研究室・教員

原核生物分子遺伝学

塩崎⼀裕教授の顔写真 秋山昌広准教授の顔写真
教授(兼務)
塩﨑 一裕
准教授
秋山 昌広
Email
{ kaz, akiyamam }@bs.naist.jp

研究・教育の概要

私たちの研究室では、親(親細胞)から子(娘細胞)への遺伝情報伝達のために、親の染色体の正確な複製がどのような仕組みに支えられているのか、あるいはこれとは逆に、複製の阻害によって引き起こされる突然変異や染色体異常はどのようなプロセスを経て発生するのかについて研究を進めています。DNAおよび生命の基本的問題に強い興味を持つ若い人達に、将来、研究者や社会人として活躍できる力を養える教育にも全力を注いでいます。

主な研究テーマ

複製フォークは染色体上を移動しながらDNAを複製します。しかし、細胞内の複製フォークの進行は、染色体上の様々な内在性因子によって常に妨げられています。それらの阻害要因は、染色体DNAの高次構造や損傷、RNAポリメラーゼやDNA結合タンパク質との衝突、ヌクレオチドの欠乏などです。複製フォークの進行阻害(複製ストレス)は、突然変異や染色体異常などのゲノム不安定性を生じて、発がんや細胞老化や細胞死の原因となります。(図1

複製フォークは染色体上をどの様に進行するのか?(図2

複製フォークはゲノムDNAのどの部位でどのような原因で停止しやすいのか、また、その停止はどのようにしてゲノム不安定性に繋がるのかを解明するには、染色体上の複製フォークの動き方(動態)を理解することが必要です。教科書に記載されているように、複製フォークで働くDNA複製装置の基本的な機能は解明されています。しかし、染色体上の複製フォークの動態は、微生物でも真核生物でも明らかにされていません。私たちは、複製フォークは染色体上をどのように進行しているのか、あるいは、進行阻害をどのように克服しているのかについて、ゲノム構造の単純な大腸菌を用いて、分子遺伝学やゲノム生物学などの手法を駆使しながらアプローチしています。これまでに、私たちは大腸菌ゲノム全体での複製フォークの分布を初めて明らかにしました。

ゲノム不安定性は複製阻害でどの様に生じるのか?(図3

細胞がヌクレオチドのチミンを生合成できないチミン飢餓状態になると、複製フォークの進行が阻害されて、短時間に劇的な細胞死を起こします(チミン飢餓死)。このチミン飢餓死を引き起こす抗菌剤(トリメトプリム)や抗がん剤(5-FU)は、医療現場で広く使用されています。しかし、その発見から60年以上を経ても、チミン飢餓死で生じるゲノム不安定性や細胞死のメカニズムは明らかにされていません。私たちは、ヌクレオチド欠乏による複製阻害が、どのようにしてゲノム不安定や細胞死を生じるのかを大腸菌を用いて解析しています。これまでに、私たちは、ヌクレオチド欠乏で、複製フォークが染色体上の特定の領域で停まりやすく、その領域でゲノム不安定性に繋がる不正確なDNA合成を生じることを見出しました。

(図1)
(図1) ゲノム不安定性の発生と抑制の機構
複製フォークは染色体上の様々な生理的要因によって阻害されている。その阻害は複製フォークの崩壊からDNA損傷を生じてゲノム不安定性に繋がる。そこで、細胞は多様な修復機構で複製の進行阻害に対処している。
(図2)
(図2) 大腸菌ゲノムの複製フォークの分布
ゲノムの位置を横軸に、複製フォークの相対量を縦軸に示す。縦軸の値が高いほど、複製フォーク進行が阻害されて遅延しやすい。遅延領域はリボゾームRNAをコードするrrn遺伝子(青色の矢印)、および、複製開始点oriC(緑色の三角形)の両側領域(赤色の丸印)に集中している。
(図3)
(図3) 大腸菌の複製進行の調節モデル
これまでの研究から、大腸菌のゲノムはチミンの不足時に複製開始点の近傍で複製を一時停止するようにプログラムされていると、私たちは考えている。このモデルでは、チミン飢餓時に、一時停止領域での異常なDNA合成によりゲノム不安定性を生じて、ゲノムが不活性化される。

主な発表論文・著作

  1. K. Uchida, et al., Mol. Microbiology, 70, 608-622, 2008
  2. T.M. Pham et al., Mol. Microbiology, 90, 584-596, 2013
  3. M. Ikeda et al., Nucleic Acid Res., 42, 8461-8472, 2014
  4. K.W. Tan et al., Nucleic Acid Res., 43, 1714-1725, 2015
  5. M.T. Akiyama et al., Genes to Cells, 21, 907-914, 2016