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水田研究室Mizuta Lab.

水田 龍信 教授Ryushin Mizuta
1979年東京大学工学部工業化学科卒(鶴田禎二研究室)。1986年富山医科薬科大学(現富山大学)医学部卒。1990年京都大学大学院医学研究科博士課程修了(本庶佑教授)。1990年京都大学病院医員、1992年京都大学遺伝子実験施設助手。1992年ハーバード大学医学部博士研究員(F.Alt教授)。1997年本学生命科学研究所講師、2008年准教授。
研究室ホームページ
「DNAの構造と変化」をキーワードに、1)免疫系の組換えと、2)細胞死のメカニズムの研究を行っている。いずれもDNAの動的構造変化が主たる研究対象である。最近、DNAは遺伝情報だけではなく、物質情報を維持し、形の情報も記憶することができることに気づいた。DNAに蓄えられた形の記憶は細胞の記憶へとつながり、ひいては個体の記憶として定着するという仮説を抱いている。学生の頃、卒研で「エチレンオキサイドと二酸化炭素の重合による新規高分子の合成」という課題が与えられた。その時のヒモとしての高分子のイメージが、現在のDNAの研究へとつながっているのかもしれない。生物は組換えと記憶によって環境に適応し、その情報を次世代に受け渡す。役目を終えて死んでいく際にも、死そのものを情報に変えて発信し、周りの生物の再生へとつなげていく。このストーリーの真偽を見極めることが今後の目標である。

細胞死とDNA断片化

細胞死は形態学的にアポトーシスとネクローシスの二つに大別される。アポトーシスに関しては、近年精力的に研究されてきたが、ネクローシスも含め、細胞死の生理的意義やメカニズムに関しては不明な点が多い。我々はアポトーシスの生化学的指標として有名なヌクレオソーム単位のDNA断片化は、ネクローシスの際にも見られることがあり、この断片化が単なる死細胞の処理機構に止まらず、その後の組織再生への原動力となる可能性を見出した。実際に、マウスの肝臓の一部に一過性のネクローシスを誘導すると、肝細胞の再生は、生存する細胞全体で起こるのではなく、ネクローシスを起こして死んだ細胞の周囲でのみ起きることを観察している。この場合、死細胞のDNA断片化に起因する何らかのシグナルが周囲の生細胞へと伝達され、生細胞の活性化に至るものと予想されるが、このシグナルの実態やメカニズムに関しては、殆ど明らかになっていない。このメカニズムを明らかにすることは、再生や炎症などの生体防御機構の基本的メカニズムの解明につながるものと考えられる。 生と死と再生の関係は、弁証法や複雑系の「カオスの縁」の概念に通じるものがあり、哲学的にも興味深い。細胞死の研究を通じて、生体の仕組みの巧妙さを味わうとともに、生物の知恵の応用、特に現実社会の問題解決に役立てていくことの可能性を模索してみたいと思う。

DNA組換え

細胞死のDNA断片化が修復されないDNA切断であるならば、組換えは修復されるDNA切断と言える。免疫グロブリン(抗体とも呼ばれる)は生体防御機構の最前線を担っている。全ての異物に対応できるだけの多様な抗体の産生が知られているが、その多様性のメカニズムの原因は免疫グロブリン遺伝子DNAの2種類の組換えにある。そのうちの一つであるクラススイッチ組換えはRNA依存的DNA組換えという極めて特殊なゲノムの組換え様式をとる。組換えはS領域という繰り返し塩基配列を特徴とするイントロン内で起こる。クラススイッチに先立ち、S領域の転写と、転写RNAの基質S領域DNAへの結合が必須である。我々はこのS領域RNAの特性に注目し、このRNAが凝集しやすいこと、いったんこのRNAがS領域DNA上で凝集すると、捻れたDNAを弛緩させることを原子間力顕微鏡による1分子イメージングの手法により明らかにしてきた。しかしながら、RNAの凝集が、いかにしてDNAの組換えにつながるのかは大きな謎である。この点を明らかにすることが現在の目標である。 クラススイッチ組換えは、分子生物学の研究に従事するきっかけとなったテーマであり、自らの手で何らかの決着を図りたいと考えている。

