Characterization of chromatin replication associated with stem cell fate decision

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 19H05746
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岩間 厚志 東京大学, 医科学研究所, 教授 (70244126)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 北村 俊雄 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 名誉教授 (20282527)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥168,220,000 (Direct Cost: ¥129,400,000、Indirect Cost: ¥38,820,000); Fiscal Year 2023: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2022: ¥31,850,000 (Direct Cost: ¥24,500,000、Indirect Cost: ¥7,350,000); Fiscal Year 2021: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000); Fiscal Year 2020: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2019: ¥39,000,000 (Direct Cost: ¥30,000,000、Indirect Cost: ¥9,000,000)
• Keywords: 幹細胞 / 運命決定 / クロマチン複製 / 造血幹細胞 / 自己複製 / クロマチン高次構造 / 非ゲノム情報

Outline of Research at the Start

造血幹細胞とその分裂によって生じる2 つの娘細胞のシングルセル解析を行い、それらのクロマチン複製様式を明らかにする。シングルセルATAC-Seq によるオープンクロマチン領域解析、シングルセルHi-C 解析によるトポロジカル関連ドメイン解析、ならびにシングルセルRNA-seq を行い、造血幹細胞の分裂様式をクロマチン複製と遺伝子発現の観点から理解し、娘細胞のシングルセル骨髄移植によって規定される造血幹細胞の生物学的な自己複製・分化との対応を明らかにする。さらに、本領域研究において同定されるクロマチン複製制御因子群の生物学的意義を、造血幹細胞の自己複製における機能の検証を通して理解する。

Outline of Annual Research Achievements

造血幹細胞の細胞分裂により生み出される2つの娘細胞の細胞形質と高次クロマチン構造をペアとして１細胞解析することで、造血幹細胞の対称分裂と非対称分裂におけるクロマチン高次構造の継承の実態とその細胞形質変化への関わりを解明する。共同研究者の永野はHi-CデータとRNA-seqデータを同じ1細胞から同時取得するための新技術を開発した。この新技術を用い、造血幹細胞の娘細胞ペアのHi-Cデータを比較したところ、同じ幹細胞から生み出されたペア同士の染色体テリトリー配列の相関がそれ以外に比べ高い傾向にあることが分かった。娘細胞ペアの1細胞RNA-seq解析では、娘細胞ペアの片方のtranscriptomeが多能性幹細胞より下流の骨髄球系前駆細胞の特徴を示すものが頻度は少ないものの同定された。これは明らかな非対称性分裂を示すペアがあることを示しており、非対称性分裂がある一定頻度で起こっているものと考えられた。すでに若齢造血幹細胞の娘細胞ペアに加えて加齢造血幹細胞の娘細胞ペアのHi-CデータとRNA-seqデータの取得は終了している。今後は両データを統合することにより、造血幹細胞の対称分裂と非対称分裂におけるクロマチン高次構造の継承の実態と明らかにする。分担研究者の北村は、造血器腫瘍で認められるC末端欠失型ASXL1変異(ASXL1-MT)の機能解析を行い、ASXL1-MTノックインマウスでは炎症性マクロファージが増加し、動脈硬化が増悪することを明らかにし、その詳細な機序の解析を進めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

娘細胞ペアの1細胞RNA-seq解析では、娘細胞ペアの片方のtranscriptomeが多能性幹細胞より下流の骨髄球系前駆細胞の特徴を示すものが頻度は少ないものの同定された。これは明らかな非対称性分裂を示すペアがあることを示しており、非対称性分裂がある一定頻度で起こっていることを示しており、解析系がうまく機能していることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

