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文部科学省科学研究費補助金「特定領域研究」細胞核ダイナミクス
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細胞核内部アーキテクチャーの分子構築とクロマチン機能制御メカニズム
しきり線
研究代表者
   
原田 昌彦(研究代表者)
<東北大学大学院農学研究科・分子生物学研究室 助教授>
〒981-8555 仙台市青葉区堤通雨宮町1-1
TEL: 022-717-8771 FAX: 022-717-8883
E-mail:mharata@biochem.tohoku.ac.jp

・主な研究内容
・研究室メンバー
・最近の研究成果
・総説・解説等
・著書
・国際会議での講演・発表
原田 昌彦
主な研究内容
  真核生物の細胞核は特殊な膜構造により仕切られた細胞内の構造体であり、ゲノムDNAはこの核内に納められ機能している。核内でゲノムDNAはヒストンなどのタンパク質と結合したクロマチンを形成し、さらにクロマチンは核内の構造と結びつくことで高次な構造を形成している。このようなクロマチン構造は、ゲノムDNAの効率的な収納に役立つばかりでなく、クロマチンの構造の変換により転写・複製・修復・分配などのゲノム機能が制御されている。また、クロマチンの高次構造形成に大きな影響を与える核の構造やダイナミクスも、これらのゲノム機能に関与している。
アクチンの立体構造(左)と、アクチン関連タンパク質の予測立体構造(右)の比較
アクチンの立体構造(左)と、アクチン関連タンパク質の予測立体構造(右)の比較
 
 アクチンは進化的な保存性が最も高いタンパク質の一つであり、α-アクチンやβ-アクチンなどのアクチンアイソフォームの間でも、ヒトと出芽酵母のアクチンの間でも、95%以上のアミノ酸配列の相同性を示す。長い間、これらのアクチンアイソフォームのみでアクチンの進化的なファミリーが構成されると考えられていたが、1992 年に、アクチンと進化的な関連性を有し、アミノ酸配列において中程度の相同性を有する一群のタンパク質の存在が明らかにされた。
HeLa細胞の核(右、DAPI染色)に局在するアクチン関連タンパク質(左、FLAG タグ融合タンパク質を免疫染色) これが、アクチン関連タンパク質であり、Actin-Related Proteinの略称からArpと呼ばれている。Arpの発見により、アクチンとArpによってアクチンファミリーが構成されることが明らかになった。Arpの存在が始めて報告されてからしばらくは、Arpはアクチンと同様に細胞質で主に機能すると考えられていたが、我々は出芽酵母およびヒトの細胞核に局在するArpの存在をはじめて報告した。その後、Arpが、出芽酵母からヒトまで、クロマチンリモデリング複合体やヒストンアセチル化複合体に最も広く含まれる構成因子の一つであることも報告されている。
HeLa細胞の核(右、DAPI染色)に局在するアクチン関連タンパク質(左、FLAG タグ融合タンパク質を免疫染色)
 
また、細胞骨格の形成や制御にアクチンやArpが中心的な役割を果たしていることから、核構造の形成や制御にもArpが関与する可能性がある。
  細胞核のダイナミクスやゲノムの機能は、多様なタンパク質複合体により制御されている。これらの複合体の解析は始まったばかりであり、その機能や制御に関する情報はまだ限られている。同じ祖先分子から進化したアクチンファミリーが、細胞質と核の両方の機能に深く関連することが示されたことにより、細胞質で観察されるダイナミックな構造変換の分子メカニズムが、細胞核・クロマチンによるゲノム機能の制御にも利用されている可能性が考えられるようになった。今後、核内のArpの詳細な解析により、細胞核ダイナミクスやゲノム機能制御のあらたな分子メカニズムが明らかになることを期待している。
 
研究室メンバー
尾間由佳子(研究支援者)
吉田貴人(D3)
岡 麻子(M2)
松田 涼(M2)
加茂真理子(M1)
秋村和美(B4)
北村大志(B4)
 
