Genomic modalities of development and differentiation and elucidation of disease mechanisms by their malfunction

• Project Area: Genome modality: understanding physical properties of the genome
• Project/Area Number: 20H05940
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 白髭 克彦 東京大学, 定量生命科学研究所, 教授 (90273854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 泉 幸佑 東京大学, 定量生命科学研究所, 客員准教授 (40383707) ; 朴 聖俊 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (40759411)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥140,140,000 (Direct Cost: ¥107,800,000、Indirect Cost: ¥32,340,000); Fiscal Year 2024: ¥28,600,000 (Direct Cost: ¥22,000,000、Indirect Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2023: ¥28,600,000 (Direct Cost: ¥22,000,000、Indirect Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2022: ¥28,600,000 (Direct Cost: ¥22,000,000、Indirect Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2021: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2020: ¥27,300,000 (Direct Cost: ¥21,000,000、Indirect Cost: ¥6,300,000)
• Keywords: 希少疾患 / コヒーシン / コヒーシンローダー / Hi-C / 転写伸長 / 転写制御ネットワーク / Cbx1 / NKAP / Brd / Aff4 / Hexim / Brd4

Outline of Research at the Start

ゲノム上の局在部位の違いによってコヒーシンはそれぞれ別の機能を果たしていると考えられているが、その実態はまだ明らかではなく、どのようにゲノム上でコヒーシンの機能が使い分けられているのか、それを規定する因子は何なのかも含め大きな謎である。また、コヒーシンのいずれの機能の破綻が疾患の病態に寄与しているのかも依然として不明である。本研究ではCdLS関連疾患の患者由来のiPSおよび、疾患モデル細胞を用いた実験系とin vitro 転写再構成系を併用し、コヒーシン関連因子の発生・分化における役割をゲノム学と遺伝学、生化学を動員して明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

白髭らは現在までにコヒーシン及びコヒーシンローダー(NIPBL)のAIDデグロン、Brd4のノックダウン、Aff4のノックダウン、HEXIMのノックダウンによりコヒー シン関連疾患の患者細胞で見られる形質(すなわちNIPBLの結合の低下)を再現することを試みてきた。その中で、1)NIPBLの結合低下がBrd4の結合低下を引き起 こす反面、Aff4の結合の増加を引き起こすこと、2)Brd4の結合低下はNIPBLの結合低下を引き起こすこと、3)Aff4の結合低下はNIPBLの結合の増加を引き起こすこと、4)Aff4を大量 発現しても NIPBLの結合の低下は誘導されないが、患者型のAff4はNIPBLの結合低下を誘導できること、５）細胞中のAff4をKDするとCDK9の安定性が大きく損なわれるが、Brd4は関係ない。また、Brd4自身はRNA Polymeraseと複合体を形成しているCDK9とは結合していないこと、を見出した。朴らは、マウスES細胞由来の80サンプル以上の各種NGSデータ、及びMicro-CやEU-seqなどの独自データの大規模解析を継続して行った。同時に、これまでに拡充してきたゲノム高次構造と転写関連データを使って遺伝子転写制御の数理モデル化に挑戦し、転写調節に関わる遺伝子近傍制御領域（プロモーター）と長距離制御領域（非コードHi-Cコンタクト部位）における転写因子結合の組み合わせ、ヒストン修飾の特徴を定量化することに成功している（執筆中）。ここでは、マウスES細胞データのパイロットデータとしてヒトＢ細胞分化に関連する各種NGSデータを用いており、回帰モデルとグラフエンベディング手法、畳み込みニューラルネットワークをベースにした深層学習法を駆使してモデリングを行っている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

コヒーシンローダーによる転写制御の実態はCDK9の過剰な亢進によるもであることを明らかにできたと同時に、従来考えられていたのとは異なり、Brd4とAff4は転写亢進という同じ役割を持つのではなく、Aff4の転写の亢進に対しBrd4はむしろ抑制的に機能していることが判明した。この相反する活性をコヒーシンがBrd4の側でどのように調節しているのかを明らかにすることと実質的に一体何が細胞の中で特に最終産物であるRNAに起こっているのかを明らかにすることが今後の課題であるが、全く新しい視点をこれらの知見はゲノム高次構造制御、転写制御分野にもたらす可能性がある。さらに、情報学的基盤構築、新規の染色体因子の遺伝病の発見等順調 に進行している。一方、朴らは膨大な関連NGSデータのプロファイリングに時間がかかっており、プロファイルの完成を待たずにパイロットデータを用いた数理モデリングの試行を並行しているが、パラメーターチューニングに予定外の計算コストが必要となっているがなんとか期待通りに進捗している。

