空間マルチオミクスでアプローチする初期胚における細胞運命決定機序の理解

• Project Area: Program of totipotency: From decoding to designing
• Project/Area Number: 22H04676
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: 空間オミクス / エピゲノミクス / プロテオミクス / トランスクリプトミクス / クロマチン

Outline of Research at the Start

マウス着床前胚では、4細胞期の時点から個性が形成される一方で、全能性も有する可塑的な状態で存在している。この可塑的な状態は、細胞間相互作用や種々のシグナル伝達経路により制御されているが、その機序は未だ不明な点が多い。そこで本研究では、胚内部における細胞間相互作用および個々の細胞内で生じるシグナルの活性化を網羅的に解析すると同時に個々の細胞のクロマチン構造をゲノムワイドに解析を行うことで包括的な解明を試みる。空間上の細胞間相互作用に起因したクロマチン構造制御から遺伝子発現状態の変化を包括的に解析する。これにより、初期胚における細胞運命決定機序の理解を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

研究の目的：本研究では、胚盤胞における全細胞の複数のシグナル伝達経路を網羅的に定量測定し、全細胞間相互作用ならびに細胞内シグナル伝達の活性化状態を明らかにすることを目的とした。加えて、特定のシグナル活性化状態にある細胞のクロマチン構造を1 細胞レベルかつ70％以上のゲノムカバー率で解析し、特定シグナルネットワークあるいはシグナル間の干渉によるエピゲノム状態の成立機序を解明することとした。転写を制御するクロマチン構造状態（転写因子・クロマチン制御因子の結合、ヒストン修飾・バリアント置換、各活性化状態におけるRNApolymeraseIIのゲノム領域へのリクルート）と細胞型を解明するトランスクリプトームを同時に測定する技術ChILseq2.0 と組み合わせることで、胚盤胞における分化運命決定機序の包括的な解明を目指した。
R4年度の研究実施計画：細胞の位置と網羅的なシグナル伝達情報の解析を可能にするため、連続免疫染色法を新たに開発した。本手法は、薬剤で容易に開裂可能なリンカーを介して蛍光物質を付加した抗体を用いることで、標的タンパク質の染色後に薬剤で蛍光シグナルを消光するサイクルを繰り返す。最終的にはデバイス構築による全工程の自動化によるハイスループット化を行った。抗体で染色し消光する原理検証を終え、胚発生の解析に向けた実装を進めた。また、本開発と並行して単一細胞空間トランスクリプトーム技術としてSeqFISH+法を実装した。共同研究により技術移転した技術をベースとして、ヒト正常線維芽細胞で数種の遺伝子発現の検出を実証し、独自の技術を加えて差異らに改良を行った。本マウス胚解析に必要な遺伝子を標的とした独自プローブの開発と最適化を進め論文投稿準備中である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初予定に沿って、データ取得を進めており当初の計画通りに進展している。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に従って進めていく。

