2011年6月アーカイブ

代謝医学分野 酒井寿郎 教授、第43回 日本動脈硬化学会 (2011年7月16日開催)
第6回 五島雄一郎 賞 を受賞 することとなりました。



Atherosclerosis - Genetics to Epi-genomics


Juro Sakai
Division of Metabolic Medicine, RCAST,
The University of Tokyo


For more than a century, genetics has been a powerful tool to discover the causes of disease and their molecular basis. The discovery of the LDL receptor by Drs Goldstein & Brown, for example, enabled dramatic progress towards the elucidation of the mechanisms that mediate cholesterol homeostasis. This work showed that one of the most common genetic diseases in humans, familiar hypercholesterolemia, results from genetic defects of the LDL receptor. Expression of the LDL receptor gene is tightly regulated by cholesterol levels. This ensures that cells avoid the twin pitfalls of over accumulation of cholesterol on the one hand, and of insufficient cholesterol on the other. Transcriptional regulation of the LDL receptor gene is largely the work of SREBP. SREBP is a membrane-bound transcription factor that resides as an inactive form in the endoplasmic reticulum (ER). In order for SREBP to become transcriptionally-active, its amino-terminal portion must be cleaved from the membrane. Using somatic cell genetics, together with expression cloning techniques, my colleagues and I in the Brown and Goldstein lab discovered the two-step proteolytic activation of SREBP and identified the two distinct proteases involved.

It is now well known that both genetic factors and environmental factors are important in developing metabolic disorders such as obesity, type 2 diabetes, and atherosclerosis. Environmental factors can alter the way our genes are expressed through the mechanism of epigenetic changes. I sought to understand the role of epigenetic alteration of metabolic gene expression in order to test my hypothesis that the metabolic syndrome and cardiovascular disease can be caused at least in part by altered "histone modifications," which affect DNA.

Based on this hypothesis, my colleagues in my laboratory and I searched genes for chromatin modifications that may account for their altered expression and, thus, for obesity and metabolic disorders. PPARγ is a master regulator of adipogenesis and its agonist is an insulin-sensitizer. We hypothesized that PPARγ, regulates epigenetic changes to the genome. Such epigenomic changes are pivotal in cell differentiation. We used chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) analysis in 3T3L1 adipocytes to reveal that PPARγ binds to several genes that encode histone lysine methyltransferases. These include H3K9 methyl transferase and H4K20 mono-methyl transferase. Remarkably, mice deficient in H3K9 demethylase activity (JMJD1a-/- mice) exhibit adult onset obesity and insulin resistance. This result confirms my hypothesis.

I will present an overview of my studies of lipid and glucose homeostasis, energy expenditure, metabolic disorders and atherosclerosis starting from somatic cell genetics and moving on to epigeomics in animal models.

Biochemical Characterization of Human SET and MYND Domain-Containing Protein 2 Methyltransferase
Biochemistry, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/bi200725p • Publication Date (Web): 16 June 2011

Background of SMYD2
A member of SMYD subfamily lysine methyl
transferases (KMTs)
Carries 'split' SET, MYND, and CTD domains
Methylates H3K36, H3K4, p53 K370 & pRb K860
Amplified in various human solid tumors
Overexpression drives proliferation of
esophageal squamous cell carcinoma

Experimental approach
SMYD2
His-SMYD2 (baculoviral expression in Sf21)
Biochemical and structural analysis to
understand the biochemical properties of SMYD2


Major conclusions
Optimal enzymatic reaction conditions: pH ~9.1, ~25 mM NaCl, 32oC,
>0.01% Tween20.
Truncation of CTD shows no appreciable influence on the enzymatic
activity, while mutations in other domains significantly impairs it.
SMYD2 coordinates three zinc ions, one of which was confirmed to be
in post-SET by X-ray crystallography.
"This work should lay the foundation for designing robust biochemical
assays for identifying SMYD2 small molecule inhibitors"

(担当:米沢)
Pyruvate kinase M2 is a PHD3-stimulated coactivator for hypoxia-inducible factor 1

Cell 145, 732-744, May 27, 2011



SUMMARY

ピルビン酸キナーゼはPKM1PKM2のアイソフォームが存在し、PKM2は癌細胞においてグルコース代謝を介して腫瘍形成能を促進すると考えられるが、その機序は明らかでない。著者らは、1.PKM2HIF-1のターゲット遺伝子であること。2.PKM2HIF-1介する転写のco-activatorであること。3.PKM2co-activatorとしての機能がprolyl hydroxylase PHD3によって促進されること。4.さらにPHD3のノックダウンが癌細胞のWarburg効果を負に促進することを見出した。これらの結果から、PKM2はポジティブフィードバックループとしてHIF-1の転写活性と癌細胞のグルコース代謝に関与することが明らかとなった。


