学際グループ(分子遺伝学)

Laboratory of Interdisciplinary Biology

准教授
中川 拓郎 (Takuro NAKAGAWA)
mail takuro4 @ bio.sci.osaka-u.ac.jp
研究分野

学際

所属

理学研究科

ロケーション

豊中地区

研究内容

細胞が増殖するためには、ゲノムを正確に複製し均等に分配することが必須です。真核生物では巨大なゲノム上の多数の部位から複製を開始し、複製途中の障害を解決しながらゲノム全体を複製します。さらに二倍になったゲノムを均等に娘細胞に分配するための巧妙なしくみを備えています。私たちの研究室では、分裂酵母やアフリカツメガエルというモデル生物を用いて、DNA複製を開始するしくみ、相同組換えによってゲノムの安定性を保つしくみ、姉妹染色体を均等に分配するしくみを研究しています。

クロマチン構造による複製タイミング調節機構の解析

染色体DNAの複製を決まった時期に決まった場所から開始するメカニズム

 巨大な染色体DNAを細胞周期S期で完全に倍加するために、複製の開始反応は巧妙に制御されている。複製開始点ではDNA二重鎖を開裂するヘリカーゼと複製酵素を含む「複製装置形成」を形成するために多数の複製因子が順序よく結合するように細胞周期により制御されている。さらにこれらの形成過程は、染色体上の各領域によって独自の「複製開始プログラム」によって制御されている。高等動物と類似の細胞周期制御やクロマチン構造を持ち、遺伝学的解析に適している分裂酵母を用いて、複製装置形成過程の複製因子の機能を解明とテロメア結合タンパク質による複製タイミング制御のしくみを明らかにしようとしている。(図1)。

真核生物染色体複製開始の分子メカニズムの解明

複製開始因子はそれぞれ実際にどういう機能を持つのだろう

 複製開始点ではG1期に複製前複合体(pre-RC)が形成され、S期に入ると、pre-RCはDNA二重鎖を開裂させるDNAヘリカーゼ活性を持つタンパク質複合体へと変化し、さらにDNA合成を行うポリメラーゼが呼び込まれて複製を開始する。この過程で必須となるタンパク質因子群の働きを明らかにしたいと考え、分裂酵母高温感受性変異株や、オーキシン誘導タンパク質分解(auxin-inducible degron; AID)系を用いて研究している(図2)。

染色体を安定に維持するしくみ

遺伝情報の安全保障システム

 ヒトを含む真核生物のゲノムには多くのリピート配列が存在する。それら相同配列の間で染色体再編が起こると転座や同腕染色体などの異常染色体が生じる。染色体異常は細胞死やガン・老化などの遺伝病を引き起こすことから、このような組換え反応は厳密に制御されなければならない。我々は、染色体改変が比較的容易な分裂酵母を用いて、染色体維持やゲノム進化に於いて極めて重要なセントロメア領域で起こるDNA相同組換えの分子メカニズムとその制御機構の解明を目指している(図3)。

図0 複製タイミング調節機構:分裂酵母腕部後期複製開始点の近傍にあるtelomeric repeat配列にテロメア結合因子Taz1が結合し、S期初期での複製開始反応を抑制する。

図1 複製開始は細胞周期に制御されている。G1期にはヘリカーゼとして不活性なMcm2-7複合体が結合し、S期移行後、DDKキナーゼに依存したSld3結合、CDKに依存したGINS, Cdc45結合を経て、 CMGヘリカーゼ複合体が形成され、さらにMcm10の働きにより、複製開始点が開裂され、複製を開始する。

図2 真核生物の染色体構造とその不安定化。

参考文献

Okita AK, Zafar F, Su J, Weerasekara D, Kajitani T, Takahashi TS, Kimura H, Murakami Y, Masukata H, Nakagawa T. Heterochromatin suppresses gross chromosomal rearrangements at centromeres by repressing Tfs1/TFIIS-dependent transcription. Communications Biology 2, 17 , (2019)

Ogawa S, Kido S, Handa T, Ogawa H, Asakawa H, Takahashi TS, Nakagawa T, Hiraoka Y, Masukata H. Shelterin promotes tethering of late replication origins to telomeres for replication-timing control. EMBO Journal 37(15), e98997 , (2018)

Terui F, Nagao K, Kawasoe Y, Taki K, Higashi TL, Tanaka S, Nakagawa T, Obuse C, Masukata H, Takahashi TS. Nucleosomes around a mismatched base pair are excluded via an Msh2-dependent reaction with the aid of SNF2 family ATPase Smarcad1. Genes & Development 32(11-12) , 806 - 821 (2018)

Zafar, F., Okita, AK., Onaka, AT., Su, J., Katahira, Y., Nakayama, J., Takahashi, TS., Masukata, H., Nakagawa, T. Regulation of mitotic recombination between DNA repeats in centromeres. Nucleic Acids Research 45 (19) , 11222 - 11235 (2017)

Onaka, AT., Toyofuku, N., Inoue, T., Okita, AK., Sagawa, M., Su, J., Shitanda, T., Matsuyama, R., Zafar, F., Takahashi, TS., Masukata, H., and Nakagawa, T. Rad51 and Rad54 promote noncrossover recombination between centromere repeats on the same chromatid to prevent isochromosome formation Nucleic Acids Research 44 (22) , 10744 - 10757 (2016)

Maki, K., Inoue, T., Onaka, A., Hashizume, H., Somete, N., Kobayashi, Y., Murakami, S., Shigaki, C., Takahashi, TS., Masukata, H., Nakagawa, T. Abundance of prereplicative complexes (Pre-RCs) facilitates recombinational repair under replication stress in fission yeast. J Biol Chem 286 , 41701 - 4674 (2011)

連絡先

〒560-0043
大阪府豊中市待兼山町1-1
大阪大学大学院 理学研究科 居室A414
TEL:06-6850-5432

http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~takuro/science/

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