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ゲノム微生物学研究室(2022年度より改称)
Laboratory of Genome Microbiology

担当教員: 島田 友裕 准教授/博士(工学)

<研究略歴>

2008年法政大学大学院工学研究科物質化学専攻博士課程修了。
法政大学マイクロ・ナノテクノロジー研究所 博士研究員、
東京工業大学 資源化学研究所 助教を経て、2017年より現職

<主な担当科目>

生化学、応用生化学、生化学・物理化学実験

<研究室所在>

第一校舎3号館3階308号室

研究テーマ

「遺伝子発現の仕組みの解明から、生物の仕組みの理解・応用を目指しています」

生物は環境変化や生育に応じて遺伝子を使い分けており、生物の持つ能力を理解し応用するためには、その分子機構を解明する必要があります。近年の科学技術の進歩により、生物が持つ遺伝子セット(ゲノム)の決定は容易となりました。これにより、「生物が何の遺伝子を利用したか」という従来のアプローチに加え、「生物がどのように遺伝子を利用するか」というアプローチが可能となりました。現代では、ゲノム情報を利用して生物を構築している因子の全体像を把握することができます。そして、それらを個々に取り出して生化学的かつゲノムワイドに解析することで、生物の本質的な理解・応用が可能となります。当研究室では、生物が持つ遺伝子を利用する仕組みの理解、すなわちゲノム転写制御機構の全体像の解明から生物を理解することを目指しています。

私たちは、生物の仕組みを理解するために、1つの生物としては個々の遺伝子機能の知見が最も蓄積している大腸菌をモデル生物として研究を行っています。発現させる遺伝子の選択や強度は、転写制御因子により調節されています。大腸菌の持つ約4,500個の遺伝子は、そのうちの転写制御因子約300種類によって制御されています。それぞれの転写制御因子が環境変化に応じて活性や量を変化させることで、それぞれの役割に応じた遺伝子群を制御し、生物の環境応答を可能としています。

大腸菌の持つ転写制御因子は約300種類ありますが、ゲノムを対象とした解析がなされたのはごく一部です。これら全ての転写制御因子の機能をゲノムワイドに解析するために、私たちは下に示すGenomic SELEX法 (gSELEX法)という解析手法を開発しました。

 

試験管の中で転写制御因子と断片化されたゲノムDNAを混合し、形成した転写制御因子-DNAの複合体を精製し、そのDNAの塩基配列を分析することで、転写制御因子の直接的なゲノム上の結合領域を同定することができます。また、他因子が存在しない条件下であるため、制御因子と支配下遺伝子群の因果関係が明確に理解できることが強みです。そして、制御下遺伝子群の機能から、その転写制御因子のゲノム転写制御ネットワークにおける役割を明らかとすることができます。この手法を用いて、転写制御因子(転写因子やシグマ因子)の標的遺伝子群を同定し、その新規な機能を明らかとしています。以下は解析例です。

この例のように、ほとんどの転写因子は複数の遺伝子を制御する転写制御ネットワークを形成していることが分かってきました。転写因子の直接的な支配下遺伝子群をゲノム全体から同定することができるため、生物のしくみを分子機構に基づいた理解が可能となります。その結果、環境中の刺激や化合物に応答するために、生物が用いている機能(遺伝子群)を同定することが可能です。

本手法を主軸に、ゲノム転写制御機構におけるすべての転写制御因子の機能を解明し、終局的には1つの生物丸ごとの遺伝子発現機構の理解を目指しています。これらの知見を細胞システムの分子機構の理解に役立てる事で、原理に基づいた本質的な応用が可能になると考えています。

 

・研究室メンバー:大学院2年1名:大学院1年5名:学部4年6名;学部3年10名;博士研究員1名

 

キーワード:Genomic SELEX (gSELEX)、転写制御、転写因子、ゲノム、大腸菌、RNAポリメラーゼ、シグマ因子、転写制御ネットワーク、遺伝子発現

MEIJI NOWでの研究室の紹介ページ

研究業績

  • Ishihama, A. and Shimada, T.
    Hierarchy of transcription factor network in Escherichia coli K-12: H-NS mediated genome silencing and anti-silencing by global regulators.
    FEMS Microbiology Reviews. (2021)
  • Anzai, T., Imamura, S., Ishihama, A. and Shimada, T.
    Expanded roles of pyruvate- sensing PdhR in transcription regulation of the Escherichia coli K-12 genome: fatty acid catabolism and cell motility.
    Microbial Genomics. 6, mgen000442 (2020)
  • Shimada, T., Yokoyama, Y., Anzai, T., Yamamoto, K and Ishihama, A.
    Regulatory role of PlaR (YiaJ) for plant utilization in Escherichia coli K-12.
    Scientific Reports. 9, 20415 (2019)
  • Shimada, T., Ogasawara, H. and Ishihama, A.
    Genomic SELEX screening of regulatory targets of Escherichia coli transcription factors. 
    Methods Mol Biol.
     1837, 49-69 (2018)
  • Shimada, T., Ogasawara, H. and Ishihama, A.
    Single-target regulators form a minor group of transcription factors in Escherichia coli K-12.
    Nucleic Acids Res. 46, 3921-3936. (2018)