高深度解析を可能とする単一細胞空間オミクス技術の開発

• Project Area: Transomic Analysis of Metabolic Adaptation
• Project/Area Number: 20H04846
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 大川 恭行 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (80448430)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: クロマチン / トランスクリプトミクス / 組織解析

Outline of Research at the Start

本研究では、組織内の細胞の位置情報を保持した状態での1 細胞解像度の空間オミクス技術の開発を行う。単一細胞レベルでのトランスクリプトーム解析法の確立を行い、続いてプロテオーム等の他のオームの同時解析技術を樹立させる。まず組織切片上の細胞に空間情報を識別する固有のバーコードを付加する。その後、細胞内のトランスクリプトーム、プロテオーム等の情報を人工的なRNA に転換する。そのうえで空間バーコードとRNA に置換された細胞内情報を次世代シークエンサー(NGS)の1 回のRNAseq 解析で網羅的に解析することにより、空間・位置情報に紐づけされた単一細胞レベルの、高深度オミクス解析技術の開発を進める。

Outline of Annual Research Achievements

単一細胞オミクス技術は、トランスクリプトーム解析において、様々なデバイスや手法が開発され生体内の細胞を網羅的に解析する道を拓いた。単一細胞トランスクリプトーム解析の実現により、生体内情報である、ゲノム、エピゲノムからメタボロームに至るあらゆる細胞内の情報を1 細胞レベルで高深度に解析することを目標に多くの技術開発が進められている。一方で、過去1－2 年で、爆発的な進化を遂げているのは、これら“オーム”情報に組織や器官内の空間的位置情報を付加する空間オミクス技術である。現在開発されている技術の多くは、組織切片を用いたものであるが、単一細胞レベルでの網羅性に乏しく実用性に欠けている。そこで、本研究では、組織内の細胞の位置情報を保持した状態での1 細胞解像度の空間オミクス技術の開発を行った。まず空間情報を含めた単一細胞レベルでのトランスクリトーム解析法の確立を行い、続いてプロテオーム等の他のオームの同時解析技術を樹立させることを目指している。本技術開発では、組織切片上の細胞に空間情報を識別する固有のバーコードを付加した。その後、細胞内のトランスクリプトーム、プロテオーム等の情報を人工的なRNA に転換した。そのうえで空間バーコードとRNA に置換された細胞内情報を次世代シークエンサー(NGS)の1 回のRNAseq 解析で網羅的に解析することにより、空間・位置情報に紐づけされた単一細胞レベルの、高深度オミクス解析技術の開発を進めた。一方で、これら手法は細胞内で空間バーコードを読み取る必要があり、顕微鏡の撮像スピードが技術限界となる。そこで、今年度は網羅的なデータ取得が可能となるデバイス開発に取り組み達成した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Uhrf1 governs the proliferation and differentiation of muscle satellite cells. (2022)
  • Author(s): Sakai H, Sawada Y, Tokunaga N, Tanaka K, Nakagawa S, Sakakibara I, Ono Y, Fukada SI, Ohkawa Y, Kikugawa T, Saika T, Imai Y.
  • Journal Title: iScience. Volume: 25 Issue: 3 Pages: 103928-103928
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103928
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Uterus-specific transcriptional regulation underlies eggshell pigment production in Japanese quail. (2022)
  • Author(s): Ishishita S, Kitahara S, Takahashi M, Iwasaki S, Tatsumoto S, Hara I, Kaneko Y, Kinoshita K, Yamaguchi K, Harada A, Ohmori Y, Ohkawa Y, Go Y, Shigenobu S, Matsuda Y, Suzuki T.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct Conversion of Human Endothelial Cells Into Liver Cancer-Forming Cells Using Nonintegrative Episomal Vectors. (2022)
  • Author(s): Goya T, Horisawa K, Udono M, Ohkawa Y, Ogawa Y, Sekiya S, Suzuki A.
