞では、細胞周期の維持に関与する体細胞型 Cyclin の異所的発現や M 期様染色体構造など体細胞様の特徴を示す細胞の蓄積が観察された。興味深いことに、Meiosin 欠損マウス卵巣では僅かながらも見かけは卵子によく似た oocyte-like cell が採取される ( 図 C)。野生型の卵子がキアズマを持つ 20 対の二価染色体を示すのに対して、驚くべきことにこの oocyte-like 細胞は 40 本の姉妹
染色分体を示すことが判明した。この事実は Meiosin 欠損マウスでは、減数分裂のプロセスを経由せずに生き延びた卵子前駆細胞が見かけ卵子様の分化を遂げながらも体細胞と同じ染色体構成を示すことを示唆している。
本研究により MEIOSIN は減数分裂の開始に決定的な役割を担う転写活性化因子であることが明らかとなった。さらに本Publications
1.

2.

Akiyama, T., et al., *Ko, MSH. Efficientdifferentiation of human pluripotent stem cells into
skeletal muscle cells by combining RNA-based
MYOD1-expression and POU5F1-silencing. Sci
Rep. 8, 1189 (2018)

3.

*Akiyama, T., et al., *Ko, MSH. Transient ectopic
expression of the histone demethylase JMJD3
accelerates the differentiation of human pluripotent
stem cells. Development 143, 3674-3685 (2016)4.

22 | RNG Newsletter 02

Akiyama, T., et al., *Ko, MSH. Transient bursts ofZscan4 expression are accompanied by the rapid
derepression of heterochromatin in mouseembryonic stem cells. DNA Res. 5, 307-318(2015)

5.

Akiyama, T., et al., *Aoki, F. Inadequate histone
deacetylation during oocyte meiosis causes
aneuploidy and embryo death in mice. Proc Natl
Acad Sci U S A. 103, 7339-7344 (2006)

図 Meiosin 欠損マウスの表現型(A) Meiosin の欠損マウスにおける精巣の萎縮 (B) Meiosin の欠損マウスの精細管では精子が見られず空洞化している。減数分裂のマーカー SYCP3 で示される精母細胞が見られない。(C) Meiosin の欠損マウスにおける卵巣の萎縮（上段）。野生型の卵子はキアズマを持つ 20 対の二価染色体を示すのに対して，Meiosin 欠損 oocyte-like 細胞は 40 本の姉妹染色分体を示す（下段）。

研究の成果から “減数分裂の細胞周期” が卵子の分化とは遺伝学的に分離されるプロセスであることが強く示唆される。本
研究成果は、体細胞分裂と減数分裂との本質的な違いを決定付けるメカニズムの全容解明に向けて、国際的にも圧倒的に有利な状況で研究を加速することが期待される。

Akiyama, T., et al., *Aoki, F. Dynamic
replacement of histone H3 variants reprograms
epigenetic marks in early mouse embryos. PLoS
Genet. 7, e1002279 (2011)

R NG Newsletter 02 | 23

Research introduction 研究業績紹介

DNAメチル化維持を制御する
もう一つのユビキチン化〜影武者だったPCNA〜

UHRF1のリン酸化によるリガンド結合の制御

西山 敦哉（東京大学医科学研究所）

有田 恭平（横浜市立大学 生命医科学研究科）

Nishiyama, A., Mulholland, C., Bultmann, S., Kori, S., Endo, A., Saeki, Y., Qin, W., Trummer, C., Chiba, Y., Yokoyama, H., Kumamoto, S., Kawakami, T., Hojo, H., Nagae, G., Aburatani, H.,
Tanaka, K., Arita, K., Leonhardt, H., Nakanishi, M: Two distinct modes of DNMT1 recruitment ensure stable maintenance DNA methylation. Nature Communications 11(1), 1222.(2020).