【研究項目1】 造血幹細胞の細胞運命を規定するクロマチン複製様式の同定(岩間)
岩間は、造血幹細胞の細胞分裂により生み出される2つの娘細胞の細胞形質と高次クロマチン構造をペアとして１細胞解析することで、造血幹細胞の対称分裂と非対称分裂におけるクロマチン高次構造の継承の実態とその細胞形質変化への関わりを解明する。娘細胞ペアの1細胞RNA-seq解析データをHi-Cデータから得られる高次クロマチン構造と統合して解析を進める。また、加齢マウスの造血幹細胞を用いた娘細胞ペアの解析も実施する。
【研究項目2】 非ゲノム情報調節因子ASXL1 によるクロマチン複製制御機構の解明(北村・岩間)
分担研究者の北村は、造血器腫瘍で認められるC末端欠失型ASXL1変異(ASXL1-MT)の機能解析を行い、ASXL1-MTによるエピゲノム異常と造血幹細胞機能異常・造血腫瘍発症への関与を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Marseille University(フランス)
• [Int'l Joint Research] Oxford University(英国)
• [Int'l Joint Research] マルセイユがんセンター(フランス)
• [Int'l Joint Research] PTC Therapeutics/Memorial Sloan-Kettering Cancer Center(米国)
• [Int'l Joint Research] マルセイユがんセンタ-/Cleveland Clinic(フランス)
• [Int'l Joint Research] ルンド大学(スウェーデン)
• [Journal Article] Epigenetic traits inscribed in chromatin accessibility in aged hematopoietic stem cells (2022)
  • Author(s): Itokawa Naoki、Oshima Motohiko、Koide Shuhei、Takayama Naoya、Kuribayashi Wakako、Nakajima-Takagi Yaeko、Aoyama Kazumasa、Yamazaki Satoshi、Yamaguchi Kiyoshi、Furukawa Yoichi、Eto Koji、Iwama Atsushi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2691-2691
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30440-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] YAP1/TAZ activity maintains vascular integrity and organismal survival (2022)
  • Author(s): Uemura Shun、Yamashita Masayuki、Aoyama Kazumasa、Yokomizo-Nakano Takako、Oshima Motohiko、Nishio Miki、Masuko Masayoshi、Takizawa Jun、Sone Hirohito、Yamada Yasuhiro、Suzuki Akira、Iwama Atsushi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 619 Pages: 117-123
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.06.050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A high prevalence of myeloid malignancies in progeria with Werner syndrome is associated with p53 insufficiency (2022)
  • Author(s): Kato Hisaya、Ogawa Seishi, et al.
  • Journal Title: Experimental Hematology Volume: 109 Pages: 11-17
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2022.02.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unraveling unique features of plasma cell clones in POEMS syndrome with single-cell analysis. (2022)
  • Author(s): Isshiki Y, Oshima M, Mimura N, Kayamori K, Miyamoto-Nagai Y, Seki M, Nakajima-Takagi Y, Kanamori T, Iwamoto E, Muto T, Tsukamoto S, Takeda Y, Ohwada C, Misawa S, Ikeda JI, Sanada M, Kuwabara S, Suzuki Y, Sakaida E, Nakaseko C, Iwama A.
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 7 Issue: 20 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1172/jci.insight.151482
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PCGF1-PRC1 links chromatin repression with DNA replication during hematopoietic cell lineage commitment (2022)
  • Author(s): Takano J, Ito S, Dong Y, Sharif J, Nakajima-Takagi Y, Umeyama T, Han YW, Isono K, Kondo T, Iizuka Y, Miyai T, Koseki Y, Ikegaya M, Sakihara M, Nakayama M, Ohara O, Hasegawa Y, Hashimoto K, Arner E, Klose RJ, Iwama A, Koseki H, Ikawa T
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 13 (1) Issue: 1 Pages: 7159-7159
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34856-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Insufficiency of non-canonical PRC1 synergizes with JAK2V617F in the development of myelofibrosis (2021)
  • Author(s): Shinoda Daisuke、Nakajima-Takagi Yaeko、Oshima Motohiko、Koide Shuhei、Aoyama Kazumasa、Saraya Atsunori、Harada Hironori、Rahmutulla Bahityar、Kaneda Atsushi、Yamaguchi Kiyoshi、Furukawa Yoichi、Koseki Haruhiko、Shimoda Kazuya、Tanaka Tomoaki、Sashida Goro、Iwama Atsushi
  • Journal Title: Leukemia Volume: 36 Issue: 2 Pages: 452-463
  • DOI: 10.1038/s41375-021-01402-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Limited rejuvenation of aged hematopoietic stem cells in young bone marrow niche (2021)
  • Author(s): Kuribayashi W, Oshima M, Itokawa N, Koide S, Nakajima-Takagi Y, Yamashita M, Yamazaki S, Rahmutulla B, Miura F, Ito T, Kaneda A, Iwama A.
  • Journal Title: J Exp Med Volume: 218 Issue: 3
  • DOI: 10.1084/jem.20192283
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] DHODH inhibition synergizes with DNA-demethylating agents in the treatment of myelodysplastic syndromes (2021)
  • Author(s): Kayamori Kensuke、Nagai Yurie、Zhong Cheng、Kuribayashi Wakako、Oshima Motohiko、Nakajima-Takagi Yaeko、Yamashita Masayuki、Mimura Naoya、Becker Hans Jiro、Izawa Kiyoko、Yamazaki Satoshi、Iwano Satoshi、Ito Ryoji、Lennox William、Sheedy Josephine、Yokote Koutaro、Iwama Atsushi
  • Journal Title: Blood Advances Volume: 5 Issue: 2 Pages: 438-450
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2020001461
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mutant ASXL1 induces age-related expansion of phenotypic hematopoietic stem cells through activation of Akt/mTOR pathway (2021)
  • Author(s): Fujino Takeshi、Goyama Susumu、Sugiura Yuki、Inoue Daichi、Asada Shuhei、Yamasaki Satoshi、Matsumoto Akiko、Yamaguchi Kiyoshi、Isobe Yumiko、Tsuchiya Akiho、Shikata Shiori、Sato Naru、Morinaga Hironobu、Fukuyama Tomofusa、Tanaka Yosuke、Fukushima Tsuyoshi、Takeda Reina、Yamamoto Keita、Honda Hiroaki et al