最近の研究成果
Harata, M., Oma, Y., Mizuno, S., Jiang, Y. W., Stillman, D. J., and Wintersberger, U.
"The nuclear actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae, Act3p/Arp4, interacts with core histones"
Mol. Biol. Cell 10, 2595-2605 (1999)

Harata, M., Mochizuki, R., and Mizuno, S.
"Two isoforms of a human actin-related protein show nuclear localization and mutually selective expression between brain and other tissues"
Biosci. Biotechnol. Biochem. 63, 917-923 (1999)

Harata, M., Oma, Y., Tabuchi, T., Zhang, Y., Stillman, D. J., and Mizuno S.
"Multiple actin-related proteins of Saccharomyces cerevisiae are present in the nucleus"
J. Biochem. 128, 665-671 (2000)

Niimi,A., Suka,N., Harata, M., Kikuchi, A., and Mizuno, S.
"Co-localization of chicken DNA topoisomeraseIIα, but notβ , with sites of DNA replication and possible involvement of a C-terminal region of αthrough its binding to PCNA"
Chromosoma (Berl.) 110, 102-114 (2001)

Kato, M., Sasaki, S., Mizuno, S., and Harata, M.
"Novel actin-related proteins in vertebrates: similarities of structure and expression pattern to Arp6 localized on Drosophila heterochromatin"
Gene 268, 133-140 (2001)

Kuroda, Y. Arai, N., Arita, M., Teranishi, M., Hori, T., Harata, M. and Mizuno, S.
"Absence of Z-chromosome inactivation for five genes in male chickens"
Chromosome Res. 9, 457-467 (2001)

Suzuki, H., Seki, M., Kobayashi, T., Kawabe, Y., Kaneko, H., Kondo, N., Harata, M., Mizuno, S., Masuko, T., and Enomoto, T.
"The N-terminal internal region of BLM is required for the formation of dots/rod-like structures which are associated with SUMO-1"
Biochem. Biophys. Res. Commun. 286, 322-327 (2001)

Harata, M., Nishimori, K., and Hatta, S.
"Identification of two cDNAs for human actin-related proteins (Arps) that have remarkable similarity to conventional actin"
Biochim. Biophys. Acta. 1522, 130-133 (2001)

Ohfuchi, E., Nishimori, K., and Harata, M.
"Alternative splicing products of the gene for a human nuclear actin-related protein, hArpNβ/Baf53, encode a protein isoform, hArpNβS, localized in the cytoplasm"
Biosci. Biotechnol. Biochem. 66, 1740-1743 (2002)

Harata, M., Zhang, Y., Stillman, D. J., Matsui, D., Oma, Y., Nishimori, K., and Mochizuki, R.
"Correlation between chromatin association and transcriptional regulation for the Act3p/Arp4 nuclear actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae"
Nucleic Acids Res. 30, 1743-1750 (2002)

Kuroda, Y., Oma, Y., Nishimori, K., Ohta, T., and Harata, M.
“Brain-specific expression of the nuclear actin-related protein ArpNα and its involvement in mammalian SWI/SNF chromatin remodeling complex”
Biochem. Biophys. Res. Commun. 299, 328-334 (2002)

Mizuno, S., Kunita, R., Nakabayashi, O., Kuroda, Y., Arai, N., Harata, M., Ogawa, A., Itoh, Y., Teranishi, M., and Hori ,T.
“Z and W chromosomes of chickens: studies on their gene functions in sex determination and sex differentiation”
Cytogenet. Genome Res. 99, 236-244 (2002)

Oma, Y., Nishimori, K., and Harata, M.
“The brain-specific actin-related protein ArpNα interacts with the transcriptional co-repressor CtBP”
Biochem. Biophys. Res. Commun. 301, 521-528 (2003)

Osada, M., Harata, M., Kishida, M., and Kijima, A.
“Molecular cloning and expression analysis of vitellogenin in scallop, Patinopecten yessoensis (Bivalvia, Mollusca)”
Mol. Reprod. Dev. 67, 273-281 (2004)

