Funtional analyses of non-domain RNAs using mutant mice

• Project Area: Biology of Non-domain Biopolymer
• Project/Area Number: 21H05274
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 中川 真一 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (50324679)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 荒木 喜美 熊本大学, 生命資源研究・支援センター, 教授 (90211705)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥176,930,000 (Direct Cost: ¥136,100,000、Indirect Cost: ¥40,830,000); Fiscal Year 2025: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000); Fiscal Year 2024: ¥26,390,000 (Direct Cost: ¥20,300,000、Indirect Cost: ¥6,090,000); Fiscal Year 2023: ¥26,520,000 (Direct Cost: ¥20,400,000、Indirect Cost: ¥6,120,000); Fiscal Year 2022: ¥26,520,000 (Direct Cost: ¥20,400,000、Indirect Cost: ¥6,120,000); Fiscal Year 2021: ¥70,720,000 (Direct Cost: ¥54,400,000、Indirect Cost: ¥16,320,000)
• Keywords: ncRNA / 超天然変性タンパク質 / ゲノム編集 / 天然変性領域 / ノンコーディングRNA / ノックアウトマウス / 選択的スプライシング / 4,5SH / lncRNA / 相分離 / Neat1 / パラスペックル / 4.5SH / UGS148 / Tanycyte / 超解像顕微鏡

Outline of Research at the Start

「重要な機能を持つRNAやタンパク質などの生体高分子の一次配列は、種間で高度に保存されている」。これが分子生物学の発展を支えてきた基本的なドグマです。ところが、種間で保存された配列や機能ドメインをほとんど持たないにもかかわらず、細胞内あるいは試験管内の反応で重要な分子機能を発揮することが確認された遺伝子産物が、近年相次いで報告されています。本研究では、一次配列から機能を予測することができないようなノンコーディングRNAや超天然変性タンパク質に注目し、それらのマウスの変異体を作製して表現型を解析することで、「非ドメイン型」遺伝子の生理機能を明らかにしてゆきます。

Outline of Annual Research Achievements

これまでの研究で、機能未知のノンコーディングRNAである4.5SHノックアウトマウスが胎生致死になることが明らかとなっていた。4.5SHの分子機能を明らかにするためにKOマウスから作製したES細胞を用いてRNA-Seq解析を行ったところ、野生型では見られない異常エクソンが100個以上の遺伝子に突如として出現することが分かった。これらの異常エクソンはストップコドン変異やフレームシフト変異を含有しており、ホスト遺伝子の機能を喪失させているものと考えられた。また、これらの異常エクソンは、4.5SHと高い配列の相同性を持つレトロトランスポゾンSINE B1がアンチセンス方向に挿入されたものであった。つまり、4.5SHは異常エクソンとなるSINE B1のアンチセンス挿入配列を含むpre-mRNAと相補鎖を形成し、その配列がエクソン化することを防ぐことで、正常なトランスクリプトームを担保していることが明らかとなった。さらに詳細なメカニズムを明らかにするために4.5SHのドメイン解析を行ったところ、4.5SHはエクソンスキッピングを誘導するためのエフェクターと結合するモジュールと、標的配列に結合するモジュールに分かれていることが明らかとなった。また、エフェクター結合モジュールは、hnRNPM、Sfpq、Nonoなど、pre-mRNAのイントロン領域と結合するRNA結合タンパク質群と複合体を作っていることも明らかとなった。さらに、4.5SHの標的配列結合モジュールを任意のエクソンの相補的な配列と入れ替えることで、そのエクソンのスキッピングを誘導することができることも明らかとなった。
この他、廣瀬との共同研究で非膜オルガネラの区画化を制御するメカニズムを明らかとしたほか、泊との共同研究でマウスの生存に必須な超天然変性タンパク質を新たに同定した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

4.5SHに関する研究成果は当所の計画には入っていなかったが、予想外の展開を見せ、非常に大きな成果を上げることが出来た。この発見は、以下の点で非常に重要な意味を持つものである。１）エクソンスキッピングがノンコーディングRNAで制御されていることを実験的に明確に示した初めての例である。２）この発見により、RNAi、CRISPR-Cas9に続く、第三のプログラマブルな制御RNAー任意のエクソンのスキッピングを誘導するRNAーをデザインすることが可能となった。３）4.5SHは発見依頼40年以上その機能が謎とされてきたが、ついにその生理機能を明らかにすることが出来た。４）4.5SHを持つ種はSINE B1を持つ種と一致しているという進化上の謎を解くことが出来た。この成果は、分子生物学のトップジャーナルであるMolecular Cellに発表することが出来た。また、領域内の共同研究も予想外の進展を見せ、計画研究の廣瀬と行った非膜オルガネラの特異性に関する研究は細胞生物学分野のトップジャーナルであるNature Cell Biologyに掲載された。さらに、計画研究の泊と行った研究も順調に進行しており、新たに、胎生致死の表現型を示す超天然変性タンパク質を同定することが出来た。これらの成果を総合すると、当所の野心的な計画のさらに上を行く画期的な成果を得られたと言える。

