生体内ニューロン分化における高時間解像度・多階層クロマチンポテンシャルの解析

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 21H00242
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岸 雄介 東京大学, 定量生命科学研究所, 准教授 (00645236)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: ニューロン / クロマチン / 核 / 分化 / 大脳新皮質 / 神経幹細胞 / scATAC-seq

Outline of Research at the Start

発生過程において、幹細胞が機能細胞に分化する過程では、必要な遺伝子や不要な遺伝子のクロマチン構造が次々に変化し、その後の遺伝子発現を制御する。本研究では、生体内において神経幹細胞が成熟ニューロンに分化する過程で起こる様々なイベントについて、どのゲノム領域で形成されたクロマチンポテンシャルが、その後どのように遺伝子発現に影響し、最終的にニューロンの機能にどういった影響を与えるか、を明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、生体内ニューロンの発生過程の一つである神経活動依存的な分化における、クロマチン構造・核の形態変化に着目して研究を進めた。
ニューロン可塑性は、外界からの刺激に応じてその性質を変化させる能力のことであり、私たちが覚えたり忘れたりするときのベースとなるメカニズムである。興味深いことにこれまでの研究において、ニューロンが刺激に応じて遺伝子発現パターンを変化させるときに、核の形が大きく変形して陥入することが知られており、これが遺伝子発現の応答性に寄与することが示唆されていた。私たちは、生体内のニューロンにて生理的な刺激でも同じことが観察されるかを調べるために、視覚刺激に応答する視覚野ニューロンの核の形態をタイムラプスイメージングにて調べた。その結果、高い時間解像度で核の形態変化を捉えることができ、若齢ニューロンでは15-20分の間に核が陥入することがわかった。一方、老化に伴ってニューロン可塑性は低下するが、老齢ニューロンでは核の変形は観察されなかった。またこのとき、核のかたさを原子間力顕微鏡で調べたところ、老齢ニューロンの核は若齢ニューロンよりかたくなっていることがわかった。この結果から、核がかたくなることでフレキシブルに核が変形できなくなったことが、老化に伴う遺伝子発現応答性の低下、ひいてはニューロン可塑性の低下の原因である可能性が示唆された（Frey et al., bioRxiv, 2022）。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] UTX deficiency in neural stem/progenitor cells results in impaired neural development, fetal ventriculomegaly, and postnatal death (2022)
  • Author(s): Koizumi M, Eto H, Saeki M, Seki M, Fukushima T, Mukai S, Ide H, Sera Y, Iwasaki M, Suzuki Y, Tohei A, Kishi Y, Honda H.
  • Journal Title: FASEB journal Volume: 36(12) Issue: 12 Pages: 22662-22662
  • DOI: 10.1096/fj.202201002rr
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Age-associated reduction of nuclear shape dynamics in excitatory neurons of the visual cortex (2022)
  • Author(s): Tanita Frey, Tomonari Murakami, Koichiro Maki, Takumi Kawaue, Ayaka Sugai, Naotaka Nakazawa, Taiji Adachi, Mineko Kengaku, Kenichi Ohki, Yukiko Gotoh, Yusuke Kishi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 504704-504704
  • DOI: 10.1101/2022.08.22.504704
  • Open Access
• [Journal Article] Ezh1 regulates expression of <i>Cpg15/Neuritin</i> in mouse cortical neurons (2021)
  • Author(s): Shun Utsunomiya#, Yusuke Kishi#, Masafumi Tsuboi, Daichii Kawaguchi, Yukiko Gotoh, Manabu Abe, Kenji Sakimura, Kazuma Maeda, and Hiroshi Takemoto (#Equal contribution)
  • Journal Title: Drug Discoveries & Therapeutics Volume: 15 Issue: 2 Pages: 55-65
  • DOI: 10.5582/ddt.2021.01017
  • NAID: 130008037031
  • ISSN: 1881-7831, 1881-784X
  • Year and Date: 2021-04-30
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HMGB1-mediated chromatin remodeling attenuates Il24 gene expression for the protection from allergic contact dermatitis (2021)
  • Author(s): Senda N, Yanai H, Hibino S, Li L, Mizushima Y, Miyagaki T, Saeki M, Kishi Y, Hangai S, Nishio J, Sugaya M, Taniguchi T, Sato S
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 118 Issue: 1
  • DOI: 10.1073/pnas.2022343118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brain regionalization by Polycomb-group proteins and chromatin accessibility (2021)
  • Author(s): Hikaru Eto and Yusuke Kishi* (*Correspondence)
  • Journal Title: BioEssays Volume: 43 Issue: 11 Pages: 2100155-2100155
  • DOI: 10.1002/bies.202100155
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation of genetically manipulated neural progenitors and immature neurons from embryonic mouse neocortex by FACS (2021)
  • Author(s): Yusuke Kishi* and Yukiko Gotoh (*Correspondence)
  • Journal Title: STAR protocol Volume: 2 Issue: 2 Pages: 100540-100540
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.100540