DNA記憶

免疫グロブリン遺伝子の組換えはDNAの一次構造の改変であり、その改変の履歴はリンパ球の染色体上に記憶として残る。DNAの一次構造を改変しなくても、二次元、三次元の構造が変化し、それが固定化され、以降の遺伝子発現に差が出てくる場合は、構造の情報がDNAに記憶されたことになる。固定化されたDNAの記憶は、それを有する細胞の記憶につながり、そのような細胞が集合し、組織化されることにより、個体の記憶として定着していくのではないかと考えられる。以前、免疫系の多様性がDNAの組換えによって担われていることが明らかになり、神経系でも同様の組換えが起こっていて、それが記憶などの高次神経機能を担っているのではないかという説が唱えられたことがあった。しかし、神経系で特異的に組換えを起こしている遺伝子は知られていない。DNA組換えという一次構造の変化ではなく、二次、三次構造の微妙な変化を想定すれば、その多様性は十分に説明がつく。一個のヒト体細胞中の染色体をつなぎ合わせると約2メートルになるという。柔らかな2メートルのヒモで作られる形には膨大な種類があり、神経系の多様性にも十分に対応可能と考えられる。注目すべきは、この形の変化はDNAの遺伝情報と言うよりも、物質としての性質に依存するという点である。これまでの生物学では、DNAの遺伝情報のみに注目が集まり、物質情報は無視されてきたきらいがある。「物」としての原点回帰により見えてくるものも多いのではないかと思われる。 記憶のメカニズムは生物学に残された最後のフロンティアと言えるかもしれない。試験管内でDNA記憶の実例を証明し、細胞記憶の検証へと進む予定である。

実績

論文

  • Furukawa, Y., Hayashi, T., Mizuta, M., Ebara, S., Kiku, Y., Ozawa, T., Matsubara, T., Ito, I., Kitamura, D., Mizuta, R. Increased concentration of high-mobility-group box 1 (HMGB1) protein in milk is related to the severity of bovine mastitis. Vet Res Commun. 35, 47-54. (2011)
  • Mizuta, R. Transcribed Guanine-rich RNA Aggregates on Template DNA and Changes Its Conformation. Chemistry Letters 39, 1088-1089, 2010.
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Araki, S., Suzuki, K., Ebara, S., Furukawa, Y., Shiokawa, D., Tanuma, S., Kitamura, D. DNase γ-dependent and -independent apoptotic DNA fragmentations in Ramos Burkitt’s lymphoma cell line. BIOMEDICAL RESEARCH 30, 165-170, (2009)
  • Okamoto, N., Okamoto, M., Araki, S., Arakawa, H., Mizuta, R., Kitamura, D. Possible contribution of DNase γ to immunoglobulin V gene diversification. Immunology Letters 125, 22-30, (2009)
  • Shiokawa, D., Shika, Y., Araki, S., Sunaga, S., Mizuta, R., Kitamura, D., Tanuma, S.: Stage-specific expression of DNase γ during B-cell development and its role in B-cell receptor-mediated apoptosis in WEHI-231 cells. Cell Death Differ. 14, 992-1000 (2007)
  • Mizuta, R., Mizuta M., Araki, S., Shiokawa, D., Tanuma, S., Kitamura, D.: Action of apoptotic endonuclease DNase γ on naked DNA and chromatin substrates. Biochem. Biophys. Res. Commun. 345:560-567, (2006)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Kitamura, D.: Guanine is Indispensable for Immunoglobulin Switch Region RNA-DNA Hybrid Formation. J Electron Microsc. 54 , 403-408. (2005)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Kitamura, D.: Atomic Force Microscopy analysis of rolling circle amplification of plasmid DNA. Arch. Histol. Cytol. 66, 175-181 (2003)
  • Mizuta, R., Iwai, K., shigeno, M., Mizuta, M,. Uemura, T., Ushiki, T.,Kitamura, D.:  Molecular Visualization of Immunoglobulin Switch Region RNA/DNA Complex by Atomic Force Microscope. J. Biol. Chem. 278, 4431-4434 (2003)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Araki, S., Kitamura, D.: RAG2 is Down Regulated by Cytoplasmic Sequestration and Ubiquitin-Dependent Degradation. J. Biol. Chem. 277, 41423-41427 (2002)
  • Leber, R., Wise, T. W., Mizuta, R., and Meek, K.: The XRCC4 gene product is a target for and interacts with the DNA-dependent protein kinase. J. Biol. Chem. 273, 1794-1801 (1998)
Ryushin Mizuta Professor
Labo’s Website

