研究内容
生物は組織や個体を形成，および維持するため最少ユニットである細胞の分裂を繰り返します．その度に，ゲノム情報を担うDNAは限られた時間内に正確に複製される必要があります．しかし，DNAは巨大な分子であり，様々な構造をとり，その複製は平坦な道のりではありません．加えて，DNA複製は無限に同じクォリティで繰り返されるものではなく，細胞の老化と共にその機能不全のリスクが高まり，DNA複製機構の破綻による細胞死やゲノム情報の不安定化（突然変異や染色体異常）のリスクが高まります．このようなDNA複製を伴う遺伝情報の変化は生物集団に多様性を生む仕組みであり，生物進化の原動力ですが，ヒトを含む多細胞生物においては，組織および器官の機能不全の原因となり，がん細胞のような体内の恒常性から逸脱した細胞集団を生み出す原因にもなってしまいます．
細胞内には，DNA合成の効率・正確性が異なる多種多様なDNA合成を行う酵素（DNAポリメラーゼ）が存在し，それらのゲノム複製における役割の解明は遺伝情報の安定性を論ずる上で解明されるべき課題です．私たちは，様々な特徴をもつDNAポリメラーゼが協調し機能するメカニズムを検証し，DNA複製が潜在的に有するフレキシブルな仕組みを解明すべく，日々研究しています．そのために，DNA複製に必要な個々の生体分子の解析はもとより，情報科学的な方法を駆使し，全ゲノム領域を対象として包括的なDNA複製プロファイルを得る実験技術を適用し研究を進めています．また，がん進化のプロセスにおいて，DNA複製の機能がどのように変化しているかを明らかにし，新たな治療・予防の基盤の形成を目指します．
細胞内には，DNA合成の効率・正確性が異なる多種多様なDNA合成を行う酵素（DNAポリメラーゼ）が存在し，それらのゲノム複製における役割の解明は遺伝情報の安定性を論ずる上で解明されるべき課題です．私たちは，様々な特徴をもつDNAポリメラーゼが協調し機能するメカニズムを検証し，DNA複製が潜在的に有するフレキシブルな仕組みを解明すべく，日々研究しています．そのために，DNA複製に必要な個々の生体分子の解析はもとより，情報科学的な方法を駆使し，全ゲノム領域を対象として包括的なDNA複製プロファイルを得る実験技術を適用し研究を進めています．また，がん進化のプロセスにおいて，DNA複製の機能がどのように変化しているかを明らかにし，新たな治療・予防の基盤の形成を目指します．
現在進行中のプロジェクト
- ゲノム複製におけるDNAポリメラーゼ間の協調的な機能 我々個々のDNAポリメラーゼの合成領域を全ゲノムにわたり，解析する技術Polymerase Usage Sequencing (Pu-seq)を開発し，DNA複製におけるDNAポリメラーゼの役割の解明を進めています．この技術により，DNA複製フォークにおいてリーディング鎖・ラギング鎖合成におけるDNAポリメラーゼ間で機能分担を明らかにしてきました．現在は，その技術をゲノム複製への寄与の大きい３種のDNAポリメラーゼ（Polδ，Polε，Polα）に加えて，多くの誤りがちなDNAポリメラーゼに解析対象を広げることにより，DNAポリメラーゼの機能が変異生成に及ぼす役割を明らかにすることを目指しています．その点では，公共データベース(The Cancer Genome Atlas Program:TCGAなど)の，がんゲノム変異データと連動した解析を実施しており，腫瘍におきる変異生成メカニズムの解明，さらには，個々のがん種の急所となる複製機構の同定を目指しています．
- がん細胞でのDNA複製機能の変化とその影響 がんの進展の過程において，細胞増殖のドライバーとなるRasやc-mycの活性化（oncogenic activation）により，細胞周期進行の加速・増殖に関わる遺伝子の高発現を誘導し，多くの複製因子が染色体DNA上に配置される前に，未成熟な状態でゲノム複製が開始されることがあります．その結果，複製開始領域の減少などにより，複製装置が到達困難な領域が生じます．現在まで，このようなゲノム複製機構の劇的な変化と変異率の上昇の関連性が漠然と議論されてきましたが，その全容はほとんど明らかになっていません．我々は，がん遺伝子発現によりDNAポリメラーゼ機能や複製開始・進行・停止のメカニズムを明らかにし，複製機構の柔軟さ・不安定さの実態を明らかにします．
- 転写装置がDNA複製を干渉するメカニズム 真核生物では，染色体上に複数の複製開始点が存在するため，複製フォークと転写装置との衝突や干渉を完全に回避することはできません．さらに，哺乳類細胞には長いイントロンを含む100 kb以上の巨大遺伝子が多数存在するため，複製と転写のコンフリクトが生じる可能性は一層高くなります．このような状況において，細胞周期の異なるタイミングで転写と複製が起こることや，両者が空間的に異なる領域で進行することが，複製・転写コンフリクトを回避する手段であると提唱されてきました．しかし，その実態は明らかになっていません．私たちは，図1に示すように，ゲノム複製に関与するDNAポリメラーゼの合成プロファイルを解析することで，複製フォークの開始・停止領域および各ゲノム領域におけるフォークの方向性を高精度かつ定量的に評価できます．これにより，遺伝子転写やノンコーディング領域での転写が，複製フォークの進行やその構造にどのような影響を与えるのかを明らかにします．さらに，転写‐複製コンフリクト（Transcription–Replication Conflict: TRC）の生成および解消に関与する因子の解析を進め，染色体不安定性を誘発するリスクの高いTRCの特徴を明らかにします．
- 複製ストレスが腫瘍微小環境に与える影響 DNA複製機構は様々な要因によってストレスをうけ，局所的な複製効率低下や複製フォークの停止（stall）・崩壊（collapse）を引き起こすことがあります．そのような現象は，ゲノム複製の効率のみならず，中間体としてプロセスさせれたDNAは核外に漏出し，STimulator of IＮterferon Gene（STING）とcyclic GMP-AMP Synthase （cGAS）による細胞質DNA認識・シグナル誘導を誘導します．その結果，細胞内での炎症反応を誘導する結果となり，細胞の増殖性ならず，周辺の細胞にも影響をします．よって，複製ストレスを起因した炎症反応は，腫瘍やその周辺組織からなら微小環境にも影響し，腫瘍の進展の正・負のどちらの影響になりうる状況です．私たちは，複製ストレスが炎症反応を引き起こすメカニズムの解明を発端に，細胞質へ漏出したＤＮＡを制御することにより，腫瘍の増大を制御する技術開発を模索します．
図１：DNAポリラーゼの機能のゲノム科学的解析
図２：がんの進展と複製機能の変化
図３：複製ストレスを起因とする炎症反応