Kori S*, Jimenji T*, Ekimoto T*, Sato M, Kusano F, Oda T, Unoki M, Ikeguchi M, Arita K. (*These authors equally contributed to this work.) Serine 298
phosphorylation in linker 2 of UHRF1 regulates ligand-binding property of its tandem Tudor domain. J. Mol. Biol., in press (2020)

DNA メチル化酵素 1 (DNMT1) は、DNA 複製時に一過的に所佐伯先生との共同研究として行った DNMT1 結合タンパク質UHRF1 はヒストン H3 や PAF15 をマルチプルにモノユビキチ

spacer は単体の TTD に結合できるものの、TTD から linker 2生成されるヘミメチル化 DNA（親鎖のみがメチル化されたの質量分析解析により、既知の UHRF1 基質であるヒストン H3

ン化し、維持型メチル化酵素 DNMT1 をヘミメチル化 DNA にまでの領域（TTD-L2）には著しく結合が弱くなることがわかった。

DNA）を両鎖メチル化 DNA に変換し、DNA メチル化維持を担と 部 分 的 な 相 同 性 を 示 す PCNA-associated factor 15

集 積 さ せ る タンパ ク 質 で あ る（Nishiyama Nature 2013:

このことか ら linker 2 は 優 先 的 に TTD の peptide-binding

うタンパク質である。DNMT1 はヘミメチル化 DNA を好んでメチ(PAF15) が同定されたのである。その後の解析により、PAF15

Nishiyama Nat comm 2020）。UHRF1 は UBL, TTD, PHD,

groove に結合し、他の結合因子の結合を阻害していることがわ

ル化する活性をもつが、細胞内では加えて、ヘミメチル化 DNA

は H3 類似配列において二箇所に UHRF1 によるモノユビキチン

SRA, RING の 5 つの機能ドメインから成り、それぞれが DNAかった。しかし、Ser298 リン酸化 TTD-L2 では、その結合が回特異的結合タンパク質である Np95/UHRF1 が重要な役割を果化を受けることで DNMT1 と結合能を獲得し、DNMT1 のメチ

維持メチル化で重要な役割を担う。SRA ドメインは複製後に一復した。Ser298 のリン酸化による TTD と linker 2 の相互作用

たす (Sharif et al, 2008, Nature)。UHRF1 は DNMT1 のメチ

ル化部位局在を制御することが分かった。この後、Leonhardt

過 的 に生 成されたヘミメチル 化 DNA を認 識 する（Sharifの変化を構造生物学的に解明するために、X 線溶液散乱や MD

ル化部位へのリクルートに必須の役割を果たすが、それには研より UHRF1 による PAF15 のユビキチン化については先に報Nature 2007: Arita Nature 2008）。UBL ドメインと RING ド

シミュレーションを行った。その結果、Ser298 のリン酸化は

UHRF1 の持つ E3 ユビキチンリガーゼとしての活性が不可欠で告されてしまったが、それが縁で有田研を交えての共同研究が進

メインは UHRF1 の E3 ユビキチンリガーゼを担う。PHD ドメイ

peptide-binding groove の酸性ポケットで Asp142 と相互作あることが明らかとなってきた。UHRF1 はヒストン H3 を基質とみ、最終的には UHRF1 による PAF15 と H3 の dual モノユビ

ンはヒストン H3 や PAF15 の N 末端を認識し、DNNMT1 のリ用している linker 2 の Arg296 を追い出し、自身のリン酸基でし、ユビキチン化されたヒストン H3 は DNMT1 と特異的に結合キチン化が S 期の進行の中で、DNA メチル化維持を制御する詳

クルートの足場となるユビキチン修飾の形成に働く。

Arg296 の側鎖グアニジウム基と静電的相互作用をすることがすることで、DNMT1 のメチル化部位特異的局在を制御する

細なしくみを明らかにすることができた ( 図 1、Nishiyama et(Nishiyama et al, 2013, Nature)。

TTD ドメインは tandem tudor domain の名の通り 2 つのわかった。このことから Ser298 のリン酸化は linker 2 を TTD

al., 2020, Nat. Commun)。PAF15 と PCNA の相互作用はこ

tudor domain を持つ。2 つのドメイン間には、相互作用タンパの peptide-binding groove から追い出し、他の結 合 因 子が一 方、DNMT1 の メ チ ル 化 部 位 へ の 局 在 を PCNAの制御機構において不可欠であり、PCNA は自身の修飾を介しク質が結合する peptide-binding groove が存在し、その端にTTD にアクセスできる構造変化が起こることがわかった（図 2）。

