【研究分野】遺伝・染色体動態

【研究領域課題番号】17H01443 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リボソーム / リボソームRNA遺伝子 / 遺伝子増幅 / 組換え / UAF / 転写活性化因子 / SIR2 / 出芽酵母 / ゲノムの安定性 / 相同組換え / 転写抑制 / コピー数の維持 / 非コードDNA / 増幅組換え / コピー数モニター / 遺伝学 / リボソームRNA反復遺伝子 / 修復

【研究成果の概要】

翻訳を担うリボソームは細胞内のタンパク質の半分以上を占め、その量を安定に維持することは重要である。リボソームRNAをコードする遺伝子（リボソームRNA遺伝子：rDNA）は、真核細胞では100コピー以上がタンデムに連なった巨大反復遺伝子群を形成している。リボソームを安定供給するためには、コピー数を常にモニターしその数を一定レベルに維持する機能が必要と考えられるが、そのメカニズムについて全くわかっていなかった。本研究では、リボソームRNAの転写の活性化に関わる因子（UAF）が、コピー数の低下を感知し増幅組換えを誘導、そして一定のコピー数で増幅を停止させる機構を制御していることを解明した。

【研究の社会的意義】

生物にとってタンパク質を生産することは、生命が地球に誕生した時から続いている最も重要な生命活動である。タンパク質の生産はリボソームによって担われており、リボソームは細胞中で最も多量に存在するRNA/タンパク質複合体である。リボソームの安定供給には１つの細胞に100コピー以上存在するリボソームRNA遺伝子のコピー数を適正に維持することが重要である。本研究では、そのリボソームRNA遺伝子コピー数をモニターし、数が足りなくなった時には遺伝子増幅で回復させる機構の全貌を解明した。本成果は、全ての真核細胞が持つ最も基本的な生理作用の解明であり、非常に重要な発見である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)

【研究分野】遺伝・ゲノム動態

【研究領域課題番号】21247003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リボソームRNA遺伝子 / ゲノムの安定性 / 細胞老化 / 染色体分配 / 出芽酵母 / DNA損傷 / ゲノムの不安定性 / 組換え / 老化シグナル / 複製フォーク / 若返り / 遺伝子増幅 / 修復酵素 / コンデンシン

【研究成果の概要】

リボソームRNA遺伝子(rDNA)は最も多く存在する遺伝子で、染色体上に100コピー以上からなる巨大反復遺伝子群を形成している。rDNAは反復構造故に恒常的に組換え(コピー数変動)を起こす染色体中で最も不安定性な領域であり、その動態は少なからず細胞の機能に影響を与えていると考えられてきた。本研究では人為的にrDNAを不安定化させる系を確立し、rDNAの安定性が寿命の長さを左右することを発見した。さらにrDNAは発ガン物質などによるDNAダメージに対する感受性を決めており、特に転写されない余分なコピーはrDNA上にできた傷を直す重要な「足場」として働いていることを発見した。また、rDNAのコピー数が染色体の分配速度にも影響を与えていることを解明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】17370065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲノムの安定性 / リボソームRNA遺伝子 / 遺伝子増幅 / non coding RNA / DNA組換え / コヒーシン / 系統発生学的フットプリンティング法 / 細胞老化 / noncodingプロモーター / DNA損傷薬剤 / サイレンシング / 組み換え / 姉妹染色分体結合 / DNA修復 / 遺伝学 / ゲノム / noncoding RNA / 組換え / 姉妹染色分体

【研究成果の概要】

ゲノムの不安定性は細胞老化や癌を引き起こす原因と考えられており、DNAを修復する機構、特に修復酵素群の働きについては、これまで遺伝学、生化学的手法により研究されてきた。リボソームRNA遺伝子(rDNA)は100コピー以上が繰り返して存在しており、リピート間での相同組換えによるコピーの脱落が頻繁に観察されるゲノム中で最も不安定な領域の1つと考えられている。しかしrDNAには、コピー数を回復させrDNAを安定化する機構が存在し、変動はしつつもほぼ一定のコピー数が維持されている事が、報告者らのこれまでの研究で明らかになった。本研究では、その安定化機構の中心的な働きを担う増幅配列EXPの機能について解析した。
まず系統発生学的フットプリンティング法によりEXPを解析し、その中に様々な酵母で保存されている配列、つまり重要な機能を持つと考えられる配列を注出した。その結果、noncodingRNAプロポーターとして20年前に同定された配列がすべての酵母で保存されていることを発見した。さらにそのプロモーター(EXPに存在するプロモーターという意味でE-proと命名)の性質を詳しく調べたところ、コピー数が減ると双方向の転写が活性化し、その結果コヒーシンとよばれる姉妹染色分体を繋ぐタンパク質複合体がはずれ、増幅に必要な不等価姉妹染色分体間組換えが誘導される事が判明した。
さらにこの増幅機構が解明された事でrDNAのコピー数を自由に操作する事が可能になり、様々なコピー数を持つ酵母を作成し、その細胞に与える影響を調べた。その結果面白い事に、コピー数が減少した株では発ガン剤等のDNA損傷薬剤に対して感受性になることが判明した。これはrDNAにはリボソームRNAを生産する以外の機能がある事を示しており現在解析中である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】15,480千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】13480234 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リボゾームRNA遺伝子 / 複製フォーク阻害部位 / 遺伝子増幅 / 組み換え / 複製フォーク阻害タンパク / 出芽酵母 / 繰り返し遺伝子 / サイレンシング / FOB1遺伝子 / SIR2遺伝子 / コヘーシン / 複製フォーク阻害 / 転写 / 複製フォーク阻害欠損変異

【研究成果の概要】

本研究が開始するまでの研究経過は以下の通りである。真核生物の繰り返し遺伝子の典型例としてリボゾームRNA遺伝子(rDNAと呼ぶ)がある。それらのコピー数は良く制御され、例えば何らかの原因でその数が激減しても自律的に元に戻る。しかしその機構は不明だった。我々は出芽酵母のrDNA内に存在する複製フォーク阻害部位(RFBと呼ぶ)の阻害機能を調べるため、阻害欠損株を分離したところ、その株ではrDNAのコピー数の変動が皆無であることを見出した。その説明として、フォーク阻害後、姉妹染色体の一方が切断を受け、その修復に不等組換え(unequal recombination)が起こるため、コピー数の増減が起こると考えた。ここから本研究を開始し、以下の成果を得た。(1)Fob1タンパクがRFBに直接結合し、その複合体がフォーク阻害を起こすこと、(2)Fob1タンパクの欠損株では、rDNAコピー数の変動欠損に加え、rDNA領域特異的な組換え活性も消失すること、(3)2コピーのrDNAのみを有するfob1株を作製し、FOB1^+を導入すると、元のコピー数に回復するが、RFB領域を欠失した2コピーrDNAでは、FOB1^+導入による回復はなかった。つまり、フォーク阻害に関するシス(RFB)、トランス(Fob1)のどちらもがrDNAの増幅に必須であること、(3)サイレンサータンパク(Sir2)が欠損すると、rDNA領域の組換えは活性化される。実はこの組換えの活性化は、コピー数の変動に直接関与する不等組換えに特異的に起こり、コピー数変動を起こさない組み換え(equal recombination)には起こらないこと、しかもこの不等組換えの特異的活性化の原因は、姉妹染色体結合タンパクであるコヒーシンの消失によること、等を見いだした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】15,000千円 (直接経費: 15,000千円)