  • Journal Title: Hepatol Commun. Volume: - Issue: 7 Pages: 1725-1740
  • DOI: 10.1002/hep4.1911
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Live imaging of transcription sites using an elongating RNA polymerase II-specific probe. (2022)
  • Author(s): Uchino S, Ito Y, Sato Y, Handa T, Ohkawa Y, Tokunaga M, Kimura H.
  • Journal Title: J Cell Biol. Volume: 221 Issue: 2 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1083/jcb.202104134
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unusual nucleosome formation and transcriptome influence by the histone H3mm18 variant (2021)
  • Author(s): Hirai Seiya、Tomimatsu Kosuke、Miyawaki-Kuwakado Atsuko、Takizawa Yoshimasa、Komatsu Tetsuro、Tachibana Taro、Fukushima Yutaro、Takeda Yasuko、Negishi Lumi、Kujirai Tomoya、Koyama Masako、Ohkawa Yasuyuki、Kurumizaka Hitoshi
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 50 Issue: 1 Pages: 72-91
  • DOI: 10.1093/nar/gkab1137
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Relayed signaling between mesenchymal progenitors and muscle stem cells ensures adaptive stem cell response to increased mechanical load. (2021)
  • Author(s): Kaneshige A, Kaji T, Zhang L, Saito H, Nakamura A, Kurosawa T, Ikemoto-Uezumi M, Tsujikawa K, Seno S, Hori M, Saito Y, Matozaki T, Maehara K, Ohkawa Y, Potente M, Watanabe S, Braun T, Uezumi A, Fukada SI.
  • Journal Title: Cell Stem Cell. Volume: 29 Issue: 2 Pages: 265-280
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.11.003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent advances in single-cell epigenomics. (2021)
  • Author(s): Harada A, Kimura H, Ohkawa Y.
  • Journal Title: Curr Opin Struct Biol. Volume: 71 Pages: 116-122
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-throughput single-cell epigenomic profiling by targeted insertion of promoters (TIP-seq). (2021)
  • Author(s): Bartlett DA, Dileep V, Handa T, Ohkawa Y, Kimura H, Henikoff S, Gilbert DM.
  • Journal Title: J Cell Biol. Volume: 220 Issue: 12
  • DOI: 10.1083/jcb.202103078
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chromatin loading of MCM hexamers is associated with di-/tri-methylation of histone H4K20 toward S phase entry. (2021)
  • Author(s): Hayashi-Takanaka Y, Hayashi Y, Hirano Y, Miyawaki-Kuwakado A, Ohkawa Y, Obuse C, Kimura H, Haraguchi T, Hiraoka Y.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 49 Issue: 21 Pages: 12152-12166
  • DOI: 10.1093/nar/gkab1068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Discriminative feature of cells characterizes cell populations of interest by a small subset of genes. (2021)
  • Author(s): Fujii T, Maehara K, Fujita M, Ohkawa Y.
  • Journal Title: PLoS Comput Biol. Volume: 17 Issue: 11 Pages: e1009579-e1009579
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009579
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sex differences in metabolic pathways are regulated by Pfkfb3 and Pdk4 expression in rodent muscle. (2021)
  • Author(s): Christianto A, Baba T, Takahashi F, Inui K, Inoue M, Suyama M, Ono Y, Ohkawa Y, Morohashi KI.
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1264-1264
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02790-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neural stem/precursor cells dynamically change their epigenetic landscape to differentially respond to BMP signaling for fate switching during brain development. (2021)
  • Author(s): Katada S, Takouda J, Nakagawa T, Honda M, Igarashi K, Imamura T, Ohkawa Y, Sato S, Kurumizaka H, Nakashima K.
  • Journal Title: Genes Dev. Volume: 35 Pages: 1431-1444
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modeling population size independent tissue epigenomes by ChIL-seq with single thin sections. (2021)
  • Author(s): Maehara K, Tomimatsu K, Harada A, Tanaka K, Sato S, Fukuoka M, Okada S, Handa T, Kurumizaka H, Saitoh N, Kimura H, Ohkawa Y.
