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東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻
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生命科学総合研究棟B棟305号室
東京大学定量生命科学研究所　ゲノム再生研究分野　

教授　小林武彦 　

DNA配列間の情報交換により品質を管理する機構の発見

  1.  発表者：
    堀　優太郎（東京大学定量生命科学研究所 ゲノム再生研究分野・助教）
    嶋本　　顕（山陽小野田市立山口東京理科大学薬学部　再生医療学分野・教授）
    小林　武彦（東京大学定量生命科学研究所 ゲノム再生研究分野・教授）
  2. 今回の発見のポイント：
    ◆長鎖DNA解析技術を用いて、最大の繰り返し遺伝子であるリボソームRNA遺伝子の全体像を初めて明らかにしました。
    ◆これまでの報告とは異なり、リボソームRNA遺伝子は綺麗に直列に並んでいました。
    ◆リボソームRNA遺伝子には、周りとの情報の交換により配列を均一化する品質管理機構があることが判りました。
    ◆ゲノムの不安定化によって引き起こされるがんや老化の研究発展への寄与が期待されます。
  3.  論文概要：
    ゲノムとはその生物の持つ全遺伝情報であり、DNA配列として細胞に収納されています。ヒトのゲノムは2003年に解読されましたが、短い配列（数十〜数キロ塩基）を繋ぎ合わせて全体を組み立てる方法を用いたため、ゲノムの半分近くを占める反復配列の領域の構造を正確に決めることはできませんでした。
    近年英国のオックスフォード・ナノポア社や米国のPacBio社が、連続した長い配列を解読可能な装置を開発しました。これらの解析装置では、数十〜数百キロ塩基のDNA配列を解読することができるため、これまで不可能だった数キロ塩基（数kb）以上の繰り返し配列の解析が可能になりました。
    この技術を用い、東京大学定量生命科学研究所の堀優太郎助教と小林武彦教授は、山陽小野田市立山口東京理科大学薬学部の嶋本顕教授との共同研究で、ゲノム中で最大の反復遺伝子であるリボソームRNA遺伝子（200~700コピー、rDNA）の全体構造を解析しました。その結果、これまでのrDNAの約３割は異常な構造を持っているという定説を覆し、99.8%は規則正しい直列反復構造をとっていることを解明しました。しかも近接するコピーほどその構造やメチル化修飾パターンが似ていること、また日本人に共通した特徴的な配列も発見しました。さらには、寿命が短くなる遺伝病の細胞では、構造変化の割合が増えていることもわかりました。
    以上の発見からrDNAには、配列間の情報の交換により均一化する品質管理機構が存在することがわかりました。本成果は、ゲノムの異常で引き起こされる老化やがん化研究の基礎研究として、重要だと考えられます。
  4. 発表雑誌：
    雑誌名：「Genome Research」 (2021年8月）
    論文タイトル：The human ribosomal DNA array is composed of highly homogenized tandem clusters
    著者： Yutaro Hori, Akira Shimamoto and Takehiko Kobayashi
    DOI番号：10.1101/gr.275838.121

URL：https://genome.cshlp.org/content/early/2021/10/11/gr.275838.121.full.pdf+html

＜報道等＞

プレスリリースhttps://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/z0207_00049.html
日経産業新聞　2021年10月15日

DNA複製のタイミングとゲノムの安定性についての論文が米国微生物学会誌の「注目論文」に選ばれました。

雑誌名：「Molecular and Cellular Biology」　DOI: 10.1128/MCB.00324-20

論文タイトル：The S-Phase Cyclin Clb5 Promotes rRNA Gene (rDNA) Stability by Maintaining Replication Initiation Efficiency in rDNA

著者：Mayuko Goto, Mariko Sasaki, Takehiko Kobayashi

後藤　真由子、佐々木　真理子、小林 武彦

論文概要：　

遺伝情報を守るメカニズムを発見

ーDNAを素早くコピーすることが遺伝情報の安定な維持に大切ー

細胞が殖える時には、事前にDNAを正確に複製（コピー）し、複製されたDNAを娘細胞に分配します。DNAの遺伝情報を短時間でコピーするために、細胞はDNA上の多くの場所から複製を始めます。DNA複製過程で異常が起こると、誤った遺伝情報が娘細胞に受け渡され、ガンや様々な病気の発症につながります。東京大学定量生命科学研究所の小林武彦教授と佐々木真理子助教、大学院生の後藤真由子は、細胞周期の進行、特にDNA複製の開始を司るClb5タンパク質をもたない出芽酵母の細胞では、リボソームRNA反復遺伝子の一部が削られたり増幅したりしてDNAが不安定になることを発見しました。Clb5タンパク質がないと、DNA複製開始の頻度が減少し、複製開始点同士の間隔が長くなり、複製装置が長く移動する必要が生じます。そのため複製装置の停止などのトラブルに遭遇しやすくなることが明らかになりました。これらの発見から、細胞がどのようなメカニズムで膨大な遺伝情報を正確に複製し、がん化などを回避しているのかを明らかにすることができました。

＜報道等＞

プレスリリース

http://www.iam.u-tokyo.ac.jp/pressrelease/210331-1/

米国微生物学会誌

https://mcb.asm.org