Analysis of chromatin structural change leading to experience-dependent neuronal plasticity

• Project/Area Number: 18J40121
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Neurophysiology / General neuroscience
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 酒井 晶子 新潟大学, 医歯学系, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: コヒーシン / 抑制性ニューロン / クロマチン / ATAC-seq / PV細胞 / 臨界期 / 神経回路可塑性 / ChIP-seq / コルネリア・デ・ランゲ症候群

Outline of Annual Research Achievements

こどもの脳の正常な発達には、経験により神経回路の可塑性が高まる「臨界期」が重要である。臨界期は遺伝子発現の変化を伴うが、その基盤となる細胞種特異的なクロマチン動態は、複雑なネットワークから成る生後の脳の解析の難しさからほとんど分かっていない。とりわけ、経験により発達して臨界期を開始させる抑制性ニューロン（パルブアルブミン陽性PV細胞）は、神経回路発達および精神疾患における重要性が示唆されながら、脳内の細胞数の少なさから遺伝子発現制御の研究が遅れている。本研究では、マウス大脳皮質からPV細胞を分取する系を確立し、発達段階を追ったPV細胞特異的な遺伝子発現解析を行うことで、臨界期にかけてPV細胞の発達を促す遺伝子群を同定してきた。また、遺伝子制御領域間の相互作用を司り発現制御に関わるコヒーシンに着目し、コヒーシン関連因子NipblのコンディショナルノックアウトマウスではPV細胞の成熟に必要な遺伝子発現変化に異常があることを見出した。本年度はさらに遺伝子制御領域の情報を得るために、PV細胞特異的なATAC-seq解析を行い、PV細胞で臨界期に見られるオープンクロマチン領域の形成にNipblが関与することを明らかにした。また、経験によりPV細胞を発達させる転写因子Otx2の臨界期におけるゲノム結合領域の多くが、PV細胞のオープンクロマチン領域と重なっていた。これらの結果から、経験によるPV細胞の発達には、Otx2およびコヒーシンを介したクロマチン構造の制御が必要であると考えられる。さらに本年度、少数の細胞からクロマチン因子のゲノムワイド解析を行えるCUT&Tag法を導入・確立した。今後、臨界期に特異的なエンハンサー等の制御領域、およびその制御におけるコヒーシンの役割の解析を進め、これまで分かっていなかったPV細胞の発達や精神疾患に関わる遺伝子発現制御機構を明らかにしていく。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Newcastle University(英国)
• [Int'l Joint Research] Newcastle University(英国)
• [Journal Article] Experience-dependent transcriptional regulation in juvenile brain development (2018)
  • Author(s): Sakai Akiko、Sugiyama Sayaka
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 60 Issue: 8 Pages: 473-482
  • DOI: 10.1111/dgd.12571
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 生後脳の経験依存的な抑制性ニューロン発達におけるコヒーシンローダーの役割 (2021)
  • Author(s): 酒井 晶子、中戸 隆一郎、Heiko Peters、白髭 克彦、杉山 清佳
  • Organizer: 第38回染色体ワークショプ・第19回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] コヒーシンローダーNipblは幼若脳の経験依存的な抑制性ニューロン発達に必要である (2021)
  • Author(s): 酒井 晶子、中戸 隆一郎、Heiko Peters、白髭 克彦、杉山 清佳
  • Organizer: 第14回日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] 経験が脳を発達させる仕組み - 遺伝子発現制御の観点から- (2021)
  • Author(s): 酒井 晶子
  • Organizer: 東京大学定量生命科学研究所 マルチNGSオミクス解析研究会
  • Invited
• [Presentation] Role of cohesin loader in experience-dependent development of interneuron in juvenile brain (2020)
  • Author(s): Sakai, A., Nakato, R., Peters. H., Shirahige, K., Sugiyama, S.
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] 幼若脳の経験依存的な抑制性介在ニューロン発達におけるコヒーシンローダーの役割 (2020)
  • Author(s): 酒井 晶子、中戸 隆一郎、Heiko Peters、白髭 克彦、杉山 清佳
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Regulation of chromatin structure by cohesin during juvenile cortical development (2019)
  • Author(s): Akiko Sakai, Ryuichiro Nakato, Heiko Peters, Katsuhiko Shirahige, Sayaka Sugiyama
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会・第62回日本神経化学会大会
• [Presentation] 生後脳の経験依存的なニューロン発達へのコヒーシンの関与 (2019)
  • Author(s): 酒井晶子、中戸隆一郎、白髭克彦、杉山清佳
  • Organizer: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
• [Presentation] Regulation of transcription and chromatin structure in postnatal cortical development (2019)
  • Author(s): Sakai, A.
  • Organizer: The 9th BRI International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 経験による脳の発達に必須な抑制性介在ニューロンにおける転写制御 (2018)
  • Author(s): 酒井 晶子・中戸 隆一郎・凌 一葦・侯 旭濱・飯島 友也・原 範和・桑野 良三・奥田 修二郎・白髭 克彦・杉山 清佳
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会