2019 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Chromatin potential for gene regulation |
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| Project/Area Number |
18H05531
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| Research Institution | Japanese Foundation for Cancer Research |
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Principal Investigator |
斉藤 典子 公益財団法人がん研究会, がん研究所 がん生物部, 部長 (40398235)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
落合 博 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 講師 (60640753)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | RNAボディ / 遺伝子発現制御 / クロマチン / 核内構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
真核生物のゲノムDNAは細胞核内で多階層におりたたまれて立体構造を形成し、様々なRNAボディに囲まれている。RNAボディは、非コードRNA群とタンパク質複合体が凝集して形成されたもので、核内の局所に転写関連因子を蓄積させることにより、近傍クロマチンの転写活性や構造を規定していると考えられる。またRNAボディは、タンパク質-RNA分子が液-液相分離とよばれる物理現象を引き起こした結果の液滴（biomolecular condensate）であり、その中では因子がさかんに動くダイナミズムを持つことなどが示唆されてきている。したがってRNAボディは、近隣クロマチンの転写のおこりやすさに対するクロマチンポテンシャルを理解する鍵と考えられ、本研究で解明に取り組む。具体的には、RNAボディであるエレノアクラウドと核小体について、その形成機序、転写制御機能、物性、細胞分化における役割の解析を行い、核内RNAボディによるクロマチン制御機構を解明することを目的としている。本年度は主に、再発乳がん細胞で過剰発現する非コードRNAエレノアが、(１)再発乳がんの増殖のしやすさと一方で細胞死もおこしやすいという一見矛盾した性質を司る長距離クロマチン間相互作用を担い、3次元ゲノム構造の機序に関わることを明らかにした。また、(２) エレノアをはじめとする核内ノンコーディングRNAには、ヌクレオソームを不安定化して転写を制御する機能があることを発見した。これらを論文として報告した。以上のように研究は順調にすすんでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
1. エレノアクラウドが介在するクロマチンの高次構造について、木村宏計画研究分担者の大川博士、眞貝計画研究分担者平谷博士らと共同研究を行い、4C-SeqやHi-Ｃ解析を行った。エレノアRNAが、メガベースオーダーの巨大クロマチンドメインであるtopologically associating domain (TAD)を規定し、その中の全ての遺伝子の転写活性化に関わることを明らかにし、これをエレノアTADと名付けた。さらにエレノアは、ゲノムDNA上では42.9Mbも離れた、ESR1とFOXO3遺伝子の間の相互作用を介在して協調的に転写活性化することを見出した。両者はそれぞれ細胞増殖と細胞死に機能する遺伝子で、エレノアが阻害されると協調的な発現が失われ、FOXO3の活性のみが残り、その結果、細胞は死に至ることがわかった。これらの結果は、再発乳がん細胞が細胞死をおこしやすいという脆弱性を内包していること、その背景には、非コードRNAが介する長距離クロマチン間相互作用、3次元ゲノムDNA構造があることを明らかにした。また、胡桃坂画研究との共同研究で、エレノアをはじめとする核内ノンコーディングRNAには、ヌクレオソームを不安定化する機能があることを発見した。これらの結果の論文報告を行った（Abdalla et al, Nature Commun, 2019; Fujita et al, Commun Biol, 2020）
２．エレノアクラウドの機能機序を解析するために、エレノアRNAに特異的に結合する因子を同定するChIRP 法の最適化をひきつづき行った。エレノアにはいくつかのサブタイプが存在することが明らかになり、これを詳細に解析した。また、それらに応じて、細胞の固定のしかた、実験とコントロールのプローブデザイン、RNaseAへの感受性など複数の事象を詳細に検証している。
3．分担研究者の落合博士との共同研究により、リボソームDNAの生細胞内分子ダイナミクスの解析するために必要な細胞株の樹立を試みた。
以上の研究より、十分な成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今までの研究成果をさらに展開させる。
1. 生化学的な細胞分画、イメージング、ChIRP-Seqを試みて、エレノアが相互作用するクロマチンを統合的に同定することを試みる。最も興味深いゲノム部位に関しては、ChIRP-qPCRで確認を行う。エレノアの機能メカニズムを明らかにする最も重要な分子基盤を形作る。
２．液相分離による液滴であることが提唱されている核小体について、その形成と機能を明らかにする。研究代表者はすでに、745のヒト遺伝子をターゲットとするsiRNAライブラリーを用いたハイコンテント画像解析を行った。さらに機械学習を用いたwndchrm画像解析アルゴリズムにより各ノックダウン細胞が示す形態のプロファイリングを行い、その結果、核小体の形態に最も影響があったのは、リボソームタンパク質であるRPL5のノックダウンであることを明らかにする。試験管内ではRPL5は核小体タンパク質のNPM1の液相分離を促進することが報告されている。来年度の計画として、生細胞観察を行い、RPL5の欠失による核小体内の分子移動度への影響、核小体の物理的性質への影響などを調べる。またrDNAの核内配置、rRNAの転写、プロセッシング効率への影響などを調べる。核小体の構造形成・維持に果たす役割が疾患に関わるかも検討する予定である。
3．分担研究者の落合博士との共同研究によりエレノアRNAと、エレノアDNAを生細胞内で同時に観察する方法をひきつづき、検討する。核小体の形成と維持のメカニズムを詳細に理解するために、一分子FISHにも着手する。
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[Journal Article] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting in mouse embryonic stem cells.2020
Author(s)
*Ochiai H, Hayashi T, Umeda M, Yoshimura M, Harada A, Shimizu Y, Nakano K, Saitoh N, Liu Z, Yamamoto T, Okamura T, Ohkawa Y, Kimura H, *Nikaido I
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Journal Title
Sci Adv
Volume: 6
Pages: eaaz6699
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Nucleosome destabilization by nuclear non-coding RNAs.2020
Author(s)
†Fujita R, †Yamamoto T, Arimura Y, Fujiwara S, Tachiwana H, Ichikawa Y, Sakata S, Yang L, Maruyama R, Hamada M, Nakao M, *Saitoh N, *Kurumizaka H
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Journal Title
Commun Biol
Volume: 3
Pages: 60
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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