金井 昭夫 (カナイ アキオ)

Kanai, Akio

写真a

所属(所属キャンパス)

政策・メディア研究科 (湘南藤沢)

職名

教授

HP

外部リンク

プロフィール 【 表示 / 非表示

  • 略歴:1985年 早稲田大学教育学部 理学科生物学専修 卒業。87年 同大学院 理工学研究科 修士課程 物理学及び応用物理学専攻 修了。90年 東京大学大学院 薬学系研究科 博士課程 生命薬学専攻 修了。90年 米国国立衛生研究所 (米国NIH)博士訪問研究員、92年 東京都臨床医学総合研究所 研究員、96年 科学技術振興事業団 ERATOプロジェクト グループリーダー、技術参事を経て、2001年より慶應義塾大学 先端生命科学研究所 助教授。2006年 慶應義塾大学 先端生命科学研究所 教授 (同 環境情報学部 教授)。2022年より慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科 教授 (同 先端生命科学研究所 教授、同 環境情報学部 教授を兼任)。

教員からのメッセージ 【 表示 / 非表示

  • 研究紹介:
     我々は、生命情報科学と実験生物学を融合する形で、主にRNAの分子生物学、分子進化学に関連する研究を遂行してきました。代表的な研究としては機能性RNAの系統的な発見になります。例えば、実験的に集められたマウス完全長cDNAクローンの解析から、世界で初めて、哺乳類に長鎖ノンコーディングRNAが多量に存在することを示しました (Genome Res. 2003、理化学研究所との共同研究)。その後、大腸菌の低分子RNA (BMC Genomics 2011)や、生きた化石生物と呼ばれるカブトエビからマイクロRNA (RNA 2015)の新しい分子種をゲノムレベルで見出し報告しています。また、人工合成した低分子RNAを用いれば大腸菌の増殖を抑制可能であることを報告しています (RNA Biol. 2017)。さらに、ゲノム上を動く遺伝子として知られるグループIIイントロンの原核生物での進化を体系化しました (Front. Microbiol. 2022)。これらの新しい機能性RNAの研究と一部並行しながら、2006年から約10年をかけて、様々な形状で分断された転移RNA (tRNA)遺伝子やtRNA様の遺伝子の発見に貢献しました (Mol. Biol. Evol. 2008; PNAS. 2009; Nucleic Acids Res. 2012; Mol. Biol. Evol. 2016)。現在、世界で知られている様々な形状のtRNA遺伝子の約半分は我々が提唱したことになります。また、RNA分子の制御に関わる酵素群の性状やその分子進化についても報告してきました (RNA 2009; Nucleic Acids Res. 2011; Genome Biol. Evol. 2019; J. Mol. Evol. 2023)。最近では、CPRバクテリアと呼ばれる極小のバクテリアのリボソームが小型であることを報告し (RNA 2022)、同バクテリアのrRNAイントロンを解析しました (J. Bact. 2024)。ここ10年は特に「環境」と「情報」というタームを意識して、研究の方向性を決めています (Appl. Environ. Microbiol. 2024)。

    学部や大学院学生の教育について:
     RNA研究プロジェクトが目指すのは考えられる人材の創出です。これを学生時代にきちんと学ぶ必要があります。大切なのは、何を研究するのか、困った時にどうするか、どう展開していくのかということをきちんと考えられるようになることです。RNA研究グループ内では、学生の各々のテーマを通して、他のグループの大学院生ならば、私の大学院の授業である「先端分子細胞生物学」の演習を通して、このことに言及したいと思っています。すなわち、学生時代のテーマに縛られずに研究を展開していけるようにすることが重要であると判断しています。

総合紹介 【 表示 / 非表示

  • 遺伝情報の流れとしてDNA→RNA→蛋白質(セントラルドグマ)が提唱されたのは60年も前のことです。この考え方は基本軸として揺るがないでしょうが、1970-80年代における、逆転写酵素や酵素活性を有したRNA (リボザイム)の発見等で、その修正を要求されてきました。また、21世紀になってから極めて沢山のノンコーディングRNAが発見されたことで、セントラルドグマにおけるRNA分子そのものの働きが無視できない状況になってきました。本プロジェクトでは、遺伝子制御に関わる機能性RNAやRNA結合蛋白質およびRNA関連酵素に焦点をあて、RNAレベルで制御される新しいメカニズムの解明を目的とします。またこの研究を通して、遺伝情報制御および成立過程に関わる分子進化的な考察を行います。さらに、これらの知見を基盤として、生命の起源、進化、遺伝子制御について考察していきます。