  • Journal Title: Mol Syst Biol. Volume: 17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genome-wide analysis of chromatin structure changes upon MyoD binding in proliferative myoblasts during the cell cycle (2021)
  • Author(s): Wu Qianmei、Fujii Takeru、Harada Akihito、Tomimatsu Kosuke、Miyawaki-Kuwakado Atsuko、Fujita Masatoshi、Maehara Kazumitsu、Ohkawa Yasuyuki
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: - Issue: 6 Pages: 653-661
  • DOI: 10.1093/jb/mvab001
  • NAID: 40022687719
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integrated Analysis of Transcriptome and Histone Modifications in Granulosa Cells During Ovulation in Female Mice (2021)
  • Author(s): Shirafuta Yuichiro、Tamura Isao、Ohkawa Yasuyuki、Maekawa Ryo、Doi-Tanaka Yumiko、Takagi Haruka、Mihara Yumiko、Shinagawa Masahiro、Taketani Toshiaki、Sato Shun、Tamura Hiroshi、Sugino Norihiro
  • Journal Title: Endocrinology Volume: 162 Issue: 9 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1210/endocr/bqab128
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An extensive and dynamic trans-omic network illustrating prominent regulatory mechanisms in response to insulin in the liver. (2021)
  • Author(s): Matsuzaki F, Uda S, Yamauchi Y, Matsumoto M, Soga T, Maehara K, Ohkawa Y, Nakayama KI, Kuroda S, Kubota H.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 36 Pages: 109569-109569
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Targeted inhibition of EPAS1-driven IL-31 production by a small-molecule compound. (2021)
  • Author(s): Kamikaseda Y, Uruno T, Kunimura K, Harada A, Saiki K, Oisaki K, Sakata D, Nakahara T, Kido-Nakahara M, Kanai M, Nakamura S, Ohkawa Y, Furue M, Fukui Y.
  • Journal Title: J Allergy Clin Immunol. Volume: 148 Issue: 2 Pages: 633-638
  • DOI: 10.1016/j.jaci.2021.03.029
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-depth spatial transcriptome analysis by photo-isolation chemistry. (2021)
  • Author(s): Honda M, Oki S, Kimura R, Harada A, Maehara K, Tanaka K, Meno C, Ohkawa Y.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4416-4416
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24691-8
  • NAID: 120007141968
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcriptome analysis of gene expression changes upon enzymatic dissociation in skeletal myoblasts. (2021)
  • Author(s): Miyawaki-Kuwakado A, Wu Q, Harada A, Tomimatsu K, Fujii T, Maehara K, Ohkawa Y.
  • Journal Title: Genes Cells. Volume: 26 Issue: 7 Pages: 530-540
  • DOI: 10.1111/gtc.12870
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hoxa10 mediates positional memory to govern stem cell function in adult skeletal muscle. (2021)
  • Author(s): Yoshioka K, Nagahisa H, Miura F, Araki H, Kamei Y, Kitajima Y, Seko D, Nogami J, Tsuchiya Y, Okazaki N, Yonekura A, Ohba S, Sumita Y, Chiba K, Ito K, Asahina I, Ogawa Y, Ito T, Ohkawa Y, Ono Y.