(Proliferating Cell Nuclear Antigen) が制御するという説が以てではなく、PAF15 の足場として働くことで、DNA メチル化維持

はメチル化リジンを認識する aromatic cage がある。Peptide-

さらに、リン酸化 Ser298 を認識する抗体を用いて、HeLa 細胞前から提唱されている。PCNA は DNA ポリメラーゼ活性を制御に貢献していると考えられる。

binding groove には K9me3 を含むヒストン H3 の 1-10 番目

内で UHRF1 の Ser298 が G2/M 期でリン酸化されることを明するクランプ、そして様々な DNA 複製タンパク質の足場として働

興 味 深いことに、他 の 多くの PCNA 結 合 因 子と異 なり、の領域や（Nady JBC 2011）、TTD ドメインと PHD ドメインのらかにした。このことから、非リン酸化体 UHRF1 は細胞周期のく染色体複製の中心的制御因子である。実際に DNMT1 もPAF15 は PCNA のリングをくぐりぬける形で結合しており、その間の linker 2（Arita PNAS 2012）、SRA ドメインと RING ドメ

S（DNA 合成）期で DNA 合成に働くLIG1 と結合して複製部位

PCNA 結合モチーフである PIP-box をもち、DNA 複製部位でユビキチン化部位が複製を終えた直後の DNA の近傍に配置さインの間の spacer が結合する（Gelato Mol Cell 2014）（図 1）。

に呼び込まれ、一方でリン酸化体 UHRF1 は細胞周期 M（分裂）PCNA と共局在することが知られている。さらに PCNA は S 期

れることが構造解析により予測されている。これは、DNMT1 がさらに、Paris Diderot 大学の Pierre-Antoine Defossez 博士は、期で H3K9me3 との結合を介して染色体上に局在するなどの、において、リジン 164 がモノユビキチン化されることが報告されヘミメチル化 DNA を基質とすることによく合致しており、今後のTTD に K126 がメチル化された DNA リガーゼ 1（LIG1K126me3）

細胞周期に応じた機能の使い分けがリン酸化で制御される可能ている。ここから「PCNA が UHRF1 によって直接ユビキチン化

研究によりその実体が明らかになることが期待される。

が結合し、UHRF1 を複製サイトに呼び込む機構を発見した性が考えられる。今後、哺乳類細胞を用いた機能解析などを行を受け、
DNMT1の複製部位への局在を制御するのではないか？」

謝辞：本研究に参加していただいた多くの共同研究者の皆様、（Ferry Mol Cell 2017）。それに続き我々は peptide-binding

うことで UHRF1 の Ser298 のリン酸化の生理学的機能の全容という極めて魅力的な仮説を思いつく研究者は少なくないだろう。

特に横浜市大の有田恭平博士、ミュンヘン大学の Heinrichgroove への LIG1K126me3 の結合様式を X 線結晶構造解析

解明が期待される。

Leonhardt 博士に感謝いたします。

で解明した（Kori Structure 2019）。一連の研究から peptide-

謝辞：九州大学の鵜木元香博士には、免疫沈降実験など細ことがわかり、仮説への確信はさらに深まったものの、PCNA ユ

binding groove の中央に位置する Asp142 からなる酸性のポ胞を扱った実験指導をいただきました。ラボに新たな実験手法をビキチン化による DNA メチル化制御や DNMT1 との特異的相ケットには塩基性アミノ酸（H3-K4, LIG1-R121, Spacer-R649）