Strategy for Future Research Activity

結局Cdk9活性が亢進すると一体何が転写産物に生じるのかが次の焦点となっている。現在、CdLSやCHOPsにおける蛋白因子の動態解析やRNAの構造解析、ヌクレオソームの配置解析をより丁寧に情報学的に行い、この問題を解き明かそうとしている。朴は本年度に得られた成果を基に、今後、提案手法の多角的な精査を重ねるとともに、GMS試作版の公開と関連データの集約を進める。泉はノックアウトマウスを 用いた解析を引き続き行う。朴らは関連データの整備と拡充は本年度でほぼ終了しており、得られたゲノム的解析結果を用いた情報科学的モデリングを本格化する。これまでにパイロットデータの数理モデル化では学術的に良い結果が得られており、今後、マウスES細胞におけるコヒーシン複合体の機能解析に絞ったモデリングを、パラメーターの見直し、機械学習手法のブラッシュアップなどを通して、本研究課題の遂行を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
• [Int'l Joint Research] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Center for Biological Research(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
• [Int'l Joint Research] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Center for Biological Research(スペイン)
• [Journal Article] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human soft tissue sarcoma traits (2023)
  • Author(s): Sorimachi Yuriko、Kobayashi Hiroshi、Shiozawa Yusuke、Koide Shuhei、Nakato Ryuichiro、Shimizu Yukiko、Okamura Tadashi、Shirahige Katsuhiko、Iwama Atsushi、Goda Nobuhito、Takubo Kaiyo、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Stem Cell Reports Volume: AOP Issue: 5 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2023.03.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transient methionine deprivation triggers histone modification and potentiated differentiation of induced pluripotent stem cells (2023)
  • Author(s): Ozawa H., Kambe A, Hibi K, Murakami S, Oikawa A, Handa T, Fujiki K, Nakato R, Shirahige K, Kimura H, Shiraki N, Kume S.
  • Journal Title: Stem Cells Volume: 41 Issue: 3 Pages: 271-286
  • DOI: 10.1093/stmcls/sxac082
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cohesin-dependent chromosome loop extrusion is limited by transcription and stalled replication forks. (2022)
  • Author(s): Jeppsson K, Sakata T, Nakato R, Milanova S, Shirahige K, Bjorkegren C.
  • Journal Title: Sci Adv. Volume: 8(23) Issue: 23
  • DOI: 10.1126/sciadv.abn7063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-scale multi-omics analysis suggests specific roles for intragenic cohesin in transcriptional regulation. (2022)
  • Author(s): Wang J, Bando M, Shirahige K, Nakato R.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 13(1) Issue: 1 Pages: 3218-3218
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30792-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expanding the phenotypic spectrum of ARCN1-related syndrome. (2022)
  • Author(s): Ritter AL, et.al
  • Journal Title: Genet Med. Volume: S1098-3600 Issue: 6 Pages: 00651-7
  • DOI: 10.1016/j.gim.2022.02.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inborn error of metabolism patients after liver transplantation: Outcomes of 35 patients over 27 years in one pediatric quaternary hospital. (2022)
  • Author(s): Pritchard AB, Izumi K, Payan-Walters I, Yudkoff M, Rand EB, Bhoj E.
  • Journal Title: Am J Med Genet A. Volume: 188(5) Issue: 5 Pages: 1443-1447
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.62659
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The clinical and molecular spectrum of QRICH1 associated neurodevelopmental disorder. (2022)
  • Author(s): Kumble S, et.al
  • Journal Title: Hum Mutat. Volume: 43(2) Issue: 2 Pages: 266-282
  • DOI: 10.1002/humu.24308
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular Diagnostic Outcomes from 700 Cases: What Can We Learn from a Retrospective Analysis of Clinical Exome Sequencing? (2022)
  • Author(s): Murrell JR, et.al
  • Journal Title: J Mol Diagn. Volume: 24(3) Issue: 3 Pages: 274-286
  • DOI: 10.1016/j.jmoldx.2021.12.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly rigid H3.1/H3.2-H3K9me3 domains set a barrier for cell fate reprogramming in trophoblast stem cells (2022)
  • Author(s): Hada M, Miura H, Tanigawa A, Matoba S, Inoue K, Ogonuki N, Hirose M, Watanabe N, Nakato R, Fujiki K, Hasegawa A, Sakashita A, Okae H, Miura K, Shikata D, Arima T, Shirahige K, Hiratani I, Ogura A.
  • Journal Title: Genes Dev Volume: 36 Issue: 1-2 Pages: 84-102
  • DOI: 10.1101/gad.348782.121