Research Products

• [Journal Article] Design and implementation of a hybrid cloud system for large-scale human genomic research. (2023)
  • Author(s): Masao Nagasaki, Yayoi Sekiya, Akihiro Asakura, Ryo Teraoka, Ryoko Otokozawa, Hiroki Hashimoto, Takahisa Kawaguchi, Keiichiro Fukazawa, Yuichi Inadomi, Ken T Murata, Yasuyuki Ohkawa, Izumi Yamaguchi, Takamichi Mizuhara, Katsushi Tokunaga, Yuji Sekiya, Toshihiro Hanawa, Ryo Yamada, Fumihiko Matsuda.
  • Journal Title: Hum Genome Var. Volume: 10 Issue: 1 Pages: 6-6
  • DOI: 10.1038/s41439-023-00231-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Senescence atlas reveals an aged-like inflamed niche that blunts muscle regeneration. (2023)
  • Author(s): Moiseeva V, Cisneros A, Sica V, Deryagin O, Lai Y, Jung S, Andres E, An J, Segales J, Ortet L, Lukesova V, Volpe G, Benguria A, Dopazo A, Benitah SA, Urano Y, Del Sol A, Esteban MA, Ohkawa Y, Serrano AL, Perdiguero E, Munoz-Canoves P.
  • Journal Title: Nature Volume: 613 Issue: 7942 Pages: 169-178
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05535-x
  • 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: 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] Prostaglandin E2 receptor Ptger4b regulates female-specific peptidergic neurons and female sexual receptivity in medaka (2022)
  • Author(s): Fleming Thomas、Kikuchi Yukiko、Nakajo Mikoto、Tachizawa Masaya、Inazumi Tomoaki、Tsuchiya Soken、Sugimoto Yukihiko、Saito Daisuke、Suyama Mikita、Ohkawa Yasuyuki、Baba Takashi、Morohashi Ken-ichirou、Okubo Kataaki
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1215-1215
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04195-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Drosophila transcription factor NF-Y suppresses transcription of the lipase 4 gene, a key gene for lipid storage. (2022)
  • Author(s): Yasuhide Yoshioka, Keisuke Anzai, Ryosuke Kowada, Ken Hiratsuka, Teppei Hirayabu, Masashi Yasuda, Yasuyuki Ohkawa, Tetsuya Sato, Mikita Suyama, Hideki Yoshida, Masamitsu Yamaguchi.
  • Journal Title: Exp Cell Res. Volume: 420 Issue: 1 Pages: 113307-113307
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2022.113307
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tmsb10 triggers fetal Leydig differentiation by suppressing the RAS/ERK pathway. (2022)
  • Author(s): Miki Inoue, Takashi Baba, Fumiya Takahashi, Miho Terao, Shogo Yanai, Yuichi Shima, Daisuke Saito, Kei Sugihara, Takashi Miura, Shuji Takada, Mikita Suyama, Yasuyuki Ohkawa, Ken-Ichirou Morohashi.
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 974-974
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03941-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of a drug-response gene in multiple myeloma through longitudinal single-cell transcriptome sequencing (2022)
  • Author(s): Masuda Toru、Haji Shojiro、Nakashima Yasuhiro、Tsuda Mariko、Kimura Daisaku、Takamatsu Akiko、Iwahashi Norifusa、Umakoshi Hironobu、Shiratsuchi Motoaki、Kikutake Chie、Suyama Mikita、Ohkawa Yasuyuki、Ogawa Yoshihiro
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 8 Pages: 104781-104781
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104781
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Uterus-specific transcriptional regulation underlies eggshell pigment production in Japanese quail (2022)
  • Author(s): Ishishita Satoshi、Kitahara Shumpei、Takahashi Mayuko、Iwasaki Sakura、Tatsumoto Shoji、Hara Izumi、Kaneko Yoshiki、Kinoshita Keiji、Yamaguchi Katsushi、Harada Akihito、Ohmori Yasushige、Ohkawa Yasuyuki、Go Yasuhiro、Shigenobu Shuji、Matsuda Yoichi、Suzuki Takayuki
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 3 Pages: 0265008-0265008
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0265008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photo-isolation chemistry for high-resolution and deep spatial transcriptome with mouse tissue sections (2022)
  • Author(s): Honda Mizuki、Kimura Ryuichi、Harada Akihito、Maehara Kazumitsu、Tanaka Kaori、Ohkawa Yasuyuki、Oki Shinya
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 3 Issue: 2 Pages: 101346-101346
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2022.101346
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A spinal microglia population involved in remitting and relapsing neuropathic pain (2022)
  • Author(s): Kohno Keita、Shirasaka Ryoji、Yoshihara Kohei、Mikuriya Satsuki、Tanaka Kaori、Takanami Keiko、Inoue Kazuhide、Sakamoto Hirotaka、Ohkawa Yasuyuki、Masuda Takahiro、Tsuda Makoto
  • Journal Title: Science Volume: 376 Issue: 6588 Pages: 86-90
  • DOI: 10.1126/science.abf6805
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tenogenic Induction From Induced Pluripotent Stem Cells Unveils the Trajectory Towards Tenocyte Differentiation (2022)
  • Author(s): Yoshimoto Yuki、Uezumi Akiyoshi、Ikemoto-Uezumi Madoka、Tanaka Kaori、Yu Xinyi、Kurosawa Tamaki、Yambe Shinsei、Maehara Kazumitsu、Ohkawa Yasuyuki、Sotomaru Yusuke、Shukunami Chisa
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 10 Pages: 780038-780038
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.780038
  • 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
• [Presentation] 単一細胞マルチオミクスによる骨格筋分化制御機構の解明 (2023)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第6回運動器と健康研究会
  • Invited
• [Presentation] Spatial multi-omics for understanding chromatin dynamics (2023)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 2023年度高深度オミクスシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] データから変化を取り出す新たな単一細胞解析技術 (2023)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 【富士フイルム】講演
  • Invited
• [Presentation] Single-cell multi-targeted chromatin integration labeling technology for understanding chromatin dynamics (2022)
  • Author(s): Yasuyuki Ohkawa
  • Organizer: CSHA meeting on Integrative Epigenetics in Plants
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 空間オミクス技術によるクロマチン構造制御メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞恒常性を担うシグナルと遺伝子発現の制御 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第16回日本臨床ストレス応答学会
  • Invited
• [Presentation] 高深度解析による全ゲノムレベルの単一細胞オミクスへの挑戦 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: NGS EXPO 2022
  • Invited
• [Presentation] 単一細胞軌跡追跡によるクロマチンダイナミクスの解明 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 2022年度国立遺伝学研究所クロマチン研究会
  • Invited
• [Presentation] Chromatin regulation during skeletal muscle regeneration (2022)
  • Author(s): Yausyuki Ohkawa
  • Organizer: 第17回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 骨格筋分化のクロマチンダイナミクス (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
  • Invited
• [Presentation] トランスクリプトミクスで迫る細胞分化能 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 大阪大学産業科学研究所セミナー
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatial multi-omics for understanding gene expression regulated by cell-cell interaction. (2022)
  • Author(s): Yasuyuki Ohkawa
  • Organizer: Japan-UK Regulation through Chromatin Conference
  • Invited
• [Presentation] 空間オミクスによる骨格筋組織老化機序の解明 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第8回日本筋学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] クロマチン解析のための新技術開発の現状と今後の展開 (2022)
  • Author(s): 大川恭行
  • Organizer: 第15回日本エピジェネティクス研究会年会
  • Invited
• [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/