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研究内容

細胞工学研究室

わたしたちの研究

わたしたちの研究の目的

 ヒトの体は60兆個もの細胞で構成されており、それぞれの細胞は父親と母親から受け継いだ46本の染色体を保持しています。染色体は、ゲノムDNAにヒストンや多種多様なタンパク質が集合して形成されたクロマチンが、更に高度に折り畳まれてできています。細胞は、染色体上の2万3千もの遺伝子の発現を調節することで、体の各組織を構成する様々な性質を作り出しています(図1)。わたしたちの研究室では、DNAとタンパク質がどのように集合して染色体ができ上がるのか、また、どのように染色体が維持され機能するのか、そのしくみの解明を目指しています。

わたしたちの研究の特徴

 染色体が娘細胞へ正しく分配されるためには、セントロメアと呼ばれる部位が重要な働きをします(図1)。わたしたちは、このセントロメアから取り出した巨大反復DNAや合成反復DNAをヒト培養細胞に再導入し、細胞が増殖する時に正しく複製し、2つの娘細胞に均等に分配されるミニ染色体(47本目の染色体)を作り出しました(図1、2)。このヒト人工染色体(Human Artificial Chromosome: HAC)は、染色体の持つさまざまな機能、例えば、複製や分配、遺伝子の発現制御、等がどのようにして働くのか、その仕組みの解明に利用できます。わたしたちは、この人工染色体を用いて染色体のさまざまな機能を解明する基礎研究を進めています。

応用が期待される分野

 ゲノム情報の膨大な知見を有効に活用することは,生命科学や医療の発展にとって極めて重要です。細胞中で安定に複製・分配・維持されるヒト人工染色体は,特定の遺伝子を細胞へ導入するベクター(遺伝子の運び屋)としても期待されています。ヒト人工染色体に組み込んだ遺伝子の発現を制御することで細胞のもつ多彩な機能をうまく引き出し、この技術を遺伝子治療や有用タンパク質の生産、あるいはモデル動物の作製などに応用できるように発展させることも、わたしたちの研究の大きな目標です。

研究テーマ

  1. 染色体基礎研究からの知見を利用した次世代人工染色体の開発
  2.  ゲノムDNAは細胞内で染色体やクロマチンとして維持されていますが、その機能構造や制御機構には不明な点が多く残されたままです。本研究では、染色体やその分配装置であるセントロメアとクロマチンの基本的な形成メカニズムの解明を進め、その知見を利用して次世代人工染色体の開発を行ないます。

  3. 人工染色体ベクターを用いたiPS細胞の樹立
  4.  ウイルスベクターを用いたiPS細胞作製の問題点を克服するために、自己脱落制御可能な人工染色体ベクターの開発を進めます。具体的には、iPS細胞誘導に必要な遺伝子を組み込んだ人工染色体ベクターを細胞へ導入し、iPS細胞の誘導を行います。最終的に、誘導iPS細胞から人工染色体を脱落させるので、導入遺伝子のない安全なiPS細胞の作製が期待されます。

  5. セントロメア構成因子によるクロマチンネットワークの解析
  6.  染色体分配に欠かせないセントロメアはゲノムの機能制御にも重要ですが、その詳細は明らかにされていません。本研究では、人工染色体を用いて染色体のさまざまな構造をつくり出し、セントロメアやヘテロクロマチンの構造と転写、複製、修復などの染色体の機能との関係について明らかにしようとしています。

染色体の構造 図1. 分裂期の細胞では、紡錘体の微小管が染色体のセントロメア(動原体)に結合します。セントロメアが染色体の移動や染色分体の分離タイミングを調節することにより、染色体の娘細胞への均等な分配が行われます。

図2. ヒト培養細胞への反復DNAの導入によって形成されたヒト人工染色体(矢印)の蛍光顕微鏡写真(青:DNA、緑:セントロメアタンパク質CENP-A、赤:人工染色体ベクターDNA)

研究室メンバー

舛本 寛室長 masumoto at kazusa.or.jp
岡崎 孝映 主任研究員 kokazaki at kazusa.or.jp
大関 淳一郎 研究員 johzeki at kazusa.or.jp
久郷 和人 研究員 kkugou at kazusa.or.jp

発表論文リスト

2015
CENP-C and CENP-I are key connecting factors for kinetochore and CENP-A assembly.
Shono N, Ohzeki J, Otake K, Martins NMC, Nagase T, Kimura H, Larionov V, Earnshaw WC, Masumoto H.