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterizing promoter and enhancer sequences by a deep learning method (2021)
  • Author(s): Xin Zeng, Sung-Joon Park and Kenta Nakai
  • Journal Title: Frontiers in Genetics Volume: 12 Pages: 681259-681259
  • DOI: 10.3389/fgene.2021.681259
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bi-allelic variants in the ER quality-control mannosidase gene EDEM3 cause a congenital disorder of glycosylation. (2021)
  • Author(s): Polla DL, et.al
  • Journal Title: Am J Hum Genet. Volume: 108(7) Pages: 1342-1349
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Expanding the genotypic and phenotypic spectrum in a diverse cohort of 104 individuals with Wiedemann-Steiner syndrome. (2021)
  • Author(s): Sheppard SE, et.al
  • Journal Title: Am J Med Genet A. Volume: - Issue: 6 Pages: 1649-1665
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.62124
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Variants in NAA15 cause pediatric hypertrophic cardiomyopathy. (2021)
  • Author(s): Ritter A, Berger JH, Deardorff M, Izumi K, Lin KY, Medne L, Ahrens-Nicklas RC.
  • Journal Title: Am J Med Genet A. Volume: 185(1) Pages: 228-233
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-cell transcriptional analysis reveals developmental stage-dependent changes in retinal progenitors in the murine early optic vesicle (2021)
  • Author(s): Yamada R, Oguri A, Fujiki K, Shirahige K, Takezoe H, Takahashi N, Kanai Y.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 543 Pages: 80-86
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.01.043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional control of Eco1 through the MCM complex in sister chromatid cohesion. (2021)
  • Author(s): Yoshimura A, Sutani T, Shirahige K.
  • Journal Title: Gene. Volume: 784 Pages: 145584-145584
  • DOI: 10.1016/j.gene.2021.145584
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pericentromeric noncoding RNA changes DNA binding of CTCF and inflammatory gene expression in senescence and cancer (2021)
  • Author(s): Kenichi Miyata, Yoshinori Imai, Satoshi Hori, Mika Nishio, Tze Mun Loo, Ryo Okada, Liying Yang, Tomoyoshi Nakadai, et. al.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 118 Issue: 35
  • DOI: 10.1073/pnas.2025647118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Codependency and mutual exclusivity for gene community detection from sparse single-cell transcriptome data (2021)
  • Author(s): Nakajima N, Hayashi T, Fujiki K, Shirahige K, Akiyama T, Akutsu T, Nakato R.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res Volume: 49 Issue: 18 Pages: e104-e104
  • DOI: 10.1093/nar/gkab601
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bioinformatical dissection of fission yeast DNA replication origins (2020)
  • Author(s): Koji Masuda, Claire Renard-Guillet, Katsuhiko Shirahige, Takashi Sutani
  • Journal Title: Open Biol . Volume: Volume 10Issue 7 Issue: 7 Pages: 200052-200052
  • DOI: 10.1098/rsob.200052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcription-dependent cohesin repositioning rewires chromatin loops in cellular senescence (2020)
  • Author(s): Olan Ioana、Parry Aled J.、Schoenfelder Stefan、Narita Masako、Ito Yoko、Chan Adelyne S. L.、Slater Guy St.C.、Bihary Dora、Bando Masashige、Shirahige Katsuhiko、Kimura Hiroshi、Samarajiwa Shamith A.、Fraser Peter、Narita Masashi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 6049-6049
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19878-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 染色体の謎に迫る ―命のプラットフォーム、染色体の構造と機能を解き明かす― (2021)
  • Author(s): 白髭克彦
  • Organizer: 2021年度 第3回創発セミナー（大隅基礎科学創成財団）
  • Invited
• [Presentation] 転写制御におけるコヒーシンの役割 (2021)
  • Author(s): 白髭克彦
  • Organizer: 第４４回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] THE FUNCTION OF COHESIN IN THE ASSEMBLY OF TRANSCRIPTIONAL MACHINERY IN VIVO AND IN VITRO (2021)
  • Author(s): 白髭克彦
  • Organizer: Cold Spring harbor Asia, DNA Metabolism, Genomic Stability and Diseases
  • Int'l Joint Research / Invited