Biophysics of higher-order molecular genome structure

• Project/Area Number: 20H00460
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 谷口 雄一 京都大学, 高等研究院, 教授 (90556276)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大野 雅恵 京都大学, 高等研究院, 特定講師 (10581738) ; 金 水縁 京都大学, 高等研究院, 特定講師 (50758886)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥44,590,000 (Direct Cost: ¥34,300,000、Indirect Cost: ¥10,290,000); Fiscal Year 2024: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2023: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2021: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: ゲノム / ヌクレオソーム / 次世代シーケンシング / 分子動力学計算 / 物理モデル / 次世代シーケンス

Outline of Research at the Start

生命は、ゲノムにコードされた遺伝情報に従って、様々な遺伝子を適切な量とタイミング
で発現することにより、分化を初めとする生命機能を実現しています。本研究では、申請者らが最近開発した技術により解析できるゲノムの分子構造を軸に、物理学の観点からゲノムの働きを理解することを目指します。遺伝子の発現を支配する法則性・論理を見出すことにより、分化などの細胞状態を自在に制御する方法論の創出への貢献が期待できます。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は前年度に引き続き、現在出芽酵母ゲノムに限定されているHi-CO法の測定対象を、ヒトゲノムに拡張するための技術の開発を主に進めた。
Hi-CO法では、ゲノム内の近接した領域を、DNAアダプターを介して連結させて、それを次世代シーケンサーで解析することで、3次元構造に関する情報を取得する。従来のHi-CO法では、アダプター内に25塩基対離れたゲノム領域を切り出す制限酵素（EcoP15I）の認識部位を挿入し、ゲノムの連結後に切り出しを行うことで、一定サイズのDNA連結産物が得られるようにしていたが、このプロセスを挟むことで多くのDNA産物が失われてしまっていた。そこで私たちは、切り出しを行わずに、連結が行われた２つのヌクレオソームのゲノムDNA（約200塩基対×2）の全長を解析できるようにアダプターの変更を行った。その結果、連結DNA産物の収量を従来の数倍程度増やすことに成功した。
開発した方法を用いて、ヒト肺がん細胞A549のヌクレオソーム分解能のゲノム構造を解析することに成功した。連結が起こったゲノム座標ペア間の距離の頻度を解析したところ、180、360、540塩基対でピークが見られ、ヌクレオソーム間における連結が解析できていることが確認できた。
さらに私たちは、得られた実験データを分析するコンピュータ解析法の開発を行った。従来行ってきた出芽酵母の約200倍のサイズのヒトゲノムの解析を行うにあたって、ヌクレオソーム間の近接情報をリスト化したバイナリファイル形式の定義を行うなど、分析処理の高速化を行った。加えて、３次元モデリングを行うための分子動力学計算プログラムの開発を進めた。FORTRAN言語を用いて単位ヌクレオソーム構造の定義を行うのと共に、システム温度を低下させながら各ヌクレオソームの最適な位置を導くアルゴリズムの改良を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Hi-CO法のヒト細胞での解析は本年度において行う予定であったが、早い時期にほぼ達成し、データ分析法の開発を進める段階まで研究が発展しているため。

Strategy for Future Research Activity

研究計画は現在のところ順調に進捗しており、今後も申請時の研究計画の流れに沿って研究を進めていく予定である。次年度においては、開発に成功したヒトゲノムの３次元構造解析技術を基に、様々な生理条件や遺伝子変異体を用いた解析を進めていくことを計画している。加えて、複雑かつ膨大なゲノム構造データの解析を行うため、実験データのビューアーの開発、ヌクレオソーム分解能の各種エピゲノム情報の収集と分析、クラスタリング法や機械学習を用いたヌクレオソーム配列構造の分析法の開発を進行させる。