経歴 【 表示 / 非表示

  • 2022年04月
    -
    継続中

    慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科 教授, システム生物学専攻

  • 2006年04月
    -
    継続中

    慶應義塾大学 教授(環境情報学部・先端生命科学研究所)

  • 2001年04月
    -
    2006年03月

    慶應義塾大学 助教授 (有期)(環境情報学部・先端生命科学研究所)

  • 1996年04月
    -
    2001年03月

    科学技術振興事業団ERATOプロジェクト グループリーダー及び技術参事

  • 1992年11月
    -
    1996年03月

    (財)東京都臨床医学総合研究所, 研究員

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学歴 【 表示 / 非表示

  • 1987年04月
    -
    1990年03月

    東京大学, 薬学系研究科, 生命薬学専攻

    大学院, 修了, 博士

  • 1985年04月
    -
    1987年03月

    早稲田大学, 理工学研究科, 物理学及び応用物理学専攻

    大学院, 修了, 修士

  • 1981年04月
    -
    1985年03月

    早稲田大学, 教育学部, 生物学

    大学, 卒業

学位 【 表示 / 非表示

  • 薬学博士 , 東京大学, 課程, 1990年03月

    センチニクバエ抗菌蛋白ザルコトキシンIおよびII遺伝子ファミリーの構造と発現の解析

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • ライフサイエンス / 分子生物学 (RNAの分子生物学)

  • ライフサイエンス / ゲノム生物学 (遺伝子の進化)

  • ライフサイエンス / 進化生物学 (分子進化学)

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • アーキア (古細菌)、バクテリア、RNAウイルス

  • システム生物学、合成生物学、ゲノム生物学

  • ノンコーディングRNA、転移RNA、リボソームRNA、RNA関連酵素

  • RNAプロセシング、前駆体tRNAスプライシング、RNA連結酵素、RNA分解酵素

  • 遺伝暗号、分子進化

研究テーマ 【 表示 / 非表示

  • (1) RNA-Binding Proteins & RNA-Related Enzymes, (2) Non-coding RNAs, (3) Origin of Life, (4) Molecular Evolution, (5) Microbiomes of Extreme Environments, (6) Systems Biology of Gene Regulation, (7) Evolution of RNA viruses, 

    2001年
    -
    継続中

 

著書 【 表示 / 非表示

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論文 【 表示 / 非表示

  • Comprehensive analysis of insertion sequences within rRNA genes of CPR bacteria and biochemical characterization of a homing endonuclease encoded by these sequences

    Megumi Tsurumaki, Asako Sato, Motofumi Saito, and Akio Kanai

    Journal of Bacteriology (American Society for Microbiology)  in press 2024年06月

    研究論文(学術雑誌), 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り

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    ABSTRACT
    The Candidate Phyla Radiation (CPR) represents an extensive bacterial clade comprising primarily uncultured lineages and is distinguished from other bacteria by a significant prevalence of insertion sequences (ISs) within their rRNA genes. However, our understanding of the taxonomic distribution and characteristics of these ISs remains limited. In this study, we used a comprehensive approach to systematically determine the nature of the rRNA ISs in CPR bacteria. The analysis of hundreds of rRNA gene sequences across 65 CPR phyla revealed that ISs are present in 48% of 16S rRNA genes and 82% of 23S rRNA genes, indicating a broad distribution across the CPR clade, with exceptions in the 16S and 23S rRNA genes of Candidatus (Ca.) Saccharibacteria and the 16S rRNA genes of Ca. Peregrinibacteria. Over half the ISs display a group-I-intron-like structure, whereas specific 16S rRNA gene ISs display features reminiscent of group II introns. The ISs frequently encode proteins with homing endonuclease (HE) domains, centered around the LAGLIDADG motif. The LAGLIDADG HE (LHE) proteins encoded by the rRNA ISs of CPR bacteria predominantly have a single-domain structure, deviating from the usual single- or double-domain configuration observed in typical prokaryotic LHEs. Experimental analysis of one LHE protein, I-ShaI from Ca. Shapirobacteria, confirmed that its endonuclease activity targets the DNA sequence of its insertion site, and chemical cross-linking experiments demonstrated its capacity to form homodimers. These results provide robust evidence supporting the hypothesis that the explosive proliferation of rRNA ISs in CPR bacteria was facilitated by mechanisms involving LHEs.