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] FoxG1 regulates the formation of cortical GABAergic circuit during an early postnatal critical period resulting in autism spectrum disorder-like phenotypes (2021)
  • Author(s): Miyoshi Goichi、Ueta Yoshifumi、Natsubori Akiyo、Hiraga Kou、Osaki Hironobu、Yagasaki Yuki、Kishi Yusuke、Yanagawa Yuchio、Fishell Gord、Machold Robert P、Miyata Mariko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3773-3773
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23987-z
  • NAID: 120007125060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Preparation of optimized concanavalin A-conjugated Dynabeads magnetic beads for CUT&Tag (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Fujiwara, Yuji Tanno, Hiroki Sugishita, Yusuke Kishi, Yoshinori Makino, and Yuki Okada*
  • Journal Title: PLoS One Volume: 16 Issue: 11 Pages: e0259846-e0259846
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0259846
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In utero gene transfer system for embryos before neural tube closure reveals a role for Hmga2 in the onset of neurogenesis (2020)
  • Author(s): Naohiro Kuwayama, Yusuke Kishi*, Yurie Maeda, Yurie Nishiumi, Yutaka Suzuki, Haruhiko Koseki, Yusuke Hirabayashi, Yukiko Gotoh (*Correspondence)
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 086330-086330
  • DOI: 10.1101/2020.05.14.086330
  • Open Access
• [Presentation] The role of epigenome in neuronal aging (2023)
  • Author(s): Yusuke Kishi, Mai Saeki, Yukiko Gotoh
  • Organizer: The 16th Annual Meeting and Korea-Japan Joint Meeting for Developmental Neuroscientists
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of complex brain development by single-cell transcriptome profiling of ferret neural progenitors (2023)
  • Author(s): Merve Bilgic、Fumio Matsuzaki
  • Organizer: The 16th Annual Meeting and Korea-Japan Joint Meeting for Developmental Neuroscientists
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ニューロン老化におけるエピゲノムの役割の解明 (2022)
  • Author(s): 岸雄介、佐伯麻衣、Merve Bilgic、後藤由季子
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] ニューロン老化におけるエピゲノムの役割 (2022)
  • Author(s): 岸雄介、佐伯麻衣、Merve Bilgic、後藤由季子
  • Organizer: 新学術・学術変革領域合同若手の会
• [Presentation] ALTERATIONS IN TRANSCRIPTOME AND CHROMATIN ACCESSIBILITY OF NEURONAL SUBTYPES IN AGED HIPPOCAMPUS (2022)
  • Author(s): Merve Bilgic、後藤由季子、岸雄介
  • Organizer: 新学術・学術変革領域合同若手の会
• [Presentation] 老齢マイクログリアにおける転写プロファイルの不均一性の解析 (2022)
  • Author(s): 菅井彩香、Merve Bilgic、後藤由季子、岸雄介
  • Organizer: 新学術・学術変革領域合同若手の会
• [Presentation] Alterations in transcriptome and chromatin accessibility of neuronal subtypes in aged hippocampus (2022)
  • Author(s): Merve Bilgic、後藤由季子、岸雄介
  • Organizer: The Transcription, Chromatin, and Epigenetics in Aging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic changes in the chromatin and nuclear state during neuronal differentiation ニューロン分化過程におけるクロマチンと核の変化 (2022)
  • Author(s): 岸雄介、佐伯麻衣、後藤由季子
  • Organizer: 55th Annual Meeting of the Japanese Society of Developomental Biologists
  • Invited
• [Presentation] Nuclear morphology of cortical excitatory neurons is regulated by visual experience and aging (2022)
  • Author(s): Tanita M. Frey, Tomonari Murakami, Kenichi Ohki, Yukiko Gotoh, Yusuke Kishi
  • Organizer: Society for Neuroscience 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The role of PcG in regionalization of the mouse telencephalon (2022)
  • Author(s): Yusuke Kishi
  • Organizer: The International Symposium on Development and PLASTICITY of NEURAL
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ニューロンの発生・老化過程におけるクロマチン制御 (2022)
  • Author(s): 岸雄介
  • Organizer: 第４２１回発生研セミナー
  • Invited
• [Presentation] ニューロン分化過程におけるクロマチン構造変化 (2021)
  • Author(s): 岸雄介、坂井星辰、後藤由季子
  • Organizer: Neuro2021