  • Journal Title: Sci Adv. Volume: 7 Issue: 24
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd7924
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Totipotency of mouse zygotes extends to single blastomeres of embryos at the four-cell stage. (2021)
  • Author(s): Maemura M, Taketsuru H, Nakajima Y, Shao R, Kakihara A, Nogami J, Ohkawa Y, Tsukada YI.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 11 Issue: 1 Pages: 11167-11167
  • DOI: 10.1038/s41598-021-90653-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chromatin structure-dependent histone incorporation revealed by a genome-wide deposition assay (2021)
  • Author(s): Hiroaki Tachiwana, Mariko Dacher, Kazumitsu Maehara, Akihito Harada, Yosuke Seto, Ryohei Katayama, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura, Hitoshi Kurumizaka, Noriko Saitoh
  • Journal Title: eLife Volume: 10
  • DOI: 10.7554/elife.66290
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcription factor C/EBPβ induces genome-wide H3K27ac and upregulates gene expression during decidualization of human endometrial stromal cells (2021)
  • Author(s): Tamura Isao、Maekawa Ryo、Jozaki Kosuke、Ohkawa Yasuyuki、Takagi Haruka、Doi-Tanaka Yumiko、Shirafuta Yuichiro、Mihara Yumiko、Taketani Toshiaki、Sato Shun、Tamura Hiroshi、Sugino Norihiro
  • Journal Title: Molecular and Cellular Endocrinology Volume: 520 Pages: 111085-111085
  • DOI: 10.1016/j.mce.2020.111085
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Subnuclear gene positioning through lamina association affects copper tolerance (2020)
  • Author(s): Sakamoto Yuki、Sato Mayuko、Sato Yoshikatsu、Harada Akihito、Suzuki Takamasa、Goto Chieko、Tamura Kentaro、Toyooka Kiminori、Kimura Hiroshi、Ohkawa Yasuyuki、Hara-Nishimura Ikuko、Takagi Shingo、Matsunaga Sachihiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5914-5914
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19621-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct reprogramming of human umbilical vein- and peripheral blood-derived endothelial cells into hepatic progenitor. (2020)
  • Author(s): Hiroki Inada, Miyako Udono , Kanae Matsuda-Ito, Kenichi Horisawa, Yasuyuki Ohkawa, Shizuka Miura, Takeshi Goya, Junpei Yamamoto, Masao Nagasaki, Kazuko Ueno, Daisuke Saitou, Mikita Suyama, Yoshihiko Maehara, Wataru Kumamaru, Yoshihiro Ogawa, Sayaka Sekiya, Atsushi Suzuki.
  • Journal Title: cellsNat Commun. Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5292-5292
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19041-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The role of galanin in the differentiation of mucosal mast cells in mice. (2020)
  • Author(s): Yamaguchi T., Ikeda Y., Tashiro K., Ohkawa Y., Kawabata K.
  • Journal Title: Eur. J. Immunol. Volume: 50 Issue: 1 Pages: 110-118
  • DOI: 10.1002/eji.201848061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TKIs induce alternative spliced BCR-ABLIns35bp variant via inhibition of RNA polymerase Ⅱ on genomic BCR-ABL. (2020)
  • Author(s): Yuda J, Odawara J, Minami M, Muta T, Kohno K, Tanimoto K, Eto T, Shima T, Kikushige Y, Kato K, Takenaka K, Iwasaki H, Minami Y, Ohkawa Y, Akashi K, Miyamoto T.
  • Journal Title: Cancer Sci Volume: 111 Issue: 7 Pages: 2361-2373
  • DOI: 10.1111/cas.14424
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Dynamics of Transcriptional Activation by Hepatic Reprogramming Factors. (2020)
  • Author(s): Kenichi Horisawa, Miyako Udono, Kazuko Ueno, Yasuyuki Ohkawa, Masao Nagasaki, Sayaka Sekiya, Atsushi Suzuki Chromatin integration labeling for mapping DNA-binding proteins and modifications with low input.
