胡桃坂研究室の研究について
染色体を試験管内で組み立てて、その形から働きを明らかにする
胡桃坂研究室の研究について
私たちの体をつくるための情報は、DNAの塩基配列情報として、保存されています。しかし、DNA配列だけで、全てが決まるわけではありません。その証拠に、私たちの体の中の細胞は全て同じDNA配列情報を持っているにも関わらず、神経細胞や筋細胞など、明らかに形も働きも異なるさまざまな細胞が存在します。
“エピジェネティクス”として近年注目されているこの神秘のメカニズムを解く鍵は、DNAの核内収納様式、“クロマチン”の構造にあります。クロマチンの構造が、遺伝子の読み取りのON/OFF制御や、染色体構造の形成を担うことが明らかにされてきており、どのような分子メカニズムで、クロマチンがこうした生命現象を制御しているのかという点が、現在注目されています。
私たちはクロマチンを試験管内で、組み立てて、そのクロマチンの立体構造や性質を解析する、組み立てたクロマチン上で生命現象を再現させる、というアプローチで、クロマチンの神秘のメカニズムを解明しようとしています。
クロマチンを組み立てる
〜特徴的なクロマチンを試験管内で再構成する〜
私たちの体の中で、DNAは4種のヒストンタンパク質からなる複合体の周りに巻き付いて、ヌクレオソームという構造を形成しています。このヌクレオソームが数珠状に連なり、さらにさまざまなタンパク質やRNAが結合して、クロマチンが構築されています。 細胞内のクロマチンは、さまざまな因子からなる巨大かつ不均一な複合体ですので、細胞からクロマチンを直接集めて構造や性質を調べることはできません。そこで、我々は、高純度に精製したDNAとタンパク質を用いて、均一なクロマチンを試験管内の中で組み立て(再構成)て、その立体構造や性質を解析しています。
胡桃坂研では、より生体内の状態を再現したクロマチンを再構成するために、常に技術に磨きをかけています。その結果、遺伝子の読み取りのON/OFF制御がなされている場所に特徴的なクロマチン、がん細胞に特徴的なクロマチン、多数のヌクレオソームが連なったクロマチンや、転写因子やリンカーヒストンなどのさまざまな核内タンパク質が結合したクロマチンなど、高難度な再構成クロマチンを世界一高純度に精製する技術を有しています。
この技術を基にして、国内、国外問わず、分子生物学研究の最先端を争う数多くの研究室と共同研究を行っているため、胡桃坂研究室では、最先端科学の現場を肌で感じ取ることができます。
形をみる
〜クロマチンのX線結晶構造解析〜
胡桃坂研究室では、X線結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡解析という手法を用いて、クロマチンの構造を原子分解能で解明しています。 胡桃坂研究室では、数多くの立体構造解明に成功しており、これまでに50種を越える立体構造をプロテインデータバンク(PDB: タンパク質の立体構造データベース)に報告しています。
2011年には、セントロメアとよばれる染色体分裂を担う領域に特異的なヌクレオソーム(CENP-Aヌクレオソーム)の試験管内再構成とX線結晶構造解析に成功し、長らく議論されてきたCENP-Aヌクレオソームの構造がついに明らかになりました(Tachiwana et al., Nature, 2011)。2017年には、遺伝情報読み取りのためのヌクレオソーム位置調整（クロマチンリモデリング）に伴って形成されるオーバーラッピングダイヌクレオソームの試験管内再構成とX線結晶構造解析に成功しました(Kato et al., Science, 2017)。オーバーラッピングダイヌクレオソームはヒストン14量体にDNAが3回転巻き付いた構造体であり、これまでに立体構造が明らかにされたヌクレオソーム (ヒストン8量体にDNAが1.7回転）とは大きく異なる構造であることを明らかにしました。
働きを調べる
〜試験管内再構成クロマチンを用いた生化学解析〜
胡桃坂研究室では、クロマチンが生命現象を制御するメカニズムを解明するために、“再構成クロマチンを用いて試験管内で生命反応を再現させる”というアプローチを行なっています。
これまでに、クロマチン内での相同鎖検索反応（DNA損傷修復過程で起こる反応）（Machida et al. Sci. Rep. 2014）や、転写（遺伝情報読み取りの際に起こる反応）、転写因子の配列認識（転写の開始に先立って起こる反応）(Fujita et al. Nucleic Acids Res. 2015)など、さまざまな現象の再現に成功しています。さらに、常に新しい生命反応を再現させるための技術開発に力を入れています。
これらの再構成クロマチンを用いた構造生物学的解析と生化学的解析によって、クロマチンの多様な構造がさまざまな生命現象を制御するメカニズムを解明していきます。