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1826-1826
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22053-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] HHEX promotes myeloid transformation in cooperation with mutant ASXL1. (2020)
  • Author(s): Takeda R, Asada S, Park SJ, Yokoyama A, Becker H, Kanai A, Visconte V, Hershberger C, Hayashi Y, Yonezawa T, Tamura M, Fukushima T, Tanaka Y, Fukuyama T, Matsumoto A, Yamasaki S, Nakai K, Yamazaki S, Inaba T, Shibata T, Inoue D, Honda H, Goyama S, Maciejewski J, Kitamura T.
  • Journal Title: Blood Volume: 136 Pages: 1670-1684
  • DOI: 10.1182/blood.2019004613
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plant homeodomain finger protein 6 in the regulation of normal and malignant hematopoiesis. (2020)
  • Author(s): Miyagi S, Iwama A.
  • Journal Title: Curr Opin Hematol. Volume: - Issue: 4 Pages: 248-253
  • DOI: 10.1097/moh.0000000000000588
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bmi1 counteracts hematopoietic stem cell aging by repressing target genes and enforcing the stem cell gene signature. (2020)
  • Author(s): Nitta E, Itokawa N, Yabata S, Koide S, Hou LB, Oshima M, Aoyama K, Saraya A, Iwama A.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 521 Issue: 3 Pages: 612-619
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.10.153
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Akt inhibition synergizes with polycomb repressive complex 2 inhibition in the treatment of multiple myeloma. (2019)
  • Author(s): Rizk M, Rizq O, Oshima M, Nakajima-Takagi Y, Koide S, Saraya A, Isshiki Y, Chiba T, Yamazaki S, Ma A, Jin J, Iwama A, Mimura N.
  • Journal Title: Cancer Sci Volume: 110 Issue: 12 Pages: 3695-3707
  • DOI: 10.1111/cas.14207
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KDM2B in polycomb repressive complex 1.1 functions as a tumor suppressor in the initiation of T-cell leukemogenesis. (2019)
  • Author(s): Isshiki Y, Nakajima-Takagi Y, Oshima M, Aoyama K, Rizk M, Kurosawa S, Saraya A, Kondo T, Sakaida E, Nakaseko C, Yokote K, Koseki H, Iwama A.
  • Journal Title: Blood Adv Volume: 3 Issue: 17 Pages: 2537-2549
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2018028522
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The chromatin binding protein Phf6 restricts the self-renewal of hematopoietic stem cells. (2019)
  • Author(s): Miyagi S, Sroczynska P, Kato Y, Nakajima-Takagi Y, Oshima M, Rizq O, Takayama N, Saraya A, Mizuno S, Sugiyama F, Takahashi S, Matsuzaki Y, Christensen J, Helin K, and Iwama A.
  • Journal Title: Blood Volume: - Issue: 23 Pages: 2495-2506
  • DOI: 10.1182/blood.2019000468
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Chromatin accessibility in MDS stem and progenitor cells. Symposium “Recent advances in leukemia stem cell research” (2022)
  • Author(s): Iwama A
  • Organizer: The 84th Annual Meeting of the Japanese Society of Hematology
  • Invited
• [Presentation] 「造血幹細胞特性の加齢変化とエピジェネティックメモリー」シンポジウム「100歳を目指した健康寿命延伸医療の実現」 (2022)
  • Author(s): 岩間厚志
  • Organizer: 日本心血管作動部質学会
  • Invited
• [Presentation] Chromatin accessibility in MDS stem and progenitor cells. Hematopoiesis (2021)
  • Author(s): Atsushi Iwama
  • Organizer: Keystone Symposia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non-canonical PRC1 regulates homeostatic and emergency hematopoiesis by restricting myeloid differentiation program (2021)
  • Author(s): Atsushi Iwama
  • Organizer: The Hematologic Malignancies Conference, FASEB Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KDM6A inactivation in germinal center B cells promotes the development of plasma cell neoplasms (2020)
  • Author(s): Atsushi Iwama
  • Organizer: 日本がん学会総会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞のエピジェネティックプロファイリング (2020)
  • Author(s): 岩間厚志
  • Organizer: 共同利用・共同研究拠点「マルチオミックスによる遺伝子発現制御の先端的医学共同研究拠点」シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic alterations in aged hematopoietic stem cells and age-associated malignancies (2019)
  • Author(s): Iwama A
  • Organizer: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞の加齢変化を規定するエピゲノム特性 (2019)
  • Author(s): 岩間厚志
  • Organizer: 第42回日本基礎老化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic alterations in aged hematopoietic stem cells and age-associated malignancies (2019)
  • Author(s): Iwama A
  • Organizer: 第62回日本放射線影響学会大会
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic alterations in aged hematopoietic stem cells and age-associated malignancies (2019)
  • Author(s): 岩間厚志
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Remarks] 幹細胞分子医学分野ホームページ
  • URL: https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/molmed/
• [Remarks] 幹細胞分子医学分野
  • URL: https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/molmed/
• [Remarks] 細胞療法分野ホームページ
  • URL: https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/clinical_oncol/index.html
• [Remarks] 幹細胞分子医学分野HP
  • URL: https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/molmed/