取り入れることができました。心より感謝いたします。

互作用については、様々な方法で取り組んだが、結局実証できなが 入 り込 むこと、結 合 因 子 の 保 存 され た Ser/Thr（H3-T6,

実際にすぐに PCNA が UHRF1 によってユビキチン化されるかった。さらに、2017 年に有田研、末武研との共同研究により、

LIG1-T123, Spacer-S651）のリン酸化が結合を負に制御すると

DNMT1 のメチル化部位局在には一つのユビキチン修飾では十いう、TTDのpeptide-binding groove への結合ルールを見出した。

分でなくdual モノユビキチン化が必 須であることが分かり

今回の研究では、UHRF1 の linker 2 内にある Ser298 のリ(Ishiyama and Nishiyama et al, 2017, Mol. Cell)、ついにこのン酸化に着目した。linker 2 は peptide-binding groove に結合し、その結合が Ser298 のリン酸化によって弱くなることを明

仮説に終止符が打たれた。
幸い、この問題への回答は意外な形で得られた。都医学研究24 | RNG Newsletter 02

図1

DNA メチル化維持を制御する２つのメカニズム

らかにしていた。興味深いことに、H3K9me3, LIG1K126me3,

図1

UHRF1 のドメイン構造と結合因子

図2Ser298 リン酸化による構造変化R NG Newsletter 02 | 25

Research achievements 研究業績一覧

2020 年（令和２年）5 月現在
Tanno N, Kuninaka S, Fujimura S, Takemoto K, Okamura K, Takeda N, Araki
K, Araki M, Saya H, Ishiguro K* : Phosphorylation of the Anaphase
Promoting Complex activator FZR1/ CDH1 is required for Meiosis II entry inmouse male germ cell. Scientific Reports in press (2020)
Kajino H, Nagatani T, Oi M, Kujirai T, Kurumizaka H, Nishiyama A, Nakanishi
M, Yamatsugu K, Kawashima SA, Kanai M. Synthetic hyperacetylation of
nucleosomal histones. RSC Chem. Biol., in press (2020)
Kori S*, Jimenji T*, Ekimoto T*, Sato M, Kusano F, Oda T, Unoki M,
Ikeguchi M, Arita K. (*These authors equally contributed to this work.)
Serine 298 phosphorylation in linker 2 of UHRF1 regulates ligand-binding
property of its tandem Tudor domain. J. Mol. Biol., in press (2020)（有田班 中西班分担鵜木の領域内共同研究）
Takeda R, Asada S, Park SJ, Yokoyama A, Becker HJ, Kanai A, Visconte
V, Hershberger C, Hayashi Y, Yonezawa T, Tamura M, Fukushima T,
Tanaka Y, Fukuyama Matsumoto A, Yamasaki S, Nakai K, Yamazaki S,
Inaba T, Shibata T, Inoue D, Honda H, Goyama S, Maciejewski JP,
Kitamura T. HHEX promotes myeloid transformation in cooperation
with mutant ASXL1. Blood. in press (2020)
Takemoto K, Tani N, Takada Y, Fujimura S, Tanno N, Yamane M,
Okamura K, Sugimoto M, Araki K, Ishiguro K. : Meiosis-specificC19orf57/4930432K21Rik/BRME1 modulates localization of RAD51 andDMC1 to DSBs in mouse meiotic recombination. Cell Rep. 107686(2020)
Nakatake Y, Ko BHS, Sharov A, Wakabayashi S, Murakami M, Sakota M,
Chikazawa N, Ookura C, Sato S, Ito N, Ishikawa-Hirayama M, Mak SS,
Jakt LM, Ueno T, Hiratsuka K, Matsushita M, Goparaju SK, Akiyama T,
Ishiguro K. Oda M, Gouda N, Umezawa A, Akutsu H, Nishimura K,
Matoba R, Ohara O, Ko MSH : Generation and profiling of 2,135 human
ESC lines for the systematic analyses of cell states perturbed byinducing single transcription factors. Cell Reports 31, 107655 (2020)
Collombet S, Ranisavljevic N, Nagano T, Varnai C, Shisode T, Leung W,
Piolot T, Galupa R, Borensztein M, Servant N, Fraser P, Ancelin K, Heard
E. : Parental-to-embryo switch of chromosome organization in early
embryogenesis. Nature 580: 142-146 (2020)
Shrestha R, Sakata-Yanagimoto M, Maie K, Oshima M, Ishihara M,
Suehara Y, Fukumoto K, Nakajima-Takagi Y, Matsui H, Kato T, Muto H,
Sakamoto T, Kusakabe M, Nannya Y, Makishima H, Ueno H, Saiki R,
Ogawa S, Chiba K, Shiraishi Y, Miyano S, Mouly E, Bernard OA, Inaba T,
Koseki H, Iwama A, Chiba S. : Molecular pathogenesis of progression
to myeloid leukemia from TET-insufficient status. Blood Adv. 4(5):845-854 (2020)
Miyajima Y, Ealey NK, Motomura Y, Mochizuki M, Takeno N, Yanagita M,
Economides AN, Nakayama M, Koseki H, Moro K. : Effects of BMP7
Produced by Group 2 Innate Lymphoid Cells on Adipogenesis. Int
Immunol. pii: dxaa013 (2020)
Seo W, Shimizu K, Kojo S, Okeke A, Kowhi-Shigematsu T, Fujii SI,
Taniuchi I. : Runx-mediated regulation of CCL5 via antagonizing twoenhancers influences immune cell function and anti-tumor immunity.
Nat Commun. 11:1562. (2020)
Nishiyama A, Mulholland CB, Bultmann S, Kori S, Endo A, Saeki Y, Qin
W, Trummer C, Chiba Y, Yokoyama H, Kumamoto S, Kawakami T, Hojo
H, Nagae G, Aburatani H, Tanaka K, Arita K, Leonhardt H, Nakanishi
M. : Two distinct modes of DNMT1 recruitment ensure stable
maintenance DNA methylation. Nat Commun. 11(1): 1222 (2020)（中西班、有田班、油谷班 領域内共同研究）
Ishiguro K, Matsuura K, Tani N, Takeda N, Usuki S, Yamane M,
Sugimoto M, Fujimura S, Hosokawa M, Chuma S, Ko SHM, Araki K,
Niwa H.: MEIOSIN directs the switch from mitosis to meiosis in
mammalian germ cells. Dev. Cell. 52 (4): 429-445.e10 (2020)（石黒班 丹
羽班 領域内共同研究）