Research Products

• [Journal Article] Recent methodological advances towards single-cell proteomics (2023)
  • Author(s): KIM Sooyeon、KAMARULZAMAN Latiefa、TANIGUCHI Yuichi
  • Journal Title: Proceedings of the Japan Academy, Series B Volume: 99 Issue: 8 Pages: 306-327
  • DOI: 10.2183/pjab.99.021
  • ISSN: 0386-2208, 1349-2896
  • Year and Date: 2023-10-11
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-Molecule Detection in the Study of Gene Expression (2022)
  • Author(s): Kumar, V., Leclerc, S., Taniguchi, Y.
  • Journal Title: Single-Molecule Science: From Super-Resolution Microscopy to DNA Mapping and Diagnostics Volume: - Pages: 127-141
  • DOI: 10.1017/9781108525909.015
  • ISBN: 9781108525909, 9781108423366, 9781108437479
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hi-CO: 3D genome structure analysis with nucleosome resolution (2021)
  • Author(s): Ohno Masae、Ando Tadashi、Priest David G.、Taniguchi Yuichi
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 16 Issue: 7 Pages: 3439-3469
  • DOI: 10.1038/s41596-021-00543-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] iNucs: inter-nucleosome interactions (2021)
  • Author(s): Oveisi Mehrdad、Shukla Manu、Seymen Nogayhan、Ohno Masae、Taniguchi Yuichi、Nahata Sunil、Loos Remco、Mufti Ghulam J、Allshire Robin C、Dimitrov Stefan、Karimi Mohammad M
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 37 Issue: 23 Pages: 4562-4563
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btab698
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子解像度での生命理解に向けて (2023)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 第7回IPRフロンティアセミナー
  • Invited
• [Presentation] Unravelling genome structure at the nucleosome level with Hi-CO (2023)
  • Author(s): 大野雅恵
  • Organizer: 第３回 Hi-C研究会
  • Invited
• [Presentation] Ultrasensitive bioanalyses via 3D single-molecule imaging (2023)
  • Author(s): Sooyeon Kim
  • Organizer: iCeMS & NCKU Biliteral symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 一分子電気泳動法の開発と展開 (2023)
  • Author(s): 金 水縁、Latiefa Kamarulzaman、谷口 雄一
  • Organizer: 第45回日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 一分子蛍光電気泳動の開発とその応用 (2023)
  • Author(s): 金 水縁、Latiefa Kamarulzaman、谷口 雄一
  • Organizer: 第23回日本光生物学会協会年会
• [Presentation] ヌクレオソーム分解能での ゲノムの３次元構造解析 (2023)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 第2回Philosophy研究会
  • Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2023)
  • Author(s): Taniguchi, Y
  • Organizer: 16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrasensitive bioanalyses based on single-molecule microscopic imaging (2023)
  • Author(s): Sooyeon Kim
  • Organizer: 25th iCeMS International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: 15th Asia-Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] １分子イメージング法を利用した超高感度生化学分析法の開発 (2022)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 学術変革領域研究(B)「機能性ラマンプローブによる革新的多重イメージング」オンラインセミナー
• [Presentation] シングルセルにおける遺伝子発現ダイナミクスの定量化 (2022)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 第9回日本リウマチ学会ベーシックリサーチカンファレンス
  • Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: HUST lecture, Huazhong University of Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3D molecular structure analysis of the genome by coupling next-generation DNA sequencing and molecular dynamics simulation (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: Huazhong University of Science and Technology Lecture
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y
  • Organizer: 2nd WPI NanoLSI-iCeMS Joint Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子解像度での生命理解に向けて (2022)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 東大物性研ワークショップ：開放系トポロジーと生体・量子・統計物理
  • Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2022)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: 2nd WPI NanoLSI-iCeMS Joint Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] １分子検出に基づく次世代型生化学分析法の開発 (2021)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: ARO協議会第8回学術集会
  • Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y
  • Organizer: CMUH-iCeMS Joint Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the yeast genome (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference: Yeast and life science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] １分子感度の生化学分析技術の開発 (2021)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: AMED難治性疾患実用化研究事業2020年度成果報告会
  • Invited
• [Presentation] １分子感度での生化学分析 (2021)
  • Author(s): 谷口雄一
  • Organizer: 第75回日本口腔科学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Molecular-resolved biology for understanding complex Biosystems (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y
  • Organizer: iCeMS-MacDiarmid Institute Online Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the genome (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: CMUH-iCeMS Joint Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nucleosome-level 3D organization of the yeast genome (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference: Yeast and life science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular-resolved biology for understanding complex Biosystems (2021)
  • Author(s): Taniguchi, Y.
  • Organizer: iCeMS-MacDiarmid Institute Online Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited