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 / ノンコーディングRNA / ノックアウトマウス / 天然変性領域 / 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

Neat1のノックアウト（KO）マウスを用いて、その表現型解析を行った。本研究では、Neat1が形成するパラスペックルがストレス環境下で機能を発揮するという作業仮説のもと、KOマウスを高脂肪食、飢餓、高グルコース負荷、低温などの条件に曝露した。その結果、低温環境下においてNeat1 KOマウスのみが死亡することが明らかとなった。これを契機に、寒冷刺激で誘導される発熱細胞「ベージュ細胞」を先駆的に同定した北海道大学の岡松博士と共同研究を開始し、Neat1 KOマウスではベージュ細胞の分化が著しく阻害されることを見出した。寒冷刺激下ではNeat1の発現が一過的に上昇し、それに伴いパラスペックルが肥大化した。さらに、ベージュ細胞分化に関わる遺伝子の誘導がNeat1 KOマウスでは起こらず、これらの遺伝子座が寒冷刺激に応じてパラスペックルに接近することも判明した。これらの結果から、Neat1はパラスペックル形成を介して染色体構造を変化させ、低温時の遺伝子発現制御に寄与している可能性が示唆された。また、泊との共同研究により、非ドメイン型タンパク質の変異マウスで複数の胎生致死表現型を新たに同定し、その一つがスプライシング補助因子として機能することが明らかとなった。さらに、非ドメイン型RNAの変異体を新たに2系統作製し現在表現型解析を進めている。加えて、核内構造体カハールボディの機能解明を目的に、coilinタンパク質を欠損させたマウスを作製した。質量分析によりsnRNAの修飾の低下を確認したが、遺伝子発現やスプライシングへの影響は最小限だった。一方で、精巣では従来報告されていたサイズ低下に加え、高品質精子の割合低下が見られた。さらに、精子形成期の核ポケットにおいて、CBとは異なる新たなcoilin含有凝集体も同定され、coilinが複数の非膜オルガネラ形成に関与する可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本領域におけるこれまでの研究は、当初の予想を上回る成果を上げており、非ドメイン型RNAおよび非ドメイン型タンパク質の機能解明において重要な進展が見られている。とくに、複数の非ドメイン型RNAおよびタンパク質の変異体において明確な表現型が観察され、これまで「構造を持たないため機能がない」と見なされがちであった分子の生理的重要性を裏付ける結果が得られている。中でも、スプライシング制御に関与する新規の非ドメインタンパク質は、既知のスプライシング因子とは異なる独自の分子機構で機能しており、RNAプロセシング研究に新たな視点を提供している。また、Cajal bodyを形成することで知られるcoilinタンパク質が、精巣においてCajal bodyとは異なる新たな非膜オルガネラを形成していることを発見した点も特筆に値する。これは、細胞内区画形成におけるcoilinの多機能性を示す画期的な成果である。さらに、Neat1ノックアウトマウスが低温環境で特異的に死亡するという表現型に基づき、Neat1が寒冷刺激時の脂肪細胞分化を制御する新たな役割を担うことを示した論文は大きな反響を呼び、RNA誌の2024年度ジャーナルプライズにも選出された。

Strategy for Future Research Activity

今後は、引き続き非ドメイン型RNAおよび非ドメイン型タンパク質の変異体に対する表現型解析を精力的に進める予定である。特に、非ドメイン型タンパク質の一部がスプライシング制御に関与することが明らかになってきており、これらの分子機構をより詳細に解明するため、スプライシング依存的に蛍光発現が変化するレポーター遺伝子を新たに作製し、領域内のスプライシング研究者との連携により、定量的かつ可視化可能な解析系を構築する。非ドメインRNAに関しては、まず4.5S RNAIの変異体解析を進める。本RNAは重要なRNA制御に関わることが示唆されており、ノックアウトによって胎生致死が生じる可能性があるため、ES細胞レベルでの初期発生評価、それらの細胞を用いたRNAシークエンシング解析など、段階的なアプローチで機能解析を行う。加えて、非ドメインRNAが多数存在するクラスター領域を一括して欠失したlarge deletionマウスについては、ゲノム編集により導入された欠失領域がゲノムの他部位へ再挿入されていることが明らかとなっている。このため、再挿入を除去した純粋な欠失アレルを得るためにバッククロスを複数世代行い、目的のアレルのみを保持するマウス系統を確立する。確立後は、他の変異体と同様に、詳細な組織観察、生化学的解析、トランスクリプトーム解析などの標準的な表現型解析を行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Texas/Texas A&M University(米国)
• [Journal Article] The essential role of architectural noncoding RNA Neat1 in cold-induced beige adipocyte differentiation in mice (2024)
  • Author(s): Toya Hikaru、Okamatsu-Ogura Yuko、Yokoi Saori、Kurihara Misuzu、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Hirose Tetsuro、Nakagawa Shinichi
  • Journal Title: RNA Volume: 30 Issue: 8 Pages: 1011-1024
  • DOI: 10.1261/rna.079972.124
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dissecting the role of SMN multimerization in its dissociation from the Cajal body using harmine as a tool compound (2024)
  • Author(s): Ohazama Saki、Fujimoto Akiko、Konda Daisuke、Yokoyama Ryota、Nakagawa Shinichi、Maita Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 137 Issue: 18
  • DOI: 10.1242/jcs.261834
  • Peer Reviewed
• [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] Long non-coding RNA Malat1 fine-tunes bone homeostasis and repair by orchestrating cellular crosstalk and β-catenin-OPG/Jagged1 pathway (2024)
  • Author(s): Qin Yongli、Shirakawa Jumpei、Xu Cheng、Chen Ruge、Yang Xu、Ng Courtney、Nakano Shinichi、Elguindy Mahmoud、Deng Zhonghao、Prasanth Kannanganattu V、Eissmann Moritz F、Nakagawa Shinichi、Ricci William M、Zhao Baohong
  • Journal Title: eLife Volume: 13
  • DOI: 10.7554/elife.98900
  • Peer Reviewed / 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] Regulation of pre-mRNA splicing by super disordered proteins (2024)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: EMBL Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Natural Therapeutic Noncoding RNA 4.5SH Targeting and Skipping Toxic Econs (2024)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exon skipping therapy using a novel chimeric RNA fused with 4.5SH. (2024)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: Annual Meeting of Asian and Oceanian Myology Center | Annual Meeting of Japan Muscle Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current insights into the physiological functions of paraspeckles and Cajal bodies in mice. (2024)
  • Author(s): Shinichi Nakagawa
  • Organizer: Paraspeckle meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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)