Figure 4: PKM2Prolyl HydroxylationPro-OH)がHIF-1transactivationを促進した。

Figure 5: PHD3Pro-OHを促進しPKM2と協調的にHIF-1aの活性化に寄与することをIPshRNAPHD3を用いて証明した。

Figure 6: PKM2HIF-1aの標的因子LDHA(Lactate dehydrogenase A)HRE結合、HREリクへのp300のルートメント、LDHAH3K9acを促進することChIP assayで示した。

Figure 7:PKM2PHD3HIF1依存的なグルコース代謝を促進することを示した。


(担当:大澤)

Pluripotency Factors in Embryonic Stem Cells Regulate Differentiation into Germ Layers

Cell, Volume 145, Issue 6, 875-889, 10 June 2011

Matt Thomson, Siyuan John Liu, Ling-Nan Zou, Zack Smith,

Alexander Meissner, Sharad Ramanathan


How embryonic stem cells decide their fate is poorly understood.


Key Findings

  • Lineage-specific expression patterns identify factors governing germ layer fate choice

  • Dynamics of ESC pluripotency factors Oct4 and Sox2 predict and control cell fate choice

  • Altering Oct4 and Sox2 levels affects germ layer fate choice

  • Modeling reveals that pluripotency circuit can integrate signals to determine fate


(担当:野村)

血管内皮細胞特異性を維持する因子の発見

このほど、東京大学先端科学技術研究センター(東京都目黒区駒場、中野義昭所長)の神吉康晴(かんき やすはる)特任研究員、南敬(みなみ たかし)特任 教授らの研究グループ(血管生物学分野・最先端次世代研究開発支援プロジェクト)は、転写因子GATA2が血管内皮細胞においてその性質維持に重要である こと、また同遺伝子の機能が失われると血管内皮細胞の一部が別の細胞に形質転換を起こすことを明らかにした。本内容は2011年6月10日付けでThe EMBO Journal (Nature Publishing Group)電子版に掲載された。


転写因子GATA2は、DNAに結合して遺伝子の発現、及び細胞の性質を制御する因子として知られている。GATA2がないマウスでは血管、血球の元にな る細胞が増殖できずに胎生早期に死亡することが従来から知られていた。一方で分化した先である血管内皮細胞でもGATA2は発現しているが、その機能は不 明であった。

そこで今回の研究では、まずGATA2に対する抗体を作成し、最先端技術である次世代シークエンサーを用いてGATA2の結合部位を全ゲノム上で明らかに した。また、血管の内皮細胞及び比較対象として用いた血球系細胞での解析より、GATA2は細胞ごとに異なる領域に結合すること、またその結合先はそれぞ れの細胞を特徴づける遺伝子であることを明らかにした(図1、2)。

図1 ChIP-seqにより確認された内在性GATA2のゲノムワイドな結合部位解析
図2 2種類の細胞における結合遺伝子の例。発現と結合が一致していることが分かる。

 次に両者の結合の違いが何に由来しているかを探索した。体中の細胞は同じDNAを持ちながら様々な細胞種に分化する過程、あるいは 分化した細胞が iPS 細胞にリセットされる過程においてエピゲノム修飾というものが重要であることが分かっている。エピゲノム修飾は、DNAそのものの修飾、DNAが巻き付い ているヒストンの修飾、ヒストンの集合体であるヌクレオソームの構造変化等が知られている。今回の研究では、ヒストン修飾の次世代シークエンサー解析か ら、GATA2の細胞種ごとの結合の違いは細胞種ごとに異なるヒストン修飾に規定されていることを見いだした。

さらに、次世代シークエンサー及び発現アレイを用いた網羅的解析から、血管内皮細胞におけるGATA2の新たな標的因子endomucinを同定した。 Endomucinは血管内皮細胞のマーカー遺伝子であり、GATA2と同様に血管新生に重要であることも今回新たに示した(図3)。本研究は、 GATA2-endomucinという制御が血管の基本的な性質にとって極めて重要であることを初めて示したものとなる。