26 | R NG Newsletter 02

Column コラム

Kennedy J, Georges A, Bassenden A, Vidal S, Berghuis A, Taniuchi I,
Majewski J, Lathrop M, Behr M, Langlais D, Gros P. : ZBTB7B (ThPOK)
is required for pathogenesis of cerebral malaria and protection against
pulmonary tuberculosis. Infect Immun. 88(2): e00845-19 (2020)
Ohishi H, Au Yeung WK, Unoki M, Ichiyanagi K, Fukuda K, Maenohara
S, Shirane K, Chiba H, Sado T, Sasaki H. : Characterization ofgenetic-origin-dependent monoallelic expression in mouse embryonicstem cells. Genes Cells. 25 (1): 54-64 (2020)「非ゲノム情報複製機構」
はブルーオーシャンにたどり着けるか？

送ってきました。ところが、資本主義的競争社会はそんなに甘いもんじゃありません。ゲノムが記号だったせいで、計算機科学や情報科学といった浮世の科学が急激に悠久の研究を変容させ、それまで小川だったながれは運河に開

古関 明彦

Mishima Y, Brueckner L, Takahashi S, Kawakami T, Otani J, Shinohara A,
Takeshita K, Garvilles RG, Watanabe M, Sakai N, Takeshima H,
Nachtegael C, Nishiyama A, Nakanishi M, Arita K, Nakashima K, Hojo
H, Suetake I. Enhanced processivity of Dnmt1 by monoubiquitinatedhistone H3. Genes Cells. 25 (1): 22-32 (2020)（理化学研究所 生命医科学研究センター）「表現型」という言葉は、元来、「個外にも細胞の形質を伝達する一般的