Selected publications:

  • Furukawa, Y., Hayashi, T., Mizuta, M., Ebara, S., Kiku, Y., Ozawa, T., Matsubara, T., Ito, I., Kitamura, D., Mizuta, R. Increased concentration of high-mobility-group box 1 (HMGB1) protein in milk is related to the severity of bovine mastitis. Vet Res Commun. 35, 47-54. (2011)
  • Mizuta, R. Transcribed Guanine-rich RNA Aggregates on Template DNA and Changes Its Conformation. Chemistry Letters 39, 1088-1089, 2010.
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Araki, S., Suzuki, K., Ebara, S., Furukawa, Y., Shiokawa, D., Tanuma, S., Kitamura, D. DNase γ-dependent and -independent apoptotic DNA fragmentations in Ramos Burkitt’s lymphoma cell line. BIOMEDICAL RESEARCH 30, 165-170, (2009)
  • Okamoto, N., Okamoto, M., Araki, S., Arakawa, H., Mizuta, R., Kitamura, D. Possible contribution of DNase γ to immunoglobulin V gene diversification. Immunology Letters 125, 22-30, (2009)
  • Shiokawa, D., Shika, Y., Araki, S., Sunaga, S., Mizuta, R., Kitamura, D., Tanuma, S.: Stage-specific expression of DNase γ during B-cell development and its role in B-cell receptor-mediated apoptosis in WEHI-231 cells. Cell Death Differ. 14, 992-1000 (2007)
  • Mizuta, R., Mizuta M., Araki, S., Shiokawa, D., Tanuma, S., Kitamura, D.: Action of apoptotic endonuclease DNase γ on naked DNA and chromatin substrates. Biochem. Biophys. Res. Commun. 345:560-567, (2006)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Kitamura, D.: Guanine is Indispensable for Immunoglobulin Switch Region RNA-DNA Hybrid Formation. J Electron Microsc. 54 , 403-408. (2005)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Kitamura, D.: Atomic Force Microscopy analysis of rolling circle amplification of plasmid DNA. Arch. Histol. Cytol. 66, 175-181 (2003)
  • Mizuta, R., Iwai, K., shigeno, M., Mizuta, M,. Uemura, T., Ushiki, T.,Kitamura, D.:  Molecular Visualization of Immunoglobulin Switch Region RNA/DNA Complex by Atomic Force Microscope. J. Biol. Chem. 278, 4431-4434 (2003)
  • Mizuta, R., Mizuta, M., Araki, S., Kitamura, D.: RAG2 is Down Regulated by Cytoplasmic Sequestration and Ubiquitin-Dependent Degradation. J. Biol. Chem. 277, 41423-41427 (2002)
  • Leber, R., Wise, T. W., Mizuta, R., and Meek, K.: The XRCC4 gene product is a target for and interacts with the DNA-dependent protein kinase. J. Biol. Chem. 273, 1794-1801 (1998)