Elucidation of the factors controlling genome modality in the determination of inactive X chromosome

• Project Area: Genome modality: understanding physical properties of the genome
• Project/Area Number: 21H05753
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 落合 博 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (60640753)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: ライブイメージング / X染色体不活性化 / 転写 / 高次ゲノム構造 / X染色体 / CRISPR

Outline of Research at the Start

メスの哺乳類細胞では、発生初期に2本のX染色体のうちの1本がランダムに不活性化されるが、不活性化X染色体決定機構は明らかになっていない。本研究では、X染色体不活性化を誘導できるメスマウス胚性幹(ES)細胞を用いて、高次ゲノム構造等のDNAの構造的側面と転写などのDNAの情報的側面を経時的に定量し、不活性化X染色体決定制御機構の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

メスの哺乳類細胞では、発生初期に2本のX染色体のうちの1本がランダムに不活性化される。XistおよびTsixと呼ばれる長鎖非コードRNAは、マウスにおけるランダムX染色体不活性化において中心的役割を果たす。XistとTsixはそれぞれ不活性化または活性化X染色体上に強く発現し、相互抑制の結果、不活性化X染色体が決定される。この過程にはX染色体のペアリングや高次ゲノム構造形成が関与することが示唆されているが、Xist/Tsixの発現優位性を含む不活性化X染色体決定機構は明らかになっていない。本研究では、分化誘導過程でX染色体不活性化を誘導できるメスマウス胚性幹(ES)細胞を用い、Tsix/Xistの転写活性とゲノム領域のライブイメージングを行うことで、X染色体ペアリングや高次ゲノム構造等のDNAの構造的及び物理的側面と転写などのDNAの情報的側面を経時的に定量し、不活性化X染色体決定におけるゲノムモダリティ制御要因の解明を目指した。
まず、Tsix/Xistの転写活性とゲノム領域のライブイメージングが可能な細胞を樹立した。本細胞株は、Xist/Tsix領域に転写可視化用のMS2およびPP7リピートに加えて、DNAローカス可視化用にTetOリピート配列が両対立的に挿入されたメスES細胞株XTMPである。本細胞株にTetR-GFP、MCP-RFP、PCP-HaloTagを発現することで、それぞれがDNA領域、Xistの転写、Tisxの転写を示すことを確認し、XTMP2とした。本細胞株を分化誘導し、経時的にXistおよびTsixの転写活性化状態を可視化した。未分化状態で両対立的に発現しているTsixの転写は次第に減少し、Xistの転写が分化に伴って上昇することがわかった。また、多くの細胞が一過的に両対立的に転写することがわかった。

