Genome regulation by phase-separated nuclear RNP bodies

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 19H05250
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 山崎 智弘 大阪大学, 生命機能研究科, 特任講師 (90732280)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 相分離 / NEAT1 / パラスペックル / ゲノム制御 / RNA / lncRNA / ブロック共重合体 / ミセル化 / 核内構造体 / 長鎖ノンコーディングRNA / RNA結合タンパク質 / ソフトマター物理学 / 癌 / 長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA） / 高次ゲノム構造 / 遺伝子発現

Outline of Research at the Start

長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）のうち一群のものは、核内で相分離構造体の誘導に必須の役割を持つ。lncRNAはゲノムの特定の位置で転写され、その場で機能分子として機能するため、ゲノム位置を規定する制御因子として重要な役割を担うと考えられる。しかし、このようなRNAにより誘導される相分離構造体を介した遺伝子発現や３次元ゲノム動態の制御機構は明らかになっていない。そこで、本研究ではNEAT1 lncRNAにより誘導される核内相分離RNP構造体パラスペックルをモデルにそのメカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

哺乳類のゲノムから産生される多数の長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）にうち、一群のものは、核内で相分離構造体の必須の骨格としての役割を担う。lncRNAはゲノムの特定の位置で転写され、その場で機能分子として作用するため、ゲノム位置を規定する因子として適しており、ゲノム構造の制御因子として必須の役割を持つと考えられる。しかし、このようなRNAにより誘導される相分離構造体を介した遺伝子発現や３次元ゲノム動態の制御機構は明らかになっていない。そこで、本研究では、NEAT1 lncRNAにより誘導される核内相分離RNP構造体パラスペックルをモデルとして、その機構の解明を目的とした。今年度は、RNAがRNAポリメラーゼにより転写された際に形成される相分離機構を、ソフトマター物理学の理論を用いて、理論的な枠組みを構築した結果を論文として発表した（Yamamoto et al., Soft Matter 2020）。これにより、転写ダイナミクスとRNAにより誘導される相分離構造体形成を理解するための重要な理論的基盤が形成できた。さらに、パラスペックルの構築原理からその機能を理解するため、物理理論と実験を用いた解析を行い、パラスペックルが高分子化学のブロック共重合体のミセルとして構築されることを明らかにした（Yamazaki et al., EMBO J 2021 in press, Yamamoto et al., bioRxiv 2020）。これにより、パラスペックルの数、大きさ、形態がどのように制御されているかを理解することに繋がり、機能を理解する上で重要な知見が得られた。さらに、RNAータンパク質複合体がブロック共重合体として機能するという新たなコンセプトを提唱した。