J. Cell Science, in press. (2015)

Stable complex formation of CENP-B with the CENP-A nucleosome.
Fujita R#, Otake K#, Arimura Y, Horikoshi N, Miya Y, Shiga T, Osakabe A, Tachiwana H, Ohzeki J, Larionov V, Masumoto H*, and Kurumizaka H. 
# equally contributed.
Nucleic Acids Res. 43(10): 4909-4922 (2015)

Genetic and epigenetic regulation of centromeres: A look at HAC formation.
Ohzeki J, Larionov V, Earnshaw WC, and Masumoto H.
Chromosome Res. 23: 87-103 (2015)

Generation of a conditionally self-eliminating HAC gene delivery vector through incorporation of a tTAVP64 expression cassette.
Kononenko A, Lee NC, Liskovykh M, Masumoto H, Earnshaw WC, Larionov V, Kouprina N.
Nucleic Acids Res. (2015) [Epub ahead of print]

Generating a transgenic mouse line stably expressing human MHC surface antigen from a HAC carrying multiple genomic BACs.
Hasegawa Y, Ishikura T, Hasegawa T, Watanabe T, Suzuki J, Nakayama M, Okamura Y, Okazaki T, Koseki H, Ohara O, Ikeno M, and Masumoto H. Chromosoma 124(1): 107-118 (2015) [Epub ahead of print 2014]

Replication of alpha-satellite DNA arrays in endogenous human centromeric regions and in human artificial chromosome. 
Erliandri I, Fu H, Nakano M, Kim JH, Miga KH, Liskovykh M, Earnshaw WC, Masumoto H, Kouprina N, Aladjem MI, Larionov V.
Nucleic Acids Res. 42(18): 11502-11516 (2015) [Epub ahead of print 2014]

2014
A portable BRCA1-HAC (human artificial chromosome) module for analysis of BRCA1 tumor suppressor function. 
Kononenko AV, Bansal R, Lee NC, Grimes BR, Masumoto H, Earnshaw WC, Larionov V, Kouprina N.
Nucleic Acids Res. 42(21): e164 (2014)

The epigenetic regulator Uhrf1 facilitates the proliferation and maturation of colonic regulatory T cells.
Obata Y, Furusawa Y, Endo TA, Sharif J, Takahashi D, Atarashi K, Nakayama M, Onawa S, Fujimura Y, Takahashi M, Ikawa T, Otsubo T, Kawamura YI, Dohi T, Tajima S, Masumoto H, Ohara O, Honda K, Hori S, Ohno H, Koseki H, Hase K.
Nat Immunol. 15(6): 571-579 (2014)

Human artificial chromosome based gene delivery vectors for biomedicine and biotechnology.
Kouprina N, Tomilin AN, Masumoto H, Earnshaw WC, Larionov V.
Expert Opin. Drug Deliv. 11(4):517-35 (2014)

2013
Identification of novel α-n-methylation of CENP-B that regulates its binding to the centromeric DNA.
Dai X, Otake K, You C, Cai Q, Wang Z, Masumoto H, Wang Y.
J Proteome Res. 12(9): 4167-75. (2013)

A new generation of human artificial chromosomes for functional genomics and gene therapy.
Kouprina N, Earnshaw WC, Masumoto H, Larionov V.
Cell Mol Life Sci. 70(7): 1135-1148. (2013)

A new assay for measuring chromosome instability (CIN) and identification of drugs that elevate CIN in cancer cells.
Lee HS, Lee NC, Grimes BR, Samoshkin A, Kononenko AV, Bansal R, Masumoto H, Earnshaw WC, Kouprina N, Larionov V.
BMC Cancer 13: 252. (2013)

Protecting a transgene expression from the HAC-based vector by different chromatin insulators.
Lee NC, Kononenko AV, Lee HS, Tolkunova EN, Liskovykh MA, Masumoto H, Earnshaw WC, Tomilin AN, Larionov V, Kouprina N.
Cell Mol Life Sci. 70(19): 3723-3737. (2013)

Esperanto for histones: CENP-A, not CenH3, is the centromeric histone H3 variant.
Earnshaw WC, Allshire RC, Black BE, Bloom K, Brinkley BR, Brown W, Cheeseman IM, Choo KH, Copenhaver GP, Deluca JG, Desai A, Diekmann S, Erhardt S, Fitzgerald-Hayes M, Foltz D, Fukagawa T, Gassmann R, Gerlich DW, Glover DM, Gorbsky GJ, Harrison SC, Heun P, Hirota T, Jansen LE, Karpen G, Kops GJ, Lampson MA, Lens SM, Losada A, Luger K, Maiato H, Maddox PS, Margolis RL, Masumoto H, McAinsh AD, Mellone BG, Meraldi P, Musacchio A, Oegema K, O'Neill RJ, Salmon ED, Scott KC, Straight AF, Stukenberg PT, Sullivan BA, Sullivan KF, Sunkel CE, Swedlow JR, Walczak CE, Warburton PE, Westermann S, Willard HF, Wordeman L, Yanagida M, Yen TJ, Yoda K, Cleveland DW.
Chromosome Res. 21(2): 101-106. (2013)

Nap1 regulates proper CENP-B binding to nucleosomes.
Tachiwana H, Miya Y, Shono N, Ohzeki J, Osakabe A, Otake K, Larionov V, Earnshaw WC, Kimura H, Masumoto H, Kurumizaka H.
Nucleic Acids Res. 41(5): 2869-2880. (2013)
 
2012
Centromere Architecture Breakdown Induced by the Viral E3 Ubiquitin Ligase ICP0 Protein of Herpes Simplex Virus Type 1.
Gross S, Catez F, Masumoto H, Lomonte P.
PLOS ONE, 7(9): e44227. (2012)