Strategy for Future Research Activity

引き続き非ドメイン型RNAであるノンコーディングRNA群の生理機能解析を進める。特に、計画研究代表者の廣瀬とすすめている典型的な非ドメイン型RNAであるNeat1の生理機能解析に焦点を当て、その生理機能と分子動作機構の解明を試みる。また、超天然変性タンパク質のノックアウトマウスで胎生致死の表現型を示すものがすでに４ライン得られているので、今後は新たな分子の探索ではなく、個別の遺伝子の動作機構の詳細な解析を集中的に行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Texas/Texas A&M University(米国)
• [Journal Article] Long noncoding RNA Malat1 protects against osteoporosis and bone metastasis. (2024)
  • Author(s): Zhao Y, Ning J, Teng H, Deng Y, Sheldon M, Shi L, Martinez C, Zhang J, Tian A, Sun Y, Nakagawa S, Yao F, Wang H, Ma L.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 15 Issue: 1 Pages: 2384-2384
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46602-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The early macrophage response to pathogens requires dynamic regulation of the nuclear paraspeckle. (2023)
  • Author(s): Azam S, Armijo KS, Weindel CG, Chapman MJ, Devigne A, Nakagawa S, Hirose T, Carpenter S, Watson RO, Patrick KL
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 121 Issue: 9
  • DOI: 10.1073/pnas.2312587121
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 4.5SH RNA counteracts deleterious exonization of SINE B1 in mice (2023)
  • Author(s): Yoshimoto Rei、Nakayama Yuta、Nomura Ikuko、Yamamoto Ikuko、Nakagawa Yumeka、Tanaka Shigeyuki、Kurihara Misuzu、Suzuki Yu、Kobayashi Takehiko、Kozuka-Hata Hiroko、Oyama Masaaki、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Yamazaki Tomohiro、Hirose Tetsuro、Araki Kimi、Nakagawa Shinichi
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 83 Issue: 24 Pages: 4479-4493
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2023.11.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nondomain biopolymers: Flexible molecular strategies to acquire biological functions (2023)
  • Author(s): Arakawa K, Hirose T, Inada T, Ito T, Kai T, Oyama M, Tomari Y, Yoda T, Nakagawa S.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 28 Issue: 8 Pages: 539-552
  • DOI: 10.1111/gtc.13050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Long non-coding RNAs: definitions, functions, challenges and recommendations (2023)
  • Author(s): Mattick John S.、Amaral Paulo P.、Carninci Piero、et al.
  • Journal Title: Nature Reviews Molecular Cell Biology Volume: - Issue: 6 Pages: 430-447
  • DOI: 10.1038/s41580-022-00566-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shell protein composition specified by the lncRNA NEAT1 domains dictates the formation of paraspeckles as distinct membraneless organelles (2023)
  • Author(s): Takakuwa Hiro、Yamazaki Tomohiro、Souquere Sylvie、Adachi Shungo、Yoshino Hyura、Fujiwara Naoko、Yamamoto Tetsuya、Natsume Tohru、Nakagawa Shinichi、Pierron Gerard、Hirose Tetsuro
  • Journal Title: Nature Cell Biology Volume: 25 Issue: 11 Pages: 1664-1675
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01254-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ILF3 prion-like domain regulates gene expression and fear memory under chronic stress (2023)
  • Author(s): Yamashita Akira、Shichino Yuichi、Fujii Kazuki、Koshidaka Yumie、Adachi Mayumi、Sasagawa Eri、Mito Mari、Nakagawa Shinichi、Iwasaki Shintaro、Takao Keizo、Shiina Nobuyuki
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 3 Pages: 106229-106229
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106229
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] lncRNA Neat1 regulates neuronal dysfunction post sepsis via stabilization of hemoglobin subunit beta (2022)
  • Author(s): Wu Yan、Li Pengfei、Liu Liu、Goodwin Andrew J.、Halushka Perry V.、Hirose Tetsuro、Nakagawa Shinichi、Zhou Jiliang、Liu Meng、Fan Hongkuan
  • Journal Title: Molecular Therapy Volume: － Issue: 7 Pages: 2618-2632
  • DOI: 10.1016/j.ymthe.2022.03.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Species-specific formation of paraspeckles in intestinal epithelium revealed by characterization of <i>NEAT1</i> in naked mole-rat (2022)
  • Author(s): Yamada Akihiro、Toya Hikaru、Tanahashi Mayuko、Kurihara Misuzu、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Kurosaka Satoshi、Takumi Toru、Fox Archa、Kawamura Yoshimi、Miura Kyoko、Nakagawa Shinichi
  • Journal Title: RNA Volume: 28 Issue: 8 Pages: 1128-1143
  • DOI: 10.1261/rna.079135.122
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] MiR-150 Attenuates Maladaptive Cardiac Remodeling Mediated by Long Noncoding RNA MIAT and Directly Represses Profibrotic <i>Hoxa4</i> (2022)
