Development of chemical catalyst enabling epigenome manipulation

开发能够实现表观基因组操纵的化学催化剂

• 批准号: 21H02074
• 负责人: 川島 茂裕
• 金额: $ 10.9万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02074/
• 关键词: 触媒; エピゲノム; ヒストン; アシル化; クロマチン; アセチル化

ヒストンは様々な翻訳後修飾を受けることでエピゲノムを構成し、クロマチン構造及び遺伝子発現の動的な制御に関与している。ヒストン修飾の異常は、がんなど様々な疾患に関わるため、ヒストン修飾を人工的・化学的に導入することができれば、エピジェネティクスが関わる様々な疾患の原因解明および治療につながることが期待されている。しかし、細胞内においてヒストン修飾を化学的に導入しエピゲノムに介入した例は皆無である。本研究では、細胞内においてヒストン修飾酵素のように働く「化学触媒」の開発を目的とする。代表者らがこれまでに報告した化学触媒の一つであるLANA-DSHは、試験管の中ではヒストンH2Bの120番目のリジン残基（H2BK120）を選択的に高収率でアシル化することが可能であったが、生細胞内において機能しないという大きな問題を抱えていた。本年度は、この問題点を解決するため、ヒストンリガンド部位および触媒部位の改変を試みた。その結果、ヒストンリガンド部位としては、適切な長さのポリエチレングリコール　（PEG）を繋ぐことで、ヒストン結合能を保ったまま細胞内の安定性を高めることに成功した。細胞内で安定な触媒PEG-LANA-DSSMeを合成し、生細胞に導入することで内在性のヒストンをアセチル化できることを見出した。また、H2BK120のアセチル化により、転写伸長等に重要な役割を果たしていることが知られているH2Bユビキチン化が阻害されることを見出した。また、触媒部位としては、ヒドロキサム酸にジオールを，アセチルドナーにボロン酸を持たせることで，化学触媒とアセチルドナーで可逆的なボロン酸エステルを形成させる系を開発した。これにより、必要なドナー濃度を1/100 程度にまで減少させることに成功した。この新しい高活性な化学触媒をBAHAと名付けた。

组蛋白通过各种翻译后修饰构成表观基因组，并参与染色质结构和基因表达的动态控制。组蛋白修饰的异常与癌症等多种疾病有关，因此如果能够人工或化学地引入组蛋白修饰，则有望导致与表观遗传学相关的各种疾病的阐明和治疗。然而，还没有通过化学方式将组蛋白修饰引入细胞来干扰表观基因组的例子。这项研究的目的是开发一种“化学催化剂”，其作用类似于细胞内的组蛋白修饰酶。 LANA-DSH是迄今为止代表们报道的化学催化剂之一，它可以在试管中高产率地选择性酰化组蛋白H2B（H2BK120）的第120位赖氨酸残基，但存在无法在活体中发挥作用的主要问题。细胞。今年，为了解决这个问题，我们尝试对组蛋白配体位点和催化位点进行修饰。结果，通过连接适当长度的聚乙二醇（PEG）作为组蛋白配体位点，他们成功地提高了细胞内稳定性，同时保持了组蛋白结合能力。我们发现内源组蛋白可以通过在活细胞中合成稳定的催化剂 PEG-LANA-DSSMe 来乙酰化。我们还发现 H2BK120 的乙酰化会抑制 H2B 泛素化，而 H2B 泛素化在转录延伸中发挥着重要作用。此外，通过使用二醇作为催化位点和硼酸作为乙酰基供体，我们开发了一种化学催化剂和乙酰基供体形成可逆硼酸酯的系统。结果，我们成功地将所需的供体浓度降低至约 1/100。这种新型高活性化学催化剂被命名为BAHA。

项目成果

Live-cell epigenome manipulation by synthetic histone acetylation catalyst system

通过合成组蛋白乙酰化催化剂系统操纵活细胞表观基因组

• DOI: 10.1073/pnas.2019554118
• 发表时间: 2021
• 作者: Fujiwara Yusuke;Yamanashi Yuki;Fujimura Akiko;Sato Yuko;Kujirai Tomoya;Kurumizaka Hitoshi;Kimura Hiroshi;Yamatsugu Kenzo;Kawashima Shigehiro A.;Kanai Motomu
• 通讯作者: Kanai Motomu

Live-Cell Protein Modification by Boronate-Assisted Hydroxamic Acid Catalysis

通过硼酸盐辅助异羟肟酸催化修饰活细胞蛋白质

• DOI: 10.1021/jacs.1c07060
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 15
• 作者: Adamson Christopher;Kajino Hidetoshi;Kawashima Shigehiro A.;Yamatsugu Kenzo;Kanai Motomu
• 通讯作者: Kanai Motomu

A Single-Step Asymmetric Phosphodiester Synthesis from Alcohols with Phosphoenolpyruvate Phosphodiester

醇与磷酸烯醇丙酮酸磷酸二酯一步合成不对称磷酸二酯

• DOI: 10.1055/a-1509-9275
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 2
• 作者: Yamatsugu Kenzo;Kanai Motomu;Fujiyoshi Kohei;Kawashima Shigehiro A.
• 通讯作者: Kawashima Shigehiro A.