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] CNRS(フランス)
• [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] CRISPR-mediated mutagenesis of long noncoding RNAs (2021)
  • Author(s): Yamazaki T., Hirose T.
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2254 Pages: 283-303
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1158-6_18
  • ISBN: 9781071611579, 9781071611586
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase separation driven by production of architectural RNA transcripts. (2020)
  • Author(s): Tetsuya Yamamoto, Tomohiro Yamazaki, Tetsuro Hirose
  • Journal Title: Soft matter Volume: 16 Issue: 19 Pages: 4692-4698
  • DOI: 10.1039/c9sm02458a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detailed analyses of the crucial functions of Zn transporter proteins in alkaline phosphatase activation (2020)
  • Author(s): Suzuki Eisuke、Ogawa Namino、Takeda Taka-aki、Nishito Yukina、Tanaka Yu-ki、Fujiwara Takashi、Matsunaga Mayu、Ueda Sachiko、Kubo Naoya、Tsuji Tokuji、Fukunaka Ayako、Yamazaki Tomohiro、Taylor Kathryn M.、Ogra Yasumitsu、Kambe Taiho
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Issue: 17 Pages: 5669-5684
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.012610
  • NAID: 120006850466
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Architectural RNAs for Membraneless Nuclear Body Formation (2020)
  • Author(s): Yamazaki T., Nakagawa S., Hirose T.
  • Journal Title: Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology Volume: LXXXIV Pages: 1-11
  • DOI: 10.1101/sqb.2019.84.039404
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] URH49 exports mRNA by remodeling complex formation and mediating the NXF1-dependent pathway. (2020)
  • Author(s): Ken-Ichi Fujita, Tomohiro Yamazaki, Kotaro Harada, Shigeto Seno, Hideo Matsuda, Seiji Masuda
  • Journal Title: Biochimica et biophysica acta. Gene regulatory mechanisms Volume: 1863 Pages: 194480-194480
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cross-Regulation between TDP-43 and Paraspeckles Promotes Pluripotency-Differentiation Transition (2019)
  • Author(s): Modic Miha、Grosch Markus、Rot Gregor、Schirge Silvia、Lepko Tjasa、Yamazaki Tomohiro（中略）Hirose Tetsuro（20名中18番目）、Ule Jernej、Drukker Micha
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 74 Issue: 5 Pages: 951-965
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2019.03.041
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular anatomy of the architectural NEAT1 noncoding RNA: The domains, interactors, and biogenesis pathway required to build phase-separated nuclear paraspeckles (2019)
  • Author(s): Hirose T., Yamazaki T., Nakagawa S.
  • Journal Title: WIREs RNA Volume: 10 Issue: 6
  • DOI: 10.1002/wrna.1545
  • NAID: 120006941691
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Paraspeckles: RNA-scaffolding microphase-separated condensates (2020)
  • Author(s): 山崎智弘
  • Organizer: MBSJ2020
• [Presentation] Design principles of arhitectural RNAs for phase-separated paraspeckle nuclear bodies (2019)
  • Author(s): 山崎智弘
  • Organizer: Tokyo RNA Club, The 26th meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 相分離構造体パラスペックルの性状・機能を規定するNEAT1 lncRNAモジュール (2019)
  • Author(s): 山崎智弘、高桑央、Sylvie Souquere、小松リチャード馨、吉野彪羅、Archa H. Fox、Charles S. Bond、中川真一、齊藤博英、Gerard Pierron、廣瀬哲郎
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 相分離構造体パラスペックルの性状・機能を規定するNEAT1 lncRNAモジュール (2019)
  • Author(s): 山崎智弘、高桑央、Sylvie Souquere、小松リチャード馨、吉野彪羅、Archa H. Fox、Charles S. Bond、中川真一、齊藤博英、Gerard Pierron、廣瀬哲郎
  • Organizer: 第５回北海道大学部局横断シンポジウム
• [Presentation] 相分離構造体パラスペックルの性状・機能を規定するNEAT1 lncRNAモジュール (2019)
  • Author(s): 山崎智弘、高桑央、Sylvie Souquere、小松リチャード馨、吉野彪羅、Archa H. Fox、Charles S. Bond、中川真一、齊藤博英、Gerard Pierron、廣瀬哲郎
  • Organizer: RNAフロンティアミーティング2019
• [Presentation] 核内相分離構造体パラスペックルの生物物理的性質を規定するNEAT1 lncRNAのRNPモジュール (2019)
  • Author(s): 山崎 智弘、高桑 央、Sylvie Souquere、吉野 彪羅、Archa H. Fox、Charles S. Bond、中川 真一、Gerard Pierron、廣瀬 哲郎
  • Organizer: 日本RNA学会2019
• [Presentation] Formation and function of RNA-induced phase-separated nuclear bodies (2019)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki, Sylvie Souquere, Hiro Takakuwa, Hyura Yoshino, Archa H. Fox, Charles S. Bond, Shinichi Nakagawa, Gerard Pierron, Tetsuro Hirose
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
• [Presentation] Hidden codes of NEAT1 lncRNA for biophysical properties of phase-separated paraspeckles (2019)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki, Sylvie Souquere, Hiro Takakuwa, Hyura Yoshino, Archa H. Fox, Charles S. Bond, Shinichi Nakagawa, Gerard Pierron, Tetsuro Hirose
  • Organizer: RNA2019
• [Book] 相分離生物学の全貌 (2020)
  • Author(s): 山崎 智弘, 廣瀬 哲郎(担当:分担執筆, 範囲:核内の相分離)
  • Total Pages: 402
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [Book] 実験医学「細胞内の相分離ータンパク質や核酸分子を整理し、反応の場を作り、生命を駆動するー」 (2019)
  • Author(s): 加藤昌人、田中肇、加藤昌人、吉澤拓也、杉本亜砂子、高桑央，山崎智弘，廣瀬哲郎、野澤竜介、鈴木洋、小池佑佳，石原智彦，小野寺理
  • Total Pages: 145
  • Publisher: 羊土社
• [Book] 医学のあゆみ「マイクロRNA研究の進歩」（このうち「lncRNAの機能と関連疾患」を執筆） (2019)
  • Author(s): 山崎智弘、廣瀬哲郎
  • Total Pages: 120
  • Publisher: 医歯薬出版
• [Remarks] Hirose Lab (RNA生体機能研究室)
  • URL: http://hirose-lab.com/