研究分野の概略

真核生物の遺伝子発現の制御には、細胞核内の構造や環境が重要であることがわかってきました。ヒストンの翻訳後修飾や活性型RNAポリメラーゼの動態を生きた細胞で可視化し、定量解析を行うことで、転写制御の基本メカニズムを明らかにします。

研究内容の紹介

転写とヒストン修飾の生細胞ダイナミクス

ヒストンやRNAポリメラーゼIIの翻訳後修飾を生きた細胞で検出するため、それらの修飾に特異的なモノクローナル抗体を作製し、抗体由来の蛍光標識抗原結合断片や遺伝子コード型プローブを開発した。特に、遺伝子コード型のプローブは生体内での解析や長時間の解析に有用である。これらの生細胞内修飾可視化プローブを用いて、転写活性化に伴うクロマチン修飾動態の解析を行っている。これまでに、ステロイド系ホルモンによる標的遺伝子アレイの活性化のキネティクスを計測し、ヒストンH3のアセチル化が転写の開始から伸長にいたる過程を促進することを明らかにした。現在、熱ショックストレスによるサテライト遺伝子からの非コードRNAの転写活性化や胚性ゲノム活性化の際のヒストン修飾の変化について計測を行っている。一方、遺伝子発現の抑制に関しては、X染色体の不活性化に伴うクロマチン構造変化を追跡している。また、生細胞解析とエピゲノム解析を融合させるために、イメージングした少数の細胞のエピゲノム情報を取得する方法の開発を進めている。

生細胞で修飾を検出するために、２つの方法を開発した。一つは、抗体から抗原結合断片を調製して蛍光標識して細胞に導入する方法、もう一つは、抗体の可変領域をクローニングして蛍光蛋白質と融合した一本鎖可変領域抗体（mintbody）として発現させる方法、である。

最近の研究成果

世界初、単一細胞での遺伝子発現制御解析に成功
-幹細胞、がんの成立機序解明に期待-
（細胞核機能動態可視化分野）

論文一覧

  1. Sato Y, Stasevich TJ, Kimura H. Visualizing the Dynamics of Inactive X Chromosomes in Living Cells Using Antibody-Based Fluorescent Probes. Methods Mol Biol. 2018;1861:91-102.
  2. Sato Y, Kujirai T, Arai R, Asakawa H, Ohtsuki C, Horikoshi N, Yamagata K, Ueda J, Nagase T, Haraguchi T, Hiraoka Y, Kimura A, Kurumizaka H, Kimura H. A Genetically Encoded Probe for Live-Cell Imaging of H4K20 Monomethylation. J Mol Biol. 2016 Oct 9;428(20):3885-3902
  3. Kaimori JY, Maehara K, Hayashi-Takanaka Y, Harada A, Fukuda M, Yamamoto S, Ichimaru N, Umehara T, Yokoyama S, Matsuda R, Ikura T, Nagao K, Obuse C, Nozaki N, Takahara S, Takao T, Ohkawa Y, Kimura H, Isaka Y. Histone H4 lysine 20 acetylation is associated with gene repression in human cells. Sci Rep. 2016, 6: 24318. doi: 10.1038/srep24318
  4. Hayashi-Takanaka Y, Maehara K, Harada A, Umehara T, Yokoyama S, Obuse C, Ohkawa Y, Nozaki N, Kimura H. Distribution of histone H4 modifications as revealed by a panel of specific monoclonal antibodies. Chromosome Res. 2015, 23(4): 753-66. doi: 10.1007/s10577-015-9486-4
  5. Kimura H, Yamagata K. Visualization of epigenetic modifications in preimplantation embryos. Methods Mol Biol. 2015, 1222: 127-147. doi: 10.1007/978-1-4939-1594-1_10.
    Kimura H, Hayashi-Takanaka Y, Stasevich TJ, Sato Y. Visualizing posttranslational and epigenetic modifications of endogenous proteins in vivo. Histochem Cell Biol. 2015, 144(2): 101-109. doi: 10.1007/s00418-015-1344-0
  6. Dias JD, Rito T, Torlai Triglia E, Kukalev A, Ferrai C, Chotalia M, Brookes E, Kimura H, Pombo A. Methylation of RNA polymerase II non-consensus Lysine residues marks early transcription in mammalian cells. Elife. 2015, 4. pii: e11215. doi: 10.7554/eLife.11215
  7. Stasevich TJ, Hayashi-Takanaka Y, Sato Y, Maehara K, Ohkawa Y, Sakata-Sogawa K, Tokunaga M, Nagase T, Nozaki N, McNally JG, Kimura H. Regulation of RNA polymerase II activation by histone acetylation in single living cells. Nature. 2014, 516(7530): 272-275. doi: 10.1038/nature13714
  8. Stasevich TJ, Sato Y, Nozaki N, Kimura H. Quantifying histone and RNA polymerase II post-translational modification dynamics in mother and daughter cells. Methods. 2014, 70(2-3): 77-88. doi: 10.1016/j.ymeth.2014.08.002
  9. Hayashi-Takanaka Y, Stasevich TJ, Kurumizaka H, Nozaki N, Kimura H. Evaluation of chemical fluorescent dyes as a protein conjugation partner for live cell imaging. PLoS One. 2014, 9(9):e106271. doi: 10.1371/journal.pone.0106271
木村　宏　委嘱教授
KIMURA Hiroshi
博士（理学）