Ueno, M., Murase T., Kibe, T., Ohashi, N., Tomita, K., Murakami, Y., Uritani, M., Ushimaru, T. and Harata, M.
“Fission yeast Arp6 is required for telomere silencing but functions independently of Swi6”
Nucleic Acids Res. 32, 736-741 (2004)

Sunada R, Goerzer I, Oma Y, Yoshida T, Suka N, Wintersberger U, and Harata M
The nuclear actin-related protein Act3p/Arp4p is involved in the dynamics of chromatin modulating complexes
Yeast 22, 753-768 (2005)

Ohfuchi, E., Kato, M., Sasaki, M., Sugimoto, K., Oma, Y., and Harata, M
Vertebrate Arp6, a novel nuclear actin-related protein, interacts with heterochromatin protein 1
Eur. J. Cell Biol. 85, 411-421 (2006)

Nishiyama, A., Kaneko, J., Harata, M., and Kamio, Y.
Assembly of staphylococcal leukocidin into a pore-forming oligomer on detergent-resistant membrane microdomains, lipid rafts, in human polymorphonuclear leukocytes.
Biosci Biotechnol Biochem. 70, 1300-1307 (2006)

Kawashima S, Ogiwara H, Tada S, Harata M, Wintersberger U, Enomoto T, Seki M.
The INO80 complex is required for damage-induced recombination.
Biochem Biophys Res Commun. 355, 835-841 (2007)

Ogiwara H, Ui A, Kawashima S, Kugou K, Onoda F, Iwahashi H, Harata M, Ohta K, Enomoto T, Seki M.
Actin-related protein Arp4 functions in kinetochore assembly.
Nucleic Acids Res. in press (2007)

 
総説・解説等
原田昌彦
「核に局在するアクチンファミリー蛋白質とその機能」
蛋白質 核酸 酵素 44, 1796-1803 (1999)

S. Mizuno, R. Kunita, O. Nakabayashi , Y Kuroda, N. Arai, M. Harata, A. Ogawa, Y Itoh, M. Teranishi and T. Hori
Z and W chromosomes of chickens: studies on their gene functions in sex determination and sex differentiation.
In: Vertebrate Sex Chromosomes Eds. N. Takagi, Kager (2002)

原田昌彦、尾間由佳子
「クロマチン機能ドメインの形成 - アクチン関連タンパク質の関与」
実験医学 20, 1601-1608 (2002)

原田昌彦
「核マトリックスによる核構築 - アクチンファミリーからのアプローチ」
細胞工学 21, 1164-1168 (2002) 

原田昌彦
「細胞核におけるアクチンファミリーの多様な機能」
蛋白質 核酸 酵素 49, 543-552 (2004)

原田昌彦、吉田貴人、大渕恵理
「クロマチン構造変換複合体によるゲノム機能の制御:アクチン関連タンパク質(Arp)からのアプローチ」
日本農芸化学会誌 78, 652-655 (2004)

原田昌彦、北山久美子、尾間由佳子
「核の構造とその分子基盤」
蛋白質核酸酵素 51, 591-599 (2006)

原田昌彦
「クロマチン」
蛋白質核酸酵素 51, 1943-1949 (2006)

 
著書
「応用生命化学のための生物学入門」 羽柴輝良、山口高弘(編)
原田昌彦(分担執筆)
培風館、東京 (2003)

原田昌彦、尾間由佳子
「核内アクチンファミリーの分子機能」竹安邦夫、米田悦啓(編)細胞核のダイナミクス 
シュプリンガー・フェアラーク東京  pp177-186 (2004)

細胞核の分子生物学 水野重樹(編)
「クロマチンレベルの転写制御機構」原田昌彦
朝倉書店 (2005)

ベーシックマスター 分子生物学 東中川徹、大山隆、清水光弘(編)
「翻訳の調節」原田昌彦
オーム社 (2006)

Harata M., Ohfuchi E., Oma Y
“Nulcear actin-related proteins involved in the organization of euchromatin and heterochromatin”
in DNA structure, chromatin, and gene expression eds. Shimizu M and Kiyama R. Transworld Research Network Inc. (2006)

