臨床薬学部門Molecular Biology細胞性生物が普遍的に必要とするシステム「染色体DNA 複製」の制御機構における共通原理解明を目指して 細胞増殖の過程では、ゲノムDNAの複製によって遺伝情報のコピーが作られ、それぞれ娘細胞に伝達される。この際、ゲノム複製は、特定の時期に、ただ１回だけ起こることによって、遺伝情報を正確に2倍化する。このゲノム複製の「１回性」は細胞性生物に共通かつ必須の制御システムであり、もしこれが欠損すると、複製コピーの不足や過剰が生じる。このような分子病態は、染色体異常や細胞増殖阻害などを誘起する。そこで、１回性複製を維持制御する分子機構の解明は生物学的にも基礎医学的にも重要なものとなっている。 本研究室では、主として、①複製開始複合体の構造と分子機構、②１回性複製を維持制御する分子機構、③染色体DNA複製と分配、あるいは、細胞分裂との共役機構、および、④細胞周期プロセスにおいて複製開始反応が適時的に起こるよう制御する分子機構等の解明を進めている。これらの研究のため、分子遺伝学、分子生物学、生化学、構造生物学、生物情報科学的解析手法をもちいた多角的かつ総合的アプローチを展開している。研究内容トピックス ゲノム複製システムは進化過程で高度に保存されているので、我々はモデル系として大腸菌、高度好熱菌、有柄細菌（カウロバクター）を主な研究対象としている。大腸菌を用いる最大のメリットの１つは試験管内でミニ染色体の複製系を再構成できることにある。図１ 複製開始の分子機構 Fig.1 Complex for replication initiation11個のATP-DnaA（赤丸）が開始領域DNA（黒線）に結合する。我々が見出したDiaA タンパク質は複合体形成を助ける。IHF タンパク質はDNA を鋭く曲げる。DNA が一部１本鎖化しATP-DnaA に結合する。同時にATP-DnaAはDNA合成酵素等を1本鎖DNAに導く。 大腸菌の染色体DNA複製の開始反応はDnaAと呼ばれるタンパク質によって行われる。DnaAタンパク質はATPまたはADPと安定な複合体を形成する。複製開始複合体は、複製開始領域DNAとATP-DnaAが形成する高度な複合体である。この複合体の全体構造の解析はこれまで困難だったが、近年、我々は詳細な解析に成功し、新たな分子機構を解明した。この結果に基づき新たな全体構造のモデルを提案している（図１）。 複製開始反応の最終段階は、DNA合成酵素をDNA上に結合させることである。我々は、DNA合成酵素がDNAに結合すると、DnaAタンパク質を不活性化することを見出した。すなわち、開始反応遂行後のATP結合型DnaAタンパク質が、ATPの加水分解を引き起こし、不活性なADP型DnaAに変換するのである（図２）。 これを言い換えると、複製開始因子はDNA複製によるフィードバック制御を受ける、といえる。これにより１回のみの複製開始反応が保証される。我々の発見から数年遅れて、真核生物でも、同様な制御系が解明されている。このような制御系は生物界の共通原理の１つと思われる。教 授 片山 勉［理学博士］Professor Tsutomu Katayama, Ph. D.准教授 尾崎 省吾[博士（薬学）]Associate Professor Shogo Ozaki, Ph. D.助 教 加生 和寿[博士（薬学）]Assistant Professor Kazutoshi Kasho, Ph. D. 加えて、最近、我々は、ADP-DnaA を再活性化（リサイクル）してATP-DnaA に変換する新規制御因子を発見した（図２）。これは特殊な機能性DNA 因子であった。この因子の解析は、細胞増殖の機構解明やその制御薬剤の開発につながる。さらに有柄細菌のDNA 複製と分配の分子機構も解析している。分野連絡先分野連絡先[Research]In the cell cycle progression, chromosomal DNA is replicated only once at a specific time by the carefully controlled molecular switch for replicational initia-tion. If this regulation is interfered with, various cell defects occur, such as abnormal chromosomes, inhibition of cell division, and growth of abnormal cells. Thus, a study on this regulatory mechanism is of significance as a basis for the developments of antibiotics and anticancer drugs. We have shown that a pro-tein (DnaA) initiating E. coli chromosomal replication is inactivated by timely and direct interaction with a subunit of chromosomal replicase (DNA polymerase III holoenzyme). This interaction depends on loading the subunit onto DNA. This conformational change occurs for the nucleotide-polymerizing action of the replicase after the initiation reaction by DnaA. Thus, during the cell cycle, the initiation protein is most likely inactivated just after initiation of chromosomal replication in this manner. We have termed this regulatory system RIDA (Regulatory inactivation of DnaA). Reactivation of DnaA will occur before the next round of the replication cycle. We are investigating the molecular mecha-nisms in this DnaA-activity cycle including timely inactivation and activation. 【代表論文】Katayama, T. et al., The initiator function of DnaA protein is negatively regulated by the sliding clamp of the E. coli chromosomal replicase, Cell, 94, 61-71 (1998)Katayama, T., et al., Regulation of the replication cycle : conserved and diverse regu-latory systems for DnaA and oriC, Nature Rev. Microbiol., 8(3): 163-170 (2010)Kasho K., and Katayama,T., DnaA-binding locus datA promotes DnaA-ATP hydrolysis to enable cell cycle-coordinated replication initiation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110,936-941 (2013)Sakiyama, Y., et al., Regulatory dynamics in the ternary DnaA complex for initiation of chromosomal replication in Escherichia coli, Nucleic Acids Res. 45, 12354-12373 (2017)Miyoshi, K., et al., Negative feedback for DARS2-Fis complex by ATP-DnaA supports the cell cycle-coordinated regulation for chromosome replication. Nucleic Acids Res. 49: 12820-12835 (2021)Ozaki, S. et al., The Caulobacter crescentus DciA promotes chromosome replication through topological loading of the DnaB replicative helicase at replication forks. Nucleic Acids Res. 50:12896-12912 (2022)図２ DnaA機能制御システム Fig.2 Systems for DnaA Regulation片山 勉（Tsutomu Katayama）片山 勉（Tsutomu Katayama）TEL ：092-642-6641FAX ：092-642-6646E-mail：katayama@phar.kyushu-u.ac.jpURL ：http://bunsei.phar.kyushu-u.ac.jp/教 授 片山 勉Prof. Katayama准教授 尾崎 省吾Associate Prof. Ozaki助 教 加生 和寿Assistant Prof. Kasho18分子生物薬学分野
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