  • Journal Title: Mol Cell. Volume: S1097-2765 Issue: 4 Pages: 30502-30505
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2020.07.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting in mouse embryonic stem cells (2020)
  • Author(s): Ochiai Hiroshi、Hayashi Tetsutaro、Umeda Mana、Yoshimura Mika、Harada Akihito、Shimizu Yukiko、Nakano Kenta、Saitoh Noriko、Liu Zhe、Yamamoto Takashi、Okamura Tadashi、Ohkawa Yasuyuki、Kimura Hiroshi、Nikaido Itoshi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 25
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz6699
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chromatin integration labeling for mapping DNA-binding proteins and modifications with low input. (2020)
  • Author(s): Tetsuya Handa, Akihito Harada, Kazumitsu Maehara, Shoko Sato, Masaru Nakao, Naoki Goto, Hitoshi Kurumizaka, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura.
  • Journal Title: Nat Protoc. Volume: 15 Issue: 10 Pages: 3334-3360
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0375-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genomic Profiling by ALaP-Seq Reveals Transcriptional Regulation by PML Bodies through DNMT3A Exclusion (2020)
  • Author(s): Kurihara Misuzu、Kato Kagayaki、Sanbo Chiaki、Shigenobu Shuji、Ohkawa Yasuyuki、Fuchigami Takeshi、Miyanari Yusuke
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 78 Issue: 3 Pages: 493-505
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2020.04.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 骨格筋再性能を制御するクロマチン構造等その破綻 (2021)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 空間マルチオミクスの展開～エピゲノム, トランスクリプトームからプロテオームの空間計測の試み～ (2021)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: がん研セミナー
  • Invited
• [Presentation] Identification and Analysis of Minor Histone Variants (2021)
  • Author(s): Yasuyuki Ohkawa
  • Organizer: EMBO Workshop Physiology and function of histone variants
• [Presentation] 骨格筋特異的なヒストンが構成するクロマチン構造の解明. (2021)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第8回骨格筋生物学会
• [Presentation] 単一細胞マルチオミクスに向けたクロマチン挿入標識法の開発. (2020)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第19回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] Chromatin integration labeling Technology for expanding multi-omics. (2020)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 理研エピゲノム操作プロジェクトセミナー
  • Invited
• [Presentation] トランスクリプトミクスによる骨格筋細胞分化能の解明. (2020)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第19回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] クロマチンダイナミクスの理解に向けた同時マルチオミクスの開発. (2020)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] クロマチンダイナミクスの理解に向けた同時マルチオミクスの開発. (2020)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 『配偶子インテグリティの構築』『全能性プログラム』合同公開シンポジウム
• [Book] Journal of Japanese Biochemical Society (2021)
  • Author(s): 原田 哲仁，大川 恭行
  • Publisher: 日本生化学会
• [Book] 実験医学2021年9月号 (2021)
  • Author(s): 沖 真弥、大川 恭行
  • Total Pages: 131
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758125475
• [Book] 遺伝子医学MOOK36 (2021)
  • Author(s): 富松航佑, 大川 恭行
  • Total Pages: 218
  • Publisher: 株式会社メディカルドゥ
• [Book] 1細胞エピゲノム解析技術開発の最前線 (2021)
  • Author(s): 大川 恭行,原田 哲仁,前原 一満
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 医歯薬出版株式会社 週刊医学のあゆみ
• [Book] scRNA-seqを用いた細胞系譜の軌跡推定-データの背後の流れを読み取る技術-. (2020)
  • Author(s): 前原一満, 大川恭行
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 羊土社 実験医学 増刊
• [Book] 骨格筋研究のための最先端解析技術. (2020)
  • Author(s): 原田 哲仁，大川 恭行
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 羊土社 実験医学
• [Book] シングルセルでのエピゲノム情報の計測技術. (2020)
  • Author(s): 原田 哲仁，大川 恭行
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 羊土社 実験医学
• [Book] 空間オミクス実現に向けたエピゲノム解析技術. (2020)
  • Author(s): 小松 哲郎，大川 恭行
  • Total Pages: 4
  • Publisher: ニューサイエンス社 月刊細胞
• [Remarks] 九州大学 トランスクリプトミクス分野ホームページ
  • URL: https://tx.bioreg.kyushu-u.ac.jp/