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情報機構学講座 Laboratory of Genetic Mechanisms
染色体生物学グループ Group of Chromosome Biology

准教授
西山 朋子染色体構造構築システムの理解
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西山 朋子准教授

私たち生物のゲノムは、染色体という形をとって次世代の細胞に継承されていきます。ヒトゲノムDNAは引き延ばすと約2mもの長さになると言われていますが、これがクロマチンを基本とする高次構造をとることで、わずか直径数マイクロメートルの細胞核の中に収納されています。S期において核の中で複製されたゲノムは、分裂期においてさらに数千から一万倍に凝縮し、分裂期染色体を形作ります。これらの分裂期染色体は、長さ数マイクロメートルの分裂期スピンドルの中央に並べられ、微小管によって両極から均等な力で引っ張られることで、二つの娘細胞に均等に分配されます。このようなゲノムの複製から、凝縮・分配に至る一連の染色体構造変化は、秩序だった分子基盤とそのダイナミックな変換に基づいて制御されていると考えられますが、その具体的な分子メカニズムには不明な点が多く残されています。

姉妹染色分体間接着(Sister chromatid cohesion)のメカニズム

正確な染色体分配にとって最も重要なイベントの一つが、姉妹染色分体間の接着です。複製されたゲノム(姉妹染色分体)同士の接着は、分裂中期において各々の姉妹染色分体間に均等な張力を生み出し、これが染色体分配の引き金をひく重要なステップとなります。この「接着」(Sister chromatid cohesion)を担うのが、コヒーシンとよばれるリング状のタンパク質複合体です(図1)。コヒーシンは分裂中期染色体上においてはそのセントロメア領域で姉妹染色分体間の接着を維持し(図2)、分裂中期/後期移行におけるコヒーシンリングの切断(Scc1の切断)が染色体分配をもたらします。脊椎動物においては、コヒーシンはtelophaseからG1期の間にDNA上に結合し、S期の間に接着を確立します。私たちは脊椎動物細胞(ヒト体細胞・アフリカツメガエル卵)およびショウジョウバエの細胞を用いて、この接着確立のステップに重要なメカニズムを明らかにすることを目指しています。

コヒーシン分子ダイナミクスと高次クロマチン構造変換機構

リング状のタンパク質複合体であるコヒーシンがどのようにDNAと結合しているのか、その詳細は、出芽酵母の遺伝学的および生化学的手法により精力的に研究されてきました。DNAとの結合・解離に重要なコヒーシンの構造変化が生化学的に明らかにされつつある一方、実際生理的な条件の下でコヒーシンとDNAがどのように結合・解離しているのか、その実体は明らかではありません。私たちは全反射顕微鏡を用いてコヒーシンとDNAの結合をリアルタイムで視覚的にとらえる系を構築し、そのダイナミクスを解析することで、コヒーシンの動態を明らかにすることを目指しています。

染色体凝縮の制御機構

染色体を均等に分配するために必須であるもう一つの重要なイベントが、染色体凝縮です。姉妹染色分体間の接着を維持しながら、また二本の姉妹染色分体を区別しながら凝縮された分裂期染色体を構築するために、コンデンシンやトポイソメラーゼIIが中心的な役割を果たしていることが知られています。しかしながらこれらの分子がどのように染色体を高度に凝縮させているのか、またその他の因子とどのように協調して分裂期染色体を構築しているのか、その詳細な分子メカニズムは不明な点が多く残されています。私たちは、脊椎動物細胞を用いて染色体凝縮ネットワークを明らかにすることを目指しています。

最新の研究内容、研究成果については研究室のホームページをご覧下さい。

図1

図2

References

  1. Nishiyama et al., Proc. Natl Acad Sci USA. 2013; 110(33): 13404-9
  2. Peters and Nishiyama. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., Nov 1;4(11) (2012)
  3. Nishiyama et al., Cell 143, 737-49 (2010).
  4. Nishiyama et al., Nature. 449, 341-345 (2007).
  5. Nishiyama et al., Nature. 446, 1096-1099 (2007).
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