    IMPORTANCE
    Insertion sequences (ISs) in rRNA genes are relatively limited and infrequent in most bacterial phyla. With a comprehensive bioinformatic analysis, we show that in CPR bacteria, these ISs occur in 48% of 16S rRNA genes and 82% of 23S rRNA genes. We also report the systematic and biochemical characterization of the LAGLIDADG homing endonucleases (LHEs) encoded by these ISs in the first such analysis of the CPR bacteria. This study significantly extends our understanding of the phylogenetic positions of rRNA ISs within CPR bacteria and the biochemical features of their LHEs.

  • Microbiome analysis of the restricted bacteria in radioactive element-containing water at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

    Warashina T., Sato A., Hinai H., Shaikhutdinov N., Shagimardanova E., Mori H., Tamaki S., Saito M., Sanada Y., Sasaki Y., Shimada K., Dotsuta Y., Kitagaki T., Maruyama S., Gusev O., Narumi I., Kurokawa K., Morita T., Ebisuzaki T., Nishimura A., Koma Y., Kanai A.

    Applied and Environmental Microbiology (American Society for Microbiology)  90 ( 4 ) e0211323 2024年04月

    研究論文(学術雑誌), 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  00992240

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    A major incident occurred at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station following the tsunami triggered by the Tohoku–Pacific Ocean Earthquake in March 2011, whereby seawater entered the torus room in the basement of the reactor building. Here, we identify and analyze the bacterial communities in the torus room water and several environmental samples. Samples of the torus room water (1 × 109 Bq137Cs/L) were collected by the Tokyo Electric Power Company Holdings from two sampling points between 30 cm and 1 m from the bottom of the room (TW1) and the bottom layer (TW2). A structural analysis of the bacterial communities based on 16S rRNA amplicon sequencing revealed that the predominant bacterial genera in TW1 and TW2 were similar. TW1 primarily contained the genus Limnobacter, a thiosulfate-oxidizing bacterium. γ-Irradiation tests on Limnobacter thiooxidans, the most closely related phylogenetically found in TW1, indicated that its radiation resistance was similar to ordinary bacteria. TW2 predominantly contained the genus Brevirhabdus, a manganese-oxidizing bacterium. Although bacterial diversity in the torus room water was lower than seawater near Fukushima, ~70% of identified genera were associated with metal corrosion. Latent environment allocation—an analytical technique that estimates habitat distributions and co-detection analyses—revealed that the microbial communities in the torus room water originated from a distinct blend of natural marine microbial and artificial bacterial communities typical of biofilms, sludge, and wastewater. Understanding the specific bacteria linked to metal corrosion in damaged plants is important for advancing decommissioning efforts.

  • Systematic Analysis of Diverse Polynucleotide Kinase Clp1 Family Proteins in Eukaryotes: Three Unique Clp1 Proteins of Trypanosoma brucei

    Saito M., Inose R., Sato A., Tomita M., Suzuki H., Kanai A.

    Journal of Molecular Evolution (Springer Nature)  91 ( 5 ) 669 - 686 2023年10月

    研究論文(学術雑誌), 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  00222844

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    The Clp1 family proteins, consisting of the Clp1 and Nol9/Grc3 groups, have polynucleotide kinase (PNK) activity at the 5′ end of RNA strands and are important enzymes in the processing of some precursor RNAs. However, it remains unclear how this enzyme family diversified in the eukaryotes. We performed a large-scale molecular evolutionary analysis of the full-length genomes of 358 eukaryotic species to classify the diverse Clp1 family proteins. The average number of Clp1 family proteins in eukaryotes was 2.3 ± 1.0, and most representative species had both Clp1 and Nol9/Grc3 proteins, suggesting that the Clp1 and Nol9/Grc3 groups were already formed in the eukaryotic ancestor by gene duplication. We also detected an average of 4.1 ± 0.4 Clp1 family proteins in members of the protist phylum Euglenozoa. For example, in Trypanosoma brucei, there are three genes of the Clp1 group and one gene of the Nol9/Grc3 group. In the Clp1 group proteins encoded by these three genes, the C-terminal domains have been replaced by unique characteristics domains, so we designated these proteins Tb-Clp1-t1, Tb-Clp1-t2, and Tb-Clp1-t3. Experimental validation showed that only Tb-Clp1-t2 has PNK activity against RNA strands. As in this example, N-terminal and C-terminal domain replacement also contributed to the diversification of the Clp1 family proteins in other eukaryotic species. Our analysis also revealed that the Clp1 family proteins in humans and plants diversified through isoforms created by alternative splicing.