図3 新規に発見したGATA2の標的内皮特異的遺伝子endomucinは血管新生に必須である

このendomucin遺伝子が血管内皮細胞特異的に発現するメカニズムとして、クロマチン立体構造を解析するChromatin Conformation Capture Assay (3Cアッセイ)を用いて、GATA2を介した新たな転写モデルを提唱した(図4)。

図4 EndMT概念図

上記で示された血管特異性とGATA2の関係に着目し、GATA2が血管の表現系及び機能に及ぼす影響を調べた。その結果、GATA2の発現が落ちると、 血管はその性質や機能を維持出来ないばかりか、一部の細胞が間葉系細胞に変化してしまうEndMT (Endothelial-Mesenchymal Transition)という現象が起こることを明らかにした(図5)。EndMTは悪性腫瘍転移を促す現象として最近注目されており、今回明らかになっ たGATA2の腫瘍内血管での解析を進めることで腫瘍転移に対する新たな治療戦略へと繋がることが期待される。

図5 endomucinの転写モデル図。内皮細胞でのみGATA2を介在しているクロマチン立体構造が存在する。

Yasuharu Kanki, Takahide Kohro, Shuying Jiang, Shuichi Tsutsumi, Imari Mimura, Jun-ichi Suehiro, Youichiro Wada, Yoshihiro Ohta, Sigeo Ihara, Hiroko Iwanari, Makoto Naito, Takao Hamakubo, Hiroyuki Aburatani, Tatsuhiko Kodama and Takashi Minami
Epigenetically coordinated GATA2 binding is necessary for endothelium-specific endomucin expression
The EMBO Journal advance online publication 10 June 2011; doi:10.1038/emboj.2011.173


PubMed

The EMBO Journal

HNF4αとSmad2/3の協調作用

東京大学医学系研究科の宮園研究室とTGFβおよびBMPシグナリングを担う転写因子であるSmadの標的遺伝子について共同研究を進めています。

今回はHaCaT細胞と肝芽腫由来細胞株HepG2におけるSmad2/3の結合領域をChIP-seq解析により決定し、HepG2細胞では肝臓 特異的な転写因子であるHNF4αとSmad2/3の結合部位の3分の1が重なっており、両者が協調的に作用することを見いだしました。

本成果は6/6付けの米国生化学会誌(JBC)オンライン版に掲載されました。

Cell-type specific target selection by combinatorial binding of Smad2/3 and hepatocyte nuclear factor 4{alpha} in HepG2 cells.
Mizutani A, Koinuma D, Tsutsumi S, Kamimura N, Morikawa M, Suzuki HI, Imamura T, Miyazono K, Aburatani H.
J Biol Chem. 2011 Jun 6. [Epub ahead of print]

PubMed
Journal website

LSBM分子生物医学部門(浜窪教授)の岩成宏子助教らは、制御性T細胞(Treg)マニュピレーションを利用した自己抗原に対するモノクローナル抗体作製方法の研究を行い、その成果をJournal of Immunological Methodsに発表した。

抗体は、抗原の生体内分布の確認や作用機序の解明のツール、さらには治療、診断の試薬として重要である。しかしながら自己抗原と相同性の高い抗原に 対しては、異なる生物種由来の抗原であっても、免疫動物によって自己抗原と認識されて免疫寛容の機構が働くため、抗体が産生されにくい。 我々は末梢性免 疫寛容を解除することにより、自己抗原(様)蛋白に対する抗体産生を増強できるのではないかと考え、検討を行なった。正常BALB/cマウス脾臓細胞か ら、CD25+細胞(Tregを含む)を除いた細胞を調製して同系athymicヌードマウスに移入し、自己抗原蛋白質であるマウ スサイログロブリンまたはマウスGα12を免疫した結果、有意に血中抗体価が上昇した。抗マウスサイログロブリン抗体価の上がったマウスの脾臓細胞を用い て細胞融合を行い、抗原に対する親和性の高いモノクローナル抗体を得ることに成功した。以上により、この免疫方法は、自己抗原および動物種間で構造の保存 された抗原に対する抗体作製に有効であると期待される。

A method of generating antibodies against exogenously administered self-antigen by manipulating CD4+CD25+ regulatory T cells.
Iwanari H, Nakada-Nakura Y, Kusano-Arai O, Suzuki N, Kodama T, Sakihama T,Hamakubo T.
J Immunol Methods. 2011 May 3. [Epub ahead of print]

PubMed
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