Functional analysis of the Trap Clone Accumulated Area (TCAA).

• Project/Area Number: 21K05999
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 42040:Laboratory animal science-related
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 荒木 正健 熊本大学, 生命資源研究・支援センター, 准教授 (80271609)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉信 公美子 熊本大学, 生命資源研究・支援センター, 助教 (20274730) ; 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): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 遺伝子トラップ / 胚性幹細胞 / Oct4 / ATAC-Seq / マウス

Outline of Research at the Start

我々は、遺伝子は無いのに遺伝子トラップクローンが集積している領域を発見した。少なくともマウスES細胞においてアクティブな領域と考えられる。この様な領域をTCAA (Trap Clone Accumulated Area)と呼ぶことにする。
ゲノム情報が乏しいY染色体以外の全ての染色体を探索し、1,108個のTCAAを同定した。また、一部の染色体について解析した結果、TCAAがマウスES細胞においてクロマチン構造をオープンにしその領域を活性化させ、多能性維持に関与していることが示唆された。
そこでマウスゲノム全体について解析し、ノックアウトマウスの解析も行い、TCAAの生理機能を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

我々は、遺伝子トラップクローン（TC）の解析を行う際に、遺伝子は無いのにTCが集積している領域を発見した。この様な領域をTCAA (Trap Clone Accumulated Area)と呼ぶことにする。
2021年度までに、情報量の少ないY染色体を除いた残りのすべての染色体についてTCAAの探索を行い、1104個のTCAAを同定した。平均すると、1 Mbpあたり0.41個のTCAAが存在することになる。TCAAが一番多かったのは11番染色体（102個）で、その頻度は1 Mbpあたり0.84個であった。
次にTCAAの機能を推定するために、マウスES細胞で得られたRNA-Seq, ATAC-Seq, Oct4-ChIP-SeqのデータをUCSC Genome Browser (mm9)に登録し、領域内のシグナルの最大値を記録した。その際対照群として、遺伝子もTCも無い領域（C1&11）、既知遺伝子を含む領域（G1&11）、ES細胞の多能性維持に関与していると考えられている遺伝子を含む領域（GP）についても併せて解析した。その結果、TCAAは、染色体全体において、有意に発現していること、クロマチンがオープンになっていること、及びES細胞の多能性維持に重要な転写因子であるOct4が、G1&11よりも有意に多く、GPと同程度に結合していることが分かった。
さらにゲノムブラウザで公開されているエピゲノム情報（H3K4me1, H3K4me3, H3K9me3, H3K36me3, H3K27ac）を解析し、エンハンサー活性とリンクしているH3K4me1及びH3K27acについて、TCAAはC1&11だけでなくG1&11よりも有意に高く、GPと同程度のシグナルを示していることが分かった。
これらの事実から、TCAAはES細胞の多能性維持に関与していることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2022年度は、マウスChr.1-19 & Chr.XについてH3K4me1, H3K4me3, H3K9me3の解析を行った。その際対照群として、遺伝子もTCも無い領域（C1&11）、既知遺伝子を含む領域（G1&11）、ES細胞の多能性維持に関与していると考えられている遺伝子を含む領域（GP）についても併せて解析した。その結果、TCAAはG1&11と同等なプロモーター活性を有し、G1&11よりも有意に高く、GPと同等なエンハンサー活性を持つと推定された。
次に、Chr.1とChr.11のTCAAについてH3K4me1, H3K4me3, H3K36me3, H3K27acの解析を行った。その結果、エンハンサー活性とリンクしているH3K4me1とH3K27acについてTCAA1&11はG1&11よりも有意に高く、GPと同程度のシグナルを示した。また、２種類のES細胞株（E14 & Bruce4）について、同じ結果が得られた。
さらに、ES-Bruce4, MEF, Whole Brain (E14.5), Testis, Kidney (8w), LungについてH3K4me1を解析したところ、TCAA1&11がG1&11よりも有意に高く、GPと同等なシグナルを示したのはES-Bruce4だけであった。
最後に、2013年のCellに報告されたES細胞におけるSuper-Enhancer (SE)の位置とTCAAの関係を調べたところ、231個のSEのうち、120個（51.９％）がTCAAとオーバーラップしていた。逆に、1104個のTCAAのうち、117個（10.6%）がSEとオーバーラップしていた。さらに、TCAA1&11の中で、SEとオーバーラップしている22個と、SEと無関係な148個を比べたところ、ES-Bruce4におけるH3K4me1に関して有意差はなかった。