  • Identification of Attenuators of Transcriptional Termination: Implications for RNA Regulation in Escherichia coli

    Morita T., Majdalani N., Miura M.C., Inose R., Oshima T., Tomita M., Kanai A., Gottesman S.

    mBio (American Society for Microbiology)  13 ( 6 ) e0237122 2022年10月

    研究論文(学術雑誌), 共著, 査読有り,  ISSN  21612129

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    The regulatory function of many bacterial small RNAs (sRNAs) requires the binding of the RNA chaperone Hfq to the 39 portion of the sRNA intrinsic terminator, and therefore sRNA signaling might be regulated by modulating its terminator. Here, using a multicopy screen developed with the terminator of sRNA SgrS, we identified an sRNA gene (cyaR) and three protein-coding genes (cspD, ygjH, and rof) that attenuate SgrS termination in Escherichia coli. Analyses of CyaR and YgjH, a putative tRNA binding protein, suggested that the CyaR activity was indirect and the effect of YgjH was moderate. Overproduction of the protein attenuators CspD and Rof resulted in more frequent readthrough at terminators of SgrS and two other sRNAs, and regulation by SgrS of target mRNAs was reduced. The effect of Rof, a known inhibitor of Rho, was mimicked by bicyclomycin or by a rho mutant, suggesting an unexpected role for Rho in sRNA termination. CspD, a member of the cold shock protein family, bound both terminated and readthrough transcripts, stabilizing them and attenuating termination. By RNA sequencing analysis of the CspD overexpression strain, we found global effects of CspD on gene expression across some termination sites. We further demonstrated effects of endogenous CspD under slow growth conditions where cspD is highly expressed. These findings provided evidence of changes in the efficiency of intrinsic termination, confirming this as an additional layer of the regulation of sRNA signaling. IMPORTANCE Growing evidence suggests that the modulation of intrinsic termination and readthrough of transcription is more widespread than previously appreciated. For small RNAs, proper termination plays a critical role in their regulatory function. Here, we present a multicopy screen approach to identify factors that attenuate small RNA termination and therefore abrogate signaling dependent on the small RNA. This study highlights a new aspect of regulation of small RNA signaling as well as the modulation of intrinsic termination.

  • Features of smaller ribosomes in candidate phyla radiation (CPR) bacteria revealed with a molecular evolutionary analysis

    Tsurumaki M., Saito M., Tomita M., Kanai A.

    RNA (Cold Spring Harbor Laboratory Press)  28 ( 8 ) 1041 - 1057 2022年06月

    研究論文(学術雑誌), 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  13558382

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    The candidate phyla radiation (CPR) is a large bacterial group consisting mainly of uncultured lineages. They have small cells and small genomes, and they often lack ribosomal proteins uL1, bL9, and/or uL30, which are basically ubiquitous in non-CPR bacteria. Here, we comprehensively analyzed the genomic information on CPR bacteria and identified their unique properties. The distribution of protein lengths in CPR bacteria peaks at around 100–150 amino acids, whereas the position of the peak varies in the range of 100–300 amino acids in free-living non-CPR bacteria, and at around 100–200 amino acids in most symbiotic non-CPR bacteria. These results show that the proteins of CPR bacteria are smaller, on average, than those of free-living non-CPR bacteria, like those of symbiotic non-CPR bacteria. We found that ribosomal proteins bL28, uL29, bL32, and bL33 have been lost in CPR bacteria in a taxonomic lineage-specific manner. Moreover, the sequences of approximately half of all ribosomal proteins of CPR differ, in part, from those of non-CPR bacteria, with missing regions or specifically added regions. We also found that several regions in the 16S, 23S, and 5S rRNAs of CPR bacteria are lacking, which presumably caused the total predicted lengths of the three rRNAs of CPR bacteria to be smaller than those of non-CPR bacteria. The regions missing in the CPR ribosomal proteins and rRNAs are located near the surface of the ribosome, and some are close to one another. These observations suggest that ribosomes are smaller in CPR bacteria than those in free-living non-CPR bacteria, with simplified surface structures.