  • Author(s): Aonuma Tatsuya、Moukette Bruno、Kawaguchi Satoshi、Barupala Nipuni P.、Sep?lveda Marisa N.、Frick Kyle、Tang Yaoliang、Guglin Maya、Raman Subha V.、Cai Chenleng、Liangpunsakul Suthat、Nakagawa Shinichi、Kim Il-man
  • Journal Title: Circulation: Heart Failure Volume: － Issue: 4
  • DOI: 10.1161/circheartfailure.121.008686
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The lncRNA Caren antagonizes heart failure by inactivating DNA damage response and activating mitochondrial biogenesis (2021)
  • Author(s): Sato Michio, Kadomatsu Tsuyoshi, Miyata Keishi, Warren Junco S., Tian Zhe、Node Koichi、Araki Kimi、 Oike Yuichi et al
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2529-2529
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22735-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ArcRNAs and the formation of nuclear bodies. (2021)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa, Tomohiro Yamazaki, Taro Mannen, Tetsuro Hirose
  • Journal Title: Mammalian Genome Volume: - Issue: 2 Pages: 382-401
  • DOI: 10.1007/s00335-021-09881-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Paraspeckles are constructed as block copolymer micelles. (2021)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki, Tetsuya Yamamoto, Hyura Yoshino, Sylvie Souquere, Shinichi Nakagawa, Gerard Pierron, Tetsuro Hirose
  • Journal Title: EMBO Journal Volume: - Issue: 12
  • DOI: 10.15252/embj.2020107270
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A histone modifier, ASXL1, interacts with NONO and is involved in paraspeckle formation in hematopoietic cells (2021)
  • Author(s): Yamamoto Keita、Goyama Susumu、Asada Shuhei、Fujino Takeshi、Yonezawa Taishi、Sato Naru、Takeda Reina、Tsuchiya Akiho、Fukuyama Tomofusa、Tanaka Yosuke、Yokoyama Akihiko、Toya Hikaru、Kon Ayana、Nannya Yasuhito、Onoguchi-Mizutani Rena、Nakagawa Shinichi、Hirose Tetsuro、Ogawa Seishi、Akimitsu Nobuyoshi、Kitamura Toshio
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 36 Issue: 8 Pages: 109576-109576
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109576
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] NEAT1 is essential for metabolic changes that promote breast cancer growth and metastasis. (2021)
  • Author(s): Mi Kyung Park, Li Zhang, Kyung-Won Min, 中略, Tetsuro Hirose, Je-Hyun Yoon, Min Sup Song
  • Journal Title: Cell metabolism Volume: 33 Issue: 12 Pages: 2380-2397
  • DOI: 10.1016/j.cmet.2021.11.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The cell type‐specific ER membrane protein UGS148 is not essential in mice (2021)
  • Author(s): Takahashi Osamu、Tanahashi Mayuko、Yokoi Saori、Kaneko Mari、Yanaka Kaori、Nakagawa Shinichi、Maita Hiroshi
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 27 Issue: 1 Pages: 43-60
  • DOI: 10.1111/gtc.12910
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development (2023)
  • Author(s): Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
  • Organizer: RNA 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development (2023)
  • Author(s): Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
  • Organizer: RNA granule meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of alternative splicing by short noncoding RNA (2023)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: EMBL meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of alternative splicing by short ncRNA (2022)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: CSHL meeting Regulatory and Noncoding RNAs
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The short noncoding RNA 4.5SH functions as an antidote for exonizations caused by the antisense insertions of retrotransposon SINE B1 during murine evolution (2022)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: RNA Society Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physiological analyses of super-disordered proteins mutant mice (2022)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: 日本生化学会年会
  • Invited
• [Presentation] 4.5SH RNAのエフェクター結合モジュールを用いたデザイナブルな人工スプライシング制御RNAの開発 (2022)
  • Author(s): 芳本玲、中山雄太、荒木喜美、中川真一
  • Organizer: 日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウス目特異的なリピート関連ノンコーディングRNA 4.5SHによる生体制御 (2021)
  • Author(s): 中川 真一
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 人口RNA分子 (2023)
  • Inventor(s): 芳本玲、中川真一
  • Industrial Property Rights Holder: 芳本玲、中川真一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-076674
  • Filing Date: 2023
• [Funded Workshop] RIKEN symposium: Architecture and functions of biological assemblies (2023)