Harata M.
“Actin-related proteins involved in nuclear and chromatin dynamics” In: Nagata, S. and Takeyasu, K. (ed) Nuclear Dynamics: Approaches from Biochemistry, Molecular Cell Biology, and Visual Biology,
Springer-Verlag Tokyo, Inc., Tokyo (2006)

 
国際会議での講演・発表
The 3rd EMBL Transcription Meeting (Heidelberg, Germany, 1998)
Harata, M., Oma, Y., Mizuno, S., Wintersberger, U.
"Analyisis of Saccharomyces cerevisiae Act3p: a novel actin-family protein involved in chromatin function"

Yeast Genetics and Molecular Biology Meeting (Seattle, USA, 2000)
Harata, M., Mizuno, S., Oma, Y.
"Multiple actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae are localized in the nucleus and present in high molecular mass protein complexes"

The 4th EMBL Transcription Meeting (Heidelberg, Germany, 2000)
Harata, M., Oma, Y., Kato, M., Mochizuki, R., Sasaki, M., and Mizuno, S.
"Actin-related proteins in the nucleus and their involvement in chromatin function"

The International Workshop on Dynamics and Algorithms of Chromosome Function (Hiroshima, 2000)
Oma, Y., Kato, M., Mochizuki, R., Sasaki, M., Harata, M.
"Actin-related proteins in the nucleus and their involvement in the function of chromatin"

The 6th International Symposium, Genome Science in the 21st Century: Information of the Higher-Order Structure beyond the Primary Sequence (Hayama, 2001)
Harata, M.
"Actin-related proteins in the nucleus and their involvement in the function of chromatin"

International Workshop on Nuclear Dynamics (Yokohama, 2002)
Harata, M.
“Actin-related proteins involved in nuclear and chromatin dynamics”

Chromatin and Epigenetics: Alan Wolffe EMBO Workshop (Heidelberg, Germany, 2003)
Harata, M. Kuroda, Y., and Oma, Y.
“ArpNα, a brain-specific actin-related component of SWI/SNF complex, interacts with the co-repressor CtBP”

Gordon Research Conference: Chromatin Structure and Function (Tilton, NH, 2004)
Harata, M, Sunada, R., Goerzer, I., Wintersberger, U.
“The actin-related protein Act3/Arp4 of Saccharomyces cerevisiae is involved in chromatin function.”

The 46th Symposium of the Society for Histochemistry, The Cell Nucleus (Prague, 2004)
Harata, M., Wintersberger, U., Goerzer, I, Kitayama, K., Aoyama, N., Oma, Y.
“Actin-related proteins required for chromatin and nuclear organization”

Alan Wolffe EMBO Conference on Chromatin and Epigenetics (Heidelberg, Germany, 2005)
Harata M, Oma Y, GÖrzer I, Wintersberger U, Sudana R “Involvement of the nuclear actin-related protein Arp4 in the dynamics of chromatin modulating complexes”

XXII. International Conference on Yeast Genetics and Molecular Biology (Bratislava, Slovak Republic, 2005)
Yoshida M, Iwahashi H, Kugou K, Ohta K, Harata M “Analysis of transcriptional regulation by the nuclear actin-related protein Arp6 of Saccharomyces cerevisiae” (selected as an oral presentation)

EMBO / FEBS Conferenceon Nuclear Structure and Dynamics (La Grande Motte, France, 2005)
Masahiko Harata, Ulrike Wintersberger, Irene Gorzer, Rie Sunada, Yukako Oma “Actin-related proteins involved in the dynamics of chromatin modulating complexes and in nuclear organization”

The 7th Transcription Meeting (Heidelberg, Germany, 2006)
Ohfuchi, E., Hori, T., Fukagawa, T., and Harata, M. “Involvement of the vertebrate actin-related protein Arp6 in heterochromatin organization.”

International Symposium -Functional Organization of the nucleus- (Awaji, 2007)
Harata, M. (Invited Speaker) “Actin-related proteins involved in dynamics organization of chromatin and cell nucleus”

         
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