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KOARA(リポジトリ)収録論文等 【 表示 / 非表示

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総説・解説等 【 表示 / 非表示

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競争的研究費の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 微生物生態系による原子炉内物体の腐食・変質に関する評価研究

    2019年10月
    -
    2020年12月

    文部科学省, 英知を結集した原子力科学技術・人材育成事業 国際協力型廃炉研究プログラム(廃炉加速化研究プログラム), 金井昭夫, 補助金,  研究代表者

     研究概要を見る

    高放射能環境でも一部の微生物は繁殖する。また、高放射能に繰り返し曝されることにより、放射能耐性を獲得する。福島第一原子力発電所(1F)事故では、定常的に微生物を含んだ地下水が流れ込んでおり、その内部に微生物群集が形作られている可能性が高い。このことから、1F敷地内外の地下水や放射能汚染水のメタゲノム解析により、それらの微生物群集の実態(生物種の群集構造と発現遺伝子プロファイル)を明らかにする。微生物群集の代謝反応経路を推定することにより、微生物生態系の原子炉内構造物に対する影響を調べ、微生物により燃料デブリや構造材(コンクリート、鉄材など)の腐食・変性が促進される可能性を検討する。それらを基に、微生物群集の制御に関する指針を提案するとともに、定常的な生物環境モニタリングのための拠点形成を進める。

  • 多様性を有するRNAキナーゼの進化情報解析とその情報に基づいた酵素機能の改変

    2017年04月
    -
    2020年03月

    文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 金井 昭夫, 基盤研究(C), 補助金,  研究代表者

  • RNA鎖の連結に関与する酵素群の同定とその性状解析

    2010年04月
    -
    2012年03月

    日本学術振興会, 科研費 , 金井昭夫, 基盤研究(B), 補助金,  研究代表者

受賞 【 表示 / 非表示

  • 「平成29年度『科研費』審査委員」表彰

    金井昭夫, 2017年09月, 独立行政法人 日本学術振興会

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    科学研究費助成事業の審査に関し、有意義な審査意見を付したことによる

 

担当授業科目 【 表示 / 非表示

  • 特別研究プロジェクトB

    2024年度

  • 研究会B

    2024年度

  • 修士研究会

    2024年度

  • 特別研究

    2024年度

  • 卒業プロジェクト2

    2024年度

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担当経験のある授業科目 【 表示 / 非表示

  • 先端分子細胞生物学

    慶應義塾

    2018年04月
    -
    2019年03月

    秋学期

  • 先端研究 (BI)

    慶應義塾

    2018年04月
    -
    2019年03月

    秋学期

  • ゲノム分子生物学2

    慶應義塾

    2018年04月
    -
    2019年03月

    秋学期

  • 概念構築 (BI)

    慶應義塾

    2018年04月
    -
    2019年03月

    春学期

  • ゲノム分子生物学1

    慶應義塾

    2018年04月
    -
    2019年03月

    春学期, 講義

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所属学協会 【 表示 / 非表示

  • RNA Society, 

    1999年
    -
    継続中
  • American Association for the Advancement of Science (AAAS), 

    2001年
    -
    継続中
  • American Society for Microbiology (ASM)

     
  • 日本RNA学会 (2021年度 年会長), 

    2012年04月
    -
    継続中
  • 日本分子生物学会, 

    1990年
    -
    継続中

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委員歴 【 表示 / 非表示

  • 2020年05月
    -
    継続中

    山口大学大学院医学系研究科・客員教授

  • 2010年10月
    -
    継続中

    Frontiers in Genetics (RNA), Editorial Board – Associate Editor

  • 2010年08月
    -
    2023年04月

    PLOS ONE, Editorial Board - Academic Editor

  • 2010年06月
    -
    2024年02月

    Frontiers in Microbiology (Virology), Editorial Board - Review Editor