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論文

Two arginine residues suppress the flexibility of nucleosomal DNA in the canonical nucleosome core

河野 秀俊; 白山 一義*; 有村 泰宏*; 立和名 博昭*; 胡桃坂 仁志*

PLOS ONE (Internet), 10(3), p.e0120635_1 - e0120635_15, 2015/03

 被引用回数:26 パーセンタイル:66.57(Multidisciplinary Sciences)

The dynamics of nucleosomes containing either canonical H3 or its centromere-specific variant CENP-A were investigated using molecular dynamics simulations. The simulations showed that the histone cores were structurally stable during simulation periods of 100 ns and 50 ns, while DNA was highly flexible at the entry and exit regions and partially dissociated from the histone core. In particular, approximately 20-25 bp of DNA at the entry and exit regions of the CENP-A nucleosome exhibited larger fluctuations than DNA at the entry and exit regions of the H3 nucleosome. Our detailed analysis clarified that this difference in dynamics was attributable to a difference in two basic amino acids in the$$alpha$$N helix; two arginine (Arg) residues in H3 were substituted by lysine (Lys) residues at the corresponding sites in CENP-A. The difference in the ability to form hydrogen bonds with DNA of these two residues regulated the flexibility of nucleosomal DNA at the entry and exit regions. Our exonuclease III assay consistently revealed that replacement of these two Arg residues in the H3 nucleosome by Lys enhanced endonuclease susceptibility, suggesting that the DNA ends of the CENP-A nucleosome are more flexible than those of the H3 nucleosome. This difference in the dynamics between the two types of nucleosomes may be important for forming higher order structures in different phases.

口頭

CENP-Aヌクレオソームにおける動的なDNA構造とその制御機構

有村 泰宏*; 越阪部 晃永*; 白山 一義*; 竹田 瑶弥*; 宮 優太*; 立和名 博昭*; 河野 秀俊; 胡桃坂 仁志*

no journal, , 

真核生物の細胞分裂が正確に遂行され、姉妹染色体が細胞両極へ均等分配されるためには、染色体が動原体を介して微小管と結合することが必須である。動原体は染色体上のセントロメアとよばれる特殊化されたクロマチン領域に形成され、セントロメアは動原体形成位置の決定に重要である。さらに、染色体上でのセントロメアの形成領域は、DNA複製後の娘染色体においても正確に継承される。高等真核生物において、セントロメア領域は、ヒストンH3バリアントCENP-Aを含むクロマチンの形成により、エピジェネティックに確立されることが示されており、そのメカニズムについて盛んな議論がなされている。これまでに我々は、ヒトCENP-Aヌクレオソームは、DNAのヒストンとの結合様式が主要型のH3ヌクレオソームと異なり、ヌクレオソームDNAの末端(entry/exit部位)がヒストンから解離していることを報告している。このCENP-Aヌクレオソームの構造的特徴は、セントロメアの特殊なクロマチン構造の形成や、DNA結合タンパク質の効率的な結合に関与すると考えられるが、その詳細は明らかになっていない。今回我々は、CENP-Aヌクレオソームに特異的なDNA末端の解離が引き起こされるメカニズムについての解析を行った。

口頭

CENP-Aヌクレオソーム特異的なDNA構造の構造生物学的・生化学的解析

白山 一義*; 有村 泰宏*; 立和名 博昭*; 河野 秀俊; 胡桃坂 仁志*

no journal, , 

真核生物において、DNAはクロマチン構造によって核内にコンパクトに収納されている。クロマチン構造は4種類のコアヒストン(H2A, H2B, H3, H4)各2分子ずつから構成されるヒストン8量体に、DNAが巻き付いたヌクレオソームとよばれる基本単位から形成されている。H4を除く各コアヒストンにはそれぞれバリアントが存在し、ヒストンバリアントを含むヌクレオソームは、それぞれ特異的な機能を発揮することが知られている。H3バリアントであるCENP-Aは、有糸分裂時に微小管が結合するセントロメアの形成位置決定に必須である。我々は、ヒトCENP-Aを含むヌクレオソームは、標準的なH3ヌクレオソームに比べ、両端のDNAがヒストン8量体から解離した構造をもつことを明らかにしてきた。このようなフレキシブルなDNAの構造は、出芽酵母のCENP-AホモログであるCse4を含むヌクレオソームでも報告されている。このことから、CENP-Aヌクレオソームの特殊なDNA構造は進化的に保存されており、セントロメア形成に重要な機能をもつと考えられるがその詳細な機構は明らかではない。そこで、CENP-Aヌクレオソーム特異的なDNA構造を生み出す要因となっているアミノ酸残基の同定を試みた。まず、CENP-Aヌクレオソームの結晶構造解析および分子動力学シミュレーション解析から、W47, K49, K53がDNA構造の大きな揺らぎを生み出す要因として推定された。次にそれらのアミノ酸をH3.1と相互置換した変異体ヒストンを含むヌクレオソームを試験管内で再構成した。そして、生化学的および構造生物学的手法を用いた解析の結果、変異体H3.1 A47Wを含むヌクレオソームにおいて、ヒトCENP-Aヌクレオソームと同様に両端のDNAが開いた構造を形成することが明らかになった。本会ではこれらの解析結果について報告し、CENP-Aヌクレオソームが特殊なDNA構造およびクロマチン構造を形成するメカニズムついて議論する。

口頭

Analyses of structure and dynamics with model chromatin

立和名 博昭*; 有村 泰宏*; 松本 亮平*; 滝沢 由政*; 堀 哲也*; 松本 淳; 小田 隆*; 佐藤 衛*; 河野 秀俊; 深川 竜郎*; et al.

no journal, , 

Centromeres are specific region of chromosomes, which ensure equal chromosome segregation in mitosis. The histone H3 variant, CENP-A, is a key protein for the establishment and maintenance of centromeres. However, little is known about how the incorporation of CENP-A into the chromatin leads to the centromere formation. We reported that a nucleosome containing human CENP-A (CENP-A nucleosome) has different structural feature, by which the CENP-A nucleosome may contribute to organize a unique chromatin structure in centromeres1. Then, we further analysed whether CENP-A nucleosome affects the poly-nucleosome structure using reconstituted tri-nucleosomes. To enable this, we reconstituted the tri-nucleosome, in which single CENP-A nucleosome is arranged at the centre, and two H3 nucleosomes are arranged on the both sides (H3-CA-H3 nucleosomes), by anucleosome-ligation method. Then, we analyzed structures of H3-CA-H3 nucleosomes and control H3-H3-H3 nucleosomes by dynamic light scattering, small angle X-ray scattering, and electron microscopic analyses. We found that single CENP-A nucleosome significantly alters higher order chromatin configuration. Based on these analyses, we propose a chromatin structure containing CENP-A nucleosomes and discuss the advantage of this structure in centromere formation and maintenance.

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