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Principles of genome dynamics and DNA functions

Research Project

Project/Area Number 22H00406
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

笹井 理生  京都大学, 福井謙一記念研究センター, 研究員 (30178628)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 千見寺 浄慈  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10420366)
寺田 智樹  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20420367)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥40,950,000 (Direct Cost: ¥31,500,000、Indirect Cost: ¥9,450,000)
Fiscal Year 2025: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Keywordsゲノム立体構造 / 相分離 / クロマチンドメイン
Outline of Research at the Start

ゲノムは多階層の空間スケールに渡って組織されており、柔らかく大きく揺らいでいて、その解明には新しい方法と概念が必要とされている。本研究では、クロマチン局所物性に基づいてゲノム全体をシミュレートする動力学計算モデルを開発し、実験グループとの協力により、ゲノム動態の分子的・物理的原理を明らかにするとともに、ゲノム動態が転写制御、DNA複製に与える効果を分析し、ゲノムがダイナミックに揺らいで細胞を制御する仕組みを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ゲノムは細胞内で高度に凝集しているが、その一方でDNA情報の効率的な転写、複製、修復を可能にしている。ゲノムの高度な凝集と優れた情報処理は如何に両立しているのだろうか?その原理を理解することは重要な課題であるが、ゲノムはクロマチン鎖のループ、クロマチンドメイン、A/Bコンパートメント、染色体テリトリーなど、多階層の空間スケールに渡って組織されており、柔らかく大きく揺らいでいて、その解明には新しい方法と概念が必要とされている。本研究では、クロマチン局所物性に基づいてゲノム全体をシミュレートする多階層ゲノム動力学モデルを開発し、クロマチン運動を測定する実験グループとの協力によりゲノム動態の原理を明らかにする。ゲノム動態が転写制御に与える影響、およびDNA複製タイミングを決める機構を分析して、ゲノムがダイナミックに揺らいで細胞を制御する仕組みを明らかにする。
そのため本研究では、次の4つの研究課題を実行する。課題1(クロマチン相分離の原理)、課題2(異常細胞からゲノム構築原理を探る)、課題3(ゲノム動態と転写制御)、課題4(ゲノム動態と複製タイミング制御)。本年度はこのうち課題1と課題3を中心に研究を行い、課題2,課題4への準備を行った。
今年度は前年度までに開発したクロマチン計算モデルをさらに発展させ、転写活性の違いがドメイン物性の違いに反映される機構を解析した。コヒーシンの多様な運動がドメイン物性についての実験データを合理的に説明することを示し、ゲノム動態とDNA機能を結びつける新しい仮説を検討した。クロマチン局所物性とゲノム全体をつなぐ多階層ゲノム動力学モデルを整備し、プログラム公開の準備を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度は、課題1(クロマチン相分離の原理)と課題3(ゲノム動態と転写制御)についての研究を進展させた。この進展の途中において、コヒーシンの多様な運動が当初、予想していなかった機構によりドメイン物性を決める可能性が見出されたため、その機構を明らかにする課題に注力してデータ解析を行い、論文への公開の準備を行った。また、多階層ゲノム動力学モデルの方法論を改良して、プログラムコード公開の準備を行った。ドメイン物性とドメイン運動が、転写活性などのドメイン機能に大きく影響を与える様子を理論的に検討し、実験グループとの議論を通じて、ゲノム動態とDNA機能についての新しい描像を得つつある。

Strategy for Future Research Activity

今後は、2023年度に見出されたコヒーシンの多様な運動によるクロマチンドメイン物性の決定機構を詳しく分析し、ドメイン物性とDNA機能の関係を深く分析する。そうして得られた知識を、これまでに開発したゲノム立体構造計算モデルと総合し、多階層ゲノム動力学モデルの方法論を整備して、ゲノム構築原理を探る研究を展開する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 9 results)

  • [Int'l Joint Research] Zhejiang University of Technology(中国)

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  • [Int'l Joint Research] State University of New York(米国)

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    • Author(s)
      藤城新, 笹井理生
    • Journal Title

      Seibutsu Butsuri

      Volume: 64 Issue: 2 Pages: 78-84

    • DOI

      10.2142/biophys.64.78

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
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  • [Journal Article] Condensed but liquid-like domain organization of active chromatin regions in living human cells2023

    • Author(s)
      Nozaki Tadasu、Shinkai Soya、Ide Satoru、Higashi Koichi、Tamura Sachiko、Shimazoe Masa A.、Nakagawa Masaki、Suzuki Yutaka、Okada Yasushi、Sasai Masaki、Onami Shuichi、Kurokawa Ken、Iida Shiori、Maeshima Kazuhiro
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Issue: 14 Pages: 1-19

    • DOI

      10.1126/sciadv.adf1488

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  • [Journal Article] Generation of dynamic three-dimensional genome structure through phase separation of chromatin2022

    • Author(s)
      Shin Fujishiro and Masaki Sasai
    • Journal Title

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA

      Volume: 119

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    • Author(s)
      Nishina Takumi、Nakajima Megumi、Sasai Masaki、Chikenji George
    • Journal Title

      Molecules

      Volume: 27 Issue: 11 Pages: 3547-3547

    • DOI

      10.3390/molecules27113547

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Role of the reaction-structure coupling in temperature compensation of the KaiABC circadian rhythm2022

    • Author(s)
      Sasai Masaki
    • Journal Title

      PLOS Computational Biology

      Volume: 18 Issue: 9 Pages: e1010494-e1010494

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010494

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  • [Journal Article] Landscape-Based View on the Stepping Movement of Myosin VI2022

    • Author(s)
      Terada Tomoki P.、Nie Qing-Miao、Sasai Masaki
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Issue: 38 Pages: 7262-7270

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c03694

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      International Conference on Biological Physics 2023
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      Shin Fujishiro
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      Shin Fujishiro
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      第61回日本生物物理学会年会
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      Masaki Sasai
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  • [Presentation] Genome as a functionally designed mesoscopic soft-matter system2023

    • Author(s)
      Masaki Sasai
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      Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry (APATCC-10)
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      Shin Fujishiro
    • Organizer
      理研ミニシンポジウム「Genome building from TADs」
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    • Author(s)
      Masaki Sasai
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      The International Center for Theoretical Sciences Program, Statistical Biological Physics
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    • Author(s)
      Masaki Sasai
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    • Author(s)
      Shin Fujishiro
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
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    • Author(s)
      藤城 新
    • Organizer
      遺伝研ゲノムモデリング研究会
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    • Invited

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2025-04-17  

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