メインの発見などで、ゲノム空間、エピ

Kojo S, Ohno-Oishi M, Wada H, Nike S, Seo W, Muroi S, Taniuchi I :Constitutive CD8 expression drives innate CD8+ T cell differentiation via
induction of iNKT2 cells. Life Sci Alliance. 3:e202000642 (2020)体」という単位に対して使われていたなメカニズムがあることが示されまし

ゲノム空間、細胞分裂制御などの間のものだと思います。その時、遺伝学とた。Ed Lewis 博士らショウジョウバエ

リンクが見出され始め、新しい大きなカップルしていた再生産過程は、減数の発生遺伝学者や Mary Lyon、大野研究領域を構築する潮目を迎え始めて分裂と授精による倍数性の復旧であり、

乾ら細胞遺伝学者によって、細胞にはいるのかなとも思い始めているところでそこから１００年を軽く超える時間をか

形質を刷り込むゲノム配列以外のメカ

した。そんな中で、中西真氏が「非ゲノ

けてメンデル遺伝→セントラルドグマ

ニズムがあることが示され、エピジェネ

ム情報複製」という聞き慣れたようでへと発展していったんだと思います。

ティクスと称される研究領域が興り、聞き慣れていない変な名前の乗り合い「表現型」という概念のいいところは、現在に続く研究の流れになっていると船を準備してくれました。クルーとしてそのいい加減さと汎用性だったんじゃ考えます。ポリコム群の発見も X 染色集められた私達メンバーが、この激流ないかと思っています。
この言葉は、「細体不活性化の発見も５０年以上前にになった運河をうまく漕ぎ切って、ブ胞」という単位にも当てはめられ、細起きたものですが、私達は今もその支

ルーオーシャンにたどり着けるのか、途

胞分裂を介した表現型の複製や変化

配下で知識の蓄積と整理を続けている中で沈没するのか、これから４年間とが、遺伝学や発生学の中の大きな研究と思います。少なくとも私自身は、そういう短い期間ではありますが、どういう領域になったんじゃないかと思います。

いう悠久の流れにプカプカ浮かびなが冒険が待っているのか、楽しみにして遺伝学と発生学が出会って、ゲノム以

ら、漫然と浮世離れした研究生活をいるところであります。

Tenno M, Wong A, Ikegaya M, Miyauchi E, Seo W, See P, Kato T, Taida
T, Ohno H, Yoshida H, Ginhoux F, Taniuchi I. Essential functions ofRunx/Cbf in conventional dendritic cells for priming Rorgt+ Treg andTh17 cells in the gut. Life Sci. Alliance. 3: e201900441 (2020)2019 年（令和元年）
Fukushima T, Tanaka Y, Hamey FK, Chang C-H, Oki T, Asada S, Hayashi
Y, Fujino T, Yonezawa T, Takeda R, Kawabata KC, Fukuyama T, Umemoto
T, Takubo K, Takizawa H, Goyama S, Ishihama Y, Honda H, Gottgens B,
Kitamura T. Discrimination of dormant and active hematopoietic stem
cells by G0 markers reveals dormancy regulation by cytoplasmic
calcium. Cell Rep. 29: 4144-4158.e7 (2019)
Healy E, Mucha M, Glancy E, Fitzpatrick DJ, Conway E, Neikes HK,
Monger C, Van Mierlo G, Baltissen MP, Koseki Y, Vermeulen M, Koseki
H, Bracken AP. : PRC2.1 and PRC2.2 Synergize to Coordinate H3K27
Trimethylation. Mol Cell. 76(3): 437-452.e6 (2019)
Mohamed R, Ola R, Oshima M, Nakajima-Takagi Y, Koide S, Saraya A,
Isshiki Y, Chiba T, Yamazaki S, Ma A, Jin J, Iwama A, and Mimura N. :Akt Inhibition synergizes with PRC2 inhibition in the treatment ofmultiple myeloma. Cancer Sci. 110: 3695-3707 (2019)