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

• [Int'l Joint Research] Memorial Sloan Kettering Cancer Center(米国)
• [Journal Article] Facilitating genome function understanding using genome editing dependent bioimaging techniques (2023)
  • Author(s): Ochiai Hiroshi
  • Journal Title: Gene and Genome Editing Volume: 5 Pages: 100022-100022
  • DOI: 10.1016/j.ggedit.2022.100022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] STREAMING-tag system reveals spatiotemporal relationships between transcriptional regulatory factors and transcriptional activity (2022)
  • Author(s): Ohishi Hiroaki、Shimada Seiru、Uchino Satoshi、Li Jieru、Sato Yuko、Shintani Manabu、Owada Hitoshi、Ohkawa Yasuyuki、Pertsinidis Alexandros、Yamamoto Takashi、Kimura Hiroshi、Ochiai Hiroshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7672-7672
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35286-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STREAMING-Tag System: Technology to Enable Visualization of Transcriptional Activity and Subnuclear Localization of Specific Endogenous Genes (2022)
  • Author(s): Ohishi Hiroaki、Ochiai Hiroshi
  • Journal Title: Methods in molecular biology Volume: 2577 Pages: 103-122
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2724-2_8
  • ISBN: 9781071627235, 9781071627242
• [Journal Article] iPSC reprogramming-mediated aneuploidy correction in autosomal trisomy syndromes (2022)
  • Author(s): Akutsu Silvia Natsuko、Miyamoto Tatsuo、Oba Daiju、Tomioka Keita、Ochiai Hiroshi、Ohashi Hirofumi、Matsuura Shinya
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 3 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0264965
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ribosomal protein L5 facilitates rDNA-bundled condensate and nucleolar assembly (2022)
  • Author(s): Matsumori Haruka、Watanabe Kenji、Tachiwana Hiroaki、Fujita Tomoko、Ito Yuma、Tokunaga Makio、Sakata-Sogawa Kumiko、Osakada Hiroko、Haraguchi Tokuko、Awazu Akinori、Ochiai Hiroshi、Sakata Yuka、Ochiai Koji、Toki Tsutomu、Ito Etsuro、Goldberg Ilya G、Tokunaga Kazuaki、Nakao Mitsuyoshi、Saitoh Noriko
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 5 Issue: 7 Pages: 1-18
  • DOI: 10.26508/lsa.202101045
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STREAMING-tag system reveals spatiotemporal relationships between transcriptional regulatory factors and transcriptional activity (2022)
  • Author(s): Ohishi Hiroaki、Shimada Seiru、Uchino Satoshi、Li Jieru、Sato Yuko、Shintani Manabu、Owada Hitoshi、Ohkawa Yasuyuki、Pertsinidis Alexandros、Yamamoto Takashi、Kimura Hiroshi、Ochiai Hiroshi
  • Journal Title: bioRxiv Volume: －
  • DOI: 10.1101/2022.01.06.472721
  • Open Access
• [Presentation] Localization of transcriptional regulator condensates in transcriptional bursting revealed by STREAMING-tag system (2023)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: Cretan RNA Salon Seminar Series
  • Invited
• [Presentation] マウス多能性幹細胞における転写動態制御機構の解明 (2023)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 第4回ゲノム生物物理学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 超解像イメージングから解き明かす転写動態と転写制御因子クラスターの関係性 (2022)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 日本顕微鏡学会 第78回学術講演会
  • Invited
• [Presentation] イメージングによる転写動態制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 国立遺伝学研究所研究会「染色体安定維持研究会」
  • Invited
• [Presentation] 高次ゲノム構造と転写ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 一般財団法人 染色体学会 第73 回（2022 年度）年会
  • Invited
• [Presentation] 高次ゲノム構造と転写の動態 (2022)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 令和4年遺伝研究会 クロマチン・細胞核構造の動的変換とゲノム機能制御
  • Invited
• [Presentation] Revealing regulatory mechanisms of transcriptional dynamics by single-gene imaging system (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: Single Molecule & Chromatin meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単一遺伝子イメージングから解き明かす転写活性依存的な転写制御因子凝集体の形成 (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Transcriptional dynamics regulated by non-genomic codes (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: The 1st International Symposium on REPLICATION of NON GENOME
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 遺伝子発現動態の定量的理解 (2022)
  • Author(s): 落合 博
  • Organizer: 定量生物学の会 第十回年会
  • Invited
• [Presentation] STREAMING-tag system: A novel technology to analyze the spatiotemporal relationship between transcriptional regulators and transcriptional dynamics at the single gene level (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: The 30th Hot Spring Harbor International Symposium -Chromatin Potential in Development and Differentiation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting revealed by single cell analysis (2021)
  • Author(s): Hiroshi Ochiai
  • Organizer: The 2nd ASHBi SignAC Workshop, Integrating Single-cell Analysis and Mathematics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Single-gene imaging reveals the relationship between the transcriptional activity of single genes and the formation of transcriptional regulatory factor clusters (2021)
  • Author(s): Hiroaki Ohishi, Seiru Shimada, Satoshi Uchino, Li Jieru, Yuko Sato, Alexandros Pertsinidis, Takashi Yamamoto, Hiroshi Kimura, Hiroshi Ochiai.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting, Mechanisms of Eukaryotic Transcription
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 九州大学 生体防御医学研究所 遺伝子発現動態学分野
  • URL: https://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/ged/
• [Remarks] 落合 博 (HIROSHI OCHIAI) -マイポータル - researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/HiroshiOchiai/
• [Remarks] 広島大学・統合生命。分子遺伝・落合グループ
  • URL: https://home.hiroshima-u.ac.jp/ochiai/