Organization of Synthetic Alphoid DNA Array in Human Artifcial Chromosome (HAC) with a Conditional Centromere.。。
Kouprina N, Samoshkin A, Erliandri I, Nakano M, Lee H-S, Fu H, Iida Y, Aladjem M, Oshimura M, Masumoto M, Earnshaw WC, Larionov V.
ACS Synth.Biol. 1(12): 590-601. (2012)

Breaking the HAC Barrier: histone H3K9 acetyl/methyl balance regulates CENP-A assembly.
Ohzeki J, Bergmann JH, Kouprina N, Noskov VN, Nakano M, Kimura H, Earnshaw WC, Larionov V, Masumoto H.
EMBO J. 31(10): 2391-2402. (2012)

Epigenetic engineering: histone H3K9 acetylation is compatible with kinetochore structure and function.
Bergmann JH, Jakubsche JN, Martins NM, Kagansky A, Nakano M, Kimura H, Kelly DA, Turner BM, Masumoto H, Larionov V, Earnshaw WC.
J Cell Sci. 125(Pt 2): 411-421. (2012)

A new generation of human artificial chromosomes for functional genomics and gene therapy.
Kouprina N, Earnshaw WC, Masumoto H, Larionov V.
Cell. Mol. Life Sci. 70(7):1135-48 (2012)

HACking the centromere chromatin code: insights from human artificial chromosomes.
Bergmann JH, Martins NM, Larionov V, Masumoto H, Earnshaw WC.
Chromosome Res. 20(5): 505-519, (2012)

2011
Human artificial chromosome (HAC) vector with a conditional centromere for correction of genetic deficiencies in human cells.
Kim JH, Kononenko A, Erliandri I, Kim TA, Nakano M, Iida Y, Barrett JC, Oshimura M, Masumoto H, Earnshaw WC, Larionov V, Kouprina N.
Proc Natl Acad Sci U S A. 108(50): 20048-20053. (2011)

HP1 gamma links histone methylation marks to meiotic synapsis in mice.
Takada Y, Naruse C, Costa Y, Shirakawa T, Tachibana M, Sharif J, Kezuka-Shiotani F, Kakiuchi D, Masumoto H, Shinkai Y, Ohbo K, Peters AH, Turner JM, Asano M, Koseki H. (2011)
Development 138(19): 4207-4217.

Epigenetic engineering shows H3K4me2 is required for HJURP targeting and CENP-A assembly on a synthetic human kinetochore.
Bergmann JH, Rodriguez MG, Martins NM, Kimura H, Kelly DA, Masumoto H, Larionov V, Jansen LE, Earnshaw WC.
EMBO J. 30(2): 328-340. (2011)

2010
Human Artificial Chromosome with a Conditional Centromere for Gene Delivery and Gene Expression.
Iida Y, Kim JH, Kazuki Y, Hoshiya H, Takiguchi M, Hayashi M, Erliandri I, Lee HS, Samoshkin A, Masumoto H, Earnshaw WC, Kouprina N, Larionov V, Oshimura M.
DNA Res. 17(5): 293-301. (2010)

2009
Hierarchical inactivation of a synthetic human kinetochore by a chromatin modifier.
Cardinale S, Bergmann JH, Kelly D, Nakano M, Valdivia MM, Kimura H, Masumoto H, Larionov V, Earnshaw WC.
Mol Biol Cell 20(19): 4194-4204. (2009)

Human gamma-satellite DNA maintains open chromatin structure and protects a transgene from epigenetic silencing.
Kim JH, Ebersole T, Kouprina N, Noskov VN, Ohzeki J, Masumoto H, Mravinac B, Sullivan BA., Pavlicek A, Dovat S, Pack SD, Kwon YW, Flanagan PT, Loukinov D, Lobanenkov V, Larionov V.
Genome Res. 19(4): 533-544. (2009)

2008
Inactivation of a human kinetochore by specific targeting of chromatin modifiers.
Nakano M, Cardinale S, Noskov V, Gassmann R, Vagnarelli P, Kandels-Lewis S, Larionov V, Earnshaw WC, Masumoto H.
Developmental Cell 14(4): 507-522. (2008)

Human Artificial Centromeres: De novo assembly of functional centromeres on human artificial chromosomes.
Masumoto H, Okada T, Okamoto Y.
In "The Kinetochore: from Molecular Discoveries to Cancer Therapy".
Eds. De Wulf P and Earnshaw WC. Springer Publ. New York. pp. 107-132. (2008)

2007
CENP-B controls centromere formation depending on the chromatin context.
Okada T, Ohzeki J, Nakano M, Yoda K, Brinkley WR, Larionov V, Masumoto H.
Cell.131(7): 1287-1300. (2007)

A minimal CENP-A core is required for nucleation and maintenance of a functional human centromere.
Okamoto Y, Nakano M, Ohzeki J, Larionov V, Masumoto H.
EMBO J. 26: 1279-1291. (2007)