生物が生命を維持するためには、全ゲノム情報を包括する構造体である染色体が安定に複製されて分配されなければいけません (下図)。染色体の複製・分配といった基本的な生体反応に狂いが生じると染色体の異数化、がん化など細胞に対する悪影響が生じます。したがって、染色体複製や分配機構を解明することは、複雑な細胞システムを理解するためには不可欠な研究であり、基礎生物学研究、および、がん生物学といった基礎医学研究の両面から重要な研究です。
細胞周期のS期で複製された染色体は、M期では両極から伸びた紡錘体に捕えられ、娘細胞へと分配されます。この際、紡錘体が結合する染色体上の特殊構造はキネトコア (動原体) とよばれ、セントロメアというゲノム領域上に形成されます。私たちの研究室では、このキネトコア／セントロメアに注目し、その形成機構および細胞機能の解明を目指した研究を行なっています。
私たちの研究室では、これまで、キネトコアを構成するタンパク質の同定やその機能解析あるいは、セントロメアDNA領域のゲノム解析を行なってきました。現在の目標は、キネトコアの構築とダイナミクスを総合的に理解することにあります。最近では、セントロメアの機能不全による染色体不安定性が、発がんと関連するという多くの知見が得られてきています。私たちの研究は、基礎生物学の本質的な理解に貢献することを目指していますが、長期的には医学の分野にも大きな影響を与えるものと思っています。
現在、以下のような研究テーマについて取り組んでいます。
1. セントロメアの決定機構
キネトコアが形成されるセントロメア領域は、DNAの一次配列で規定されるのではなく、一種のエピジェネティックな分子機構で決定されます。私たちの研究室では、これまでニワトリDT40細胞を用いて、セントロメアのゲノム領域を解析してきました。さらに、セントロメア領域を条件的に取り除く実験系を確立しています。このようなゲノム・染色体工学的な手法を駆使して、セントロメアを取り除き、どのようにセントロメアが再生されるのかを解析することで、セントロメア領域が決定される分子機構を明らかにしようと考えています。
図に示すように、セントロメアを取り除いた後に、非セントロメア領域に各種のタンパク質を異所局在させることで、セントロメア形成に必要なタンパク質が同定できると考えています。
このような実験に限らず、ゲノム・染色体工学的な手法を用いて、効率的に人工的なセントロメアを構築できるような条件を明らかにしたいと考えています。このテーマでは、培養細胞の培養、各種分子生物学的手法、顕微鏡観察、ゲノム解析などの実験手法が必要とされます。
2. キネトコア構成タンパク質の機能と構造
キネトコア構造は、約100種類のタンパク質からなる巨大複合体です。キネトコアはセントロメアDNA上に形成されるので、構成タンパク質にはDNA結合タンパク質も存在します。また、キネトコアは、細胞分裂の際には紡錘体微小管と結合するので、微小管結合タンパク質もキネトコア構成の中に存在します。2000年頃までは、キネトコアを構成するタンパク質は、同定されていないものが多く、構造体としての理解があまり進んでいませんでした。2000年代に、プロテオミクスの手法でキネトコアを構成する因子が多数同定されました。私たちは、細胞周期を通じて構成的にセントロメアに局在するタンパク質 (CCANタンパク質と呼ばれている)に注目して、その機能と構造解析を行なっています。
現在まで、CCANとしては、16種類のタンパク質が同定されていますが、16種類がいくつかのサブ複合体に分かれています。私たちは、各サブ複合体の細胞機能の解明とin vitroでの再構成を試みています。すべてのサブ複合体が再構成できれば、CCAN全体の再構成も可能になります。最終目標は、試験管内でキネトコア構造を再構成することです。
In vitroで再構成したサブ複合体については、X線結晶構造解析法を用いて構造解析も行なっています。最近では、サブ複合体の一つであるCENP-T-W-S-Xの構造解析に成功しています。
このテーマでは、培養細胞の培養、各種分子生物学的手法、顕微鏡観察などに加えて生化学や構造生物学の実験手法が必要とされます。
3. マウス発生過程における染色体分配の多様性
これまで染色体分配の研究というと、培養細胞を用いた研究が主流でした。どの細胞でも、細胞が分裂する限り染色体が分配されるので、すべての細胞で共通の分子機構を知るためなら、扱いやすい細胞を使えば良いと言えます。すべての細胞で共通の基本メカニズムは存在すると思われますが、細胞が分裂する時間などは、細胞ごとに違います。特に、分化が盛んにおきる初期発生の細胞の分裂はとても早いことが知られています。そこで、私たちは、細胞ごとに異なる染色体分配のメカニズムを知ろうという研究を行っています。そのために、マウスを用いて研究を行なっています。分化前の細胞と分化後の細胞では、キネトコア構造に違いがあることなどがわかってきました。
また、キネトコアの不全による発がんメカニズムを明らかにするために、キネトコアの機能不全マウスの作成なども行なっています。
本プロジェクトでは、ノックアウトマウス作成や、初期胚の細胞生物学観察、組織の解剖学の実験手法が必要となります。