2019 Fiscal Year Annual Research Report
Quantification of physical parameters and construction of theoretical models to understand Chromatin Potential
| Project Area | Chromatin potential for gene regulation |
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| Project/Area Number |
18H05529
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| Research Institution | National Institute of Genetics |
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Principal Investigator |
木村 暁 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (10365447)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂上 貴洋 青山学院大学, 理工学部, 准教授 (30512959)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 細胞核 / クロマチン構造 / ポリマー物理学 / 線虫 / 発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、クロマチン構造を変化させ遺伝子発現を制御するものとして、細胞核のサイズやクロマチンの動きやすさ等の物理的要因に着目して、そのメカニズムと役割を理解することを目的としている。そのために、次の３つの解析を進める研究計画を立てている。
(A) クロマチン濃度とその遺伝子制御能の計測：遺伝学的手法を用いて核サイズやクロマチン量を変えることで「クロマチン濃度」を変え、それによって起こるクロマチン運動、さらには転写や胚発生への影響を評価する。
(B) クロマチン運動とその遺伝子制御能の計測：クロマチン運動を規定する物理量である粘弾性と力を計測し、運動の物理的基盤を明らかにするとともに、クロマチン運動による転写や胚発生の制御能を明らかにする。
(C) 理論モデルの構築：得られた実験データに基づいて、クロマチン動態の物理的基盤と遺伝子制御能の理論モデルを構築する。
２０１９年度は、(A)については研究代表者らがクロマチン濃度がクロマチン運動に与える影響を計測した。本研究課題開始前に確立していた染色体上の遺伝子座の動きを顕微鏡画像から追跡する方法（Arai et al., Sci Rep 2017）と、細胞核の大きさが変化する遺伝子操作(Hara et al., Mol Biol Cell 2013)を組み合わせて、細胞核の大きさを変化させた状態で、クロマチン運動を定量化した。定量化したデータからクロマチンの動きの核サイズ（クロマチン濃度）依存性を評価する解析方法を開発した。また、より短い時間スケールでのクロマチン運動を評価する実験系の確立にも着手した。また、(C)については、研究分担者はクロマチン運動を記述する新たな高分子理論モデルを構築した。本領域公募研究代表者の山本と共同で高分子鎖の非平衡ダイナミクスの理論をloop-extrusion過程へと適用した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
クロマチン運動の実験的測定や、運動を説明する新たな高分子理論モデルの構築などが計画通りに進展し、実験と理論を結び付けてクロマチン運動を理解する基盤が整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
(i) 前述の(A)と(C)を組み合わせて、生きた細胞内でのクロマチン運動の核サイズ（クロマチン濃度）依存性を説明する理論を構築し、論文発表を行う。
(ii) (A)に関連して、比較的遅いクロマチン運動の評価に適した遺伝子座の追跡に加えて、速いクロマチン運動を評価する画像取得・データ解析方法の開発を行う。
(iii) (B) に関連して、細胞核内の粘弾性や力を計測する方法論（磁気ピンセットの活用）を確立し、クロマチン運動の物理的基盤を明らかにする。
(iv) (A)と(B)に関連して、転写活性化部位を可視化する、活性型RNAポリメラーゼIIのプローブを線虫胚で発現させ、転写能を生きた核内で可視化し、クロマチンの運動や粘弾性などとの対応を明らかにし、クロマチンポテンシャルに物理的要因が寄与するかという疑問に答える。
(v) (C)に関連して、(A)や(B)で得られた実験データの理論的基盤となるモデルを構築する。
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