Strategy for Future Research Activity

TCAAとSuper-Enhancer (SE)の関係について、より詳しい解析を行う。具体的には、すべての染色体について、SEとオーバーラップするTCAAと、SEと無関係なTCAAを比較する。また、ES細胞以外の細胞におけるSEとの関係も調べる。
さらに、プレリミナリーな解析で興味深い結果を得ている主成分分析（PCA）を利用して、1104個のTCAAの機能的な分類を試みる。特徴的なTCAAを選んで、ノックアウトマウスを作製し、その表現型を解析する。
得られた新しい知見を論文にまとめて報告する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Oxford Biomedica (UK) Ltd.(英国)
• [Journal Article] A gain‐of‐function mutation in microRNA-142 is sufficient to cause the development of T‐cell leukemia in mice. (2023)
  • Author(s): Kawano Shingo、Araki Kimi、Bai Jie、Furukawa Imari、Tateishi Keigo、Yoshinobu Kumiko、Usuki Shingo、Nimmo Rachael A.、Kaname Tadashi、Yoshihara Masaharu、Takahashi Satoru、Sashida Goro、Araki Masatake
  • Journal Title: Cancer Science Volume: - Issue: 7 Pages: 2821-2834
  • DOI: 10.1111/cas.15794
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EPLINβ Is Involved in the Assembly of Cadherin-catenin Complexes in Osteoblasts and Affects Bone Formation (2022)
  • Author(s): Miyazaki Shihoko、Funamoto Taro、Sekimoto Tomohisa、Kurogi Syuji、Ohta Tomomi、Nagai Takuya、Tajima Takuya、Imasaka Mai、Yoshinobu Kumiko、Araki Kimi、Araki Masatake、Choijookhuu Narantsog、Hishikawa Yoshitaka、Chosa Etsuo
  • Journal Title: ACTA HISTOCHEMICA ET CYTOCHEMICA Volume: 55 Issue: 3 Pages: 99-110
  • DOI: 10.1267/ahc.22-00027
  • ISSN: 0044-5991, 1347-5800
  • Year and Date: 2022-06-29
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SARS-CoV-2 Omicron BA.2.75 Variant May Be Much More Infective than Preexisting Variants Based on In Silico Model. (2022)
  • Author(s): Sugano Aki、Takaoka Yutaka、Kataguchi Haruyuki、Ohta Mika、Kimura Shigemi、Araki Masatake、Morinaga Yoshitomo、Yamamoto Yoshihiro
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 10 Issue: 10 Pages: 2090-2090
  • DOI: 10.3390/microorganisms10102090
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] LincRNA‐p21 exon 1 expression correlates with Cdkn1a expression in vivo (2021)
  • Author(s): Furuhata, R., Imasaka, M., Sugimoto, M., Yoshinobu, K., Araki, M., Araki, K.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 27 Issue: 1 Pages: 14-24
  • DOI: 10.1111/gtc.12906
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene trapping reveals a new transcriptionally active genome element: The chromosome‐specific clustered trap region (2021)
  • Author(s): Takeda Iyo、Araki Masatake、Ishiguro Kei‐ichiro、Ohga Toshinori、Takada Kouki、Yamaguchi Yusuke、Hashimoto Koichi、Kai Takuma、Nakagata Naomi、Imasaka Mai、Yoshinobu Kumiko、Araki Kimi
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 26 Issue: 11 Pages: 874-890
  • DOI: 10.1111/gtc.12890
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] MicroRNA-142 Critically Regulates Group 2 Innate Lymphoid Cell Homeostasis and Function (2021)
  • Author(s): Roberts Luke B.、Jowett Geraldine M.、Read Emily、Zabinski Tomas、Berkachy Rita、Selkirk Murray E.、Jackson Ian、Niazi Umar、Anandagoda Nelomi、Araki Masatake、Araki Kimi、Kasturiarachchi Jagath、James Chela、Enver Tariq、Nimmo Rachael、Reis Rita、Howard Jane K.、Neves Joana F.、Lord Graham M.
  • Journal Title: The Journal of Immunology Volume: 206 Issue: 11 Pages: 2725-2739
  • DOI: 10.4049/jimmunol.2000647
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tamoxifen feeding method is suitable for efficient conditional knockout (2021)
  • Author(s): Yoshinobu Kumiko、Araki Masatake、Morita Ayaka、Araki Miyuki、Kokuba Shun、Nakagata Naomi、Araki Kimi
  • Journal Title: Experimental Animals Volume: 70 Issue: 1 Pages: 91-100
  • DOI: 10.1538/expanim.19-0138
  • NAID: 130007981756
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mir142 loss unlocks IDH2 R140-dependent leukemogenesis through antagonistic regulation of HOX genes (2021)