発されてしまいました。ですが、悪いことばかりじゃありません。トポロジード

Hashimoto K, Kouno T, Ikawa T, Hayatsu N, Miyajima Y, Yabukami H,
Terooatea T, Sasaki T, Suzuki T, Valentine M, Pascarella G, Okazaki Y,
Suzuki H, Shin JW, Minoda A, Taniuchi I, Okano H, Arai Y, Hirose N,
Carninci P. : Single-cell transcriptomics reveals expansion of cytotoxic
CD4 T-cells in supercentenarians. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116:
24242-24251 (2019)
Aktar S, Sasaki H, Unoki M. : Identification of ZBTB24 protein domains
and motifs for heterochromatin localization and transcriptional activation.
Genes Cells. 24 (11): 746-755 (2019)

Report 活動報告

Tamura M, Yonezawa T, Liu X, Asada S, Hayashi Y, Fukuyama T, Tanaka
Y, Kitamura T. and Goyama S. : Opposing effects of acute versus
chronic inhibition of p53 on decitabine’ s efficacy in myeloid neoplasms.
Sci. Rep. 9:8171 (2019)2019年12月3-6日に行われた日本分子生物学会年会(福岡)では本領域班員主催のワークショップ、フォーラムが企画されました。
また2019年12月22-24日の染色体ワークショップ・核ダイナミクス研究会にも本領域が共催で加わりました。

Hayashi Y, Goyama S, Liu XX, Asada S, Tanaka Y, Fukuyama T,
Wunderlich M, O’ Brien E, Mizukawa B, Yamazaki S, Matsumoto A,
Yamasaki S, Shibata T, Matsuda K, Sashida G, Takizawa H, Kitamura T. :Antitumor immunity augments the therapeutic effects of p53 activationon acute myeloid leukemia. Nat. Commun. 10: 4689 (2019)2020年に入ってからのコロナ禍の状況により、本領域主催で予定されていた第１回国際シンポジウム（３月京都）、第2回領域会
議（６月熊本）、新学術領域全能性+非ゲノム情報合同若手勉強会（7月佐賀）が中止・延期となってしまいました。また共催予定であった日本エピジェネティクス研究会（５月名古屋）、クロマチン潜在能との共催国際シンポジウム（３月東京）も中止となりました。この間研究活動が大いに制限される事態を迎えましたが、４月より19の公募班も加わった中で今後はweb会議形式で情報を共有しながら着実に研究をすすめて行き、研究活動が正常化することを願うばかりです。
（熊大・石黒）R NG Newsletter 02 | 27

Schedule 今後の活動予定
本領域の共催・後援となる学会シンポジウムの開催や班員が関わる企画の予定を紹介いたします。
2020年度 第2回領域会議
日時: 2020年6月5日
ZOOM会議2020年度 第3回領域会議
日時: 2020年6月末〜7月
ZOOM会議第92回日本遺伝学会大会 共催シンポジウム
日時: 2020年9月16〜18日
場所：熊本くまもと県民交流館パレア
新学術領域全能性+非ゲノム情報合同若手勉強会
日時: 2021年2月末
場所：別府
第14回日本エピジェネティクス研究会年会 共催
日時: 2021年3月30〜31日
場所： 愛知県名古屋市 ウインクあいち

新学術領域研究「多様かつ堅牢な細胞形質を支える非ゲノム情報複製機構」

RNG Newsletter
第2号 2020年6月発行

編集人 石黒 啓一郎
発行人 中西 真
発行所 非ゲノム情報複製ニュースレター編集室
東京大学医科学研究所
癌・細胞増殖部門 癌防御シグナル分野〒108-8639 東京都港区白金台461
TEL 03 5449 5341
E-mail mkt naka@ims.u tokyo.ac.jp
印刷所 株式会社トライス

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