  • Author(s): Marshall, A., Kasturiarachchi, J., Datta, P., Guo, Y., Deltcheva, E., James, C., Brown, J., May, G., Anandagoda, N., Jackson, I., Howard, J-K., Ghazaly, E., Brooks, S., Khwaja, A., Araki, M., Araki, K., Linch, D., Lord, G-M., Enver, T., Nimmo, L.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 11 Issue: 1 Pages: 6974-6974
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76218-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Trap clone accumulated area (TCAA) may be involved in the maintenance of pluripotency of mouse ES cells. (2023)
  • Author(s): Masatake Araki, Keika Saitou, Runa Ikeda, Kumiko Yoshinobu, Mariko Yamane, Hitoshi Niwa, Kimi Araki
  • Organizer: 36th International Mammalian Genome Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dysregulation of the autoregulatory enhancer region cause ectopic expression of Ptf1a in Danforth's short tail (Sd) mice. (2023)
  • Author(s): Midori Tokuyasu, Airi Hirayama, Takumi Yonemori, Michihiko Sugimoto, Masatake Araki, Kimi Araki
  • Organizer: 36th International Mammalian Genome Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mice overexpressing the Tp53cor1 (lincRNA-p21) gene at the endogenous locus develop diabetes. (2023)
  • Author(s): Mai Imasaka, Masatake Araki, Kimi Araki, Masaki Ohmuraya
  • Organizer: 36th International Mammalian Genome Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] microRNA-142の機能獲得型変異による白血病発症メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 河野慎吾、荒木正健、荒木喜美、指田吾郎
  • Organizer: 第81回日本癌学会学術総会
• [Presentation] 潜性（劣性）遺伝形式で多血症の症状を示す自然発生突然変異マウス『pocy』の解析 (2022)
  • Author(s): 北元優梨、増田好美、古閑成美、吉信公美子、中潟直己、鳥越大輔、中村直子、柳久美子、要匡、高岡裕、荒木喜美、荒木正健
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] KRAB-ZFPsクラスターはマウス亜種間ハイブリッドES細胞の樹立効率と転移因子発現に影響する (2022)
  • Author(s): 平山愛理、徳安碧、吉信公美子、荒木正健、荒木喜美
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] マウスゲノムの転写活性領域CSCTの機能解析 (2022)
  • Author(s): 吉信公美子、川下真奈、瓜生怜華、平山愛理、野田大地、荒木正健、荒木喜美
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] マウスゲノムにおいて外来遺伝子発現に適した新たなSafe Harborの探索と痴漢システムの構築 (2022)
  • Author(s): 徳安碧、古畑理樹、吉信公美子、荒木正健、荒木喜美
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] マウスゲノムにおいて遺伝子は無いのに遺伝子トラップクローンが集積している領域（TCAA）の機能解析 (2022)
  • Author(s): 荒木正健、池田琉那、齋藤桂花、久場兼裕、北元優梨、吉信公美子、山根万里子、丹羽仁史、荒木喜美
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] グルタル酸血症２型のモデルマウス作製及び病態解析 (2022)
  • Author(s): 大平恵里花、上戸佳那、吉信公美子、尾池雄一、松本志郎、中村公俊、荒木喜美、荒木正健
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] miR-142の機能獲得型変異による白血病発症メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 河野慎吾、白潔、指田吾郎、古河いまり、吉信公美子、北元優梨、高橋智、要匡、荒木喜美、荒木正健
  • Organizer: 第69回日本実験動物学会総会
• [Presentation] 成長ホルモン分泌不全症Ⅱ型(IGHD2)モデルマウスの作製と病態解析 (2022)
  • Author(s): 荒木喜美、島田颯、川下真奈、荒木正健、芝田晋介、有安大典
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 自然発生突然変異マウス『pocy』の多血機序の解析 (2022)
  • Author(s): 北元優梨, 増田好美, 古閑成美, 吉信公美子, 中潟直己, 鳥越大輔, 中村直子, 柳久美子, 要匡, 髙岡裕, 荒木喜美, 荒木正健
  • Organizer: 2021年度先端モデル動物支援プラットフォーム成果発表会
• [Presentation] 潜性（劣性）遺伝形式を示す自然発生多血症モデルマウス『pocy』の解析 (2021)
  • Author(s): 北元優梨, 増田好美, 古閑成美, 吉信公美子, 中潟直己, 鳥越大輔, 中村直子, 柳久美子, 要匡, 髙岡裕, 荒木喜美, 荒木正健
  • Organizer: 日本遺伝学会第93回大会
• [Presentation] LincRNA-p21 遺伝子領域における転写は隣接するCdkn1a の転写活性化に重要であ る (2021)
  • Author(s): 古畑理樹, 今坂舞, 荒木正健, 吉信公美子, 荒木喜美
  • Organizer: 日本遺伝学会第93回大会
• [Presentation] Trap Clone Accumulated Area（TCAA）は胚性幹細胞の多能性維持に関与している可能性がある (2021)
  • Author(s): 荒木正健, 齋藤桂花, 昇地高雅, 久場兼裕, 吉信公美子, 山根万里子, 丹羽仁史, 荒木喜美
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウスゲノム領域"CSCT"の特徴 (2021)
  • Author(s): 吉信公美子, 川下真奈, 荒木喜美, 荒木正健
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 潜性（劣性）遺伝形式を示す自然発生多血症モデルマウス『pocy』の解析 (2021)
  • Author(s): 増田好美, 北元優梨, 吉信公美子, 中潟直己, 鳥越大輔, 中村直子, 柳久美子, 要匡, 荒木喜美, 荒木正健
  • Organizer: 日本ゲノム編集学会第６回大会
• [Presentation] ゲノム編集を用いた2-3MbにもわたるKRAB-ZNFクラスター領域の欠損アレルの作製 (2021)
  • Author(s): 荒木喜美, 吉信公美子, 荒木正健
  • Organizer: 日本ゲノム編集学会第６回大会
• [Remarks] Database for the Exchangeable Gene Trap Clones
  • URL: http://egtc.jp