核内RNAボディによるクロマチン制御機構の解明

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Chromatin potential for gene regulation
• Project/Area Number: 18H05531
• Research Institution: Japanese Foundation for Cancer Research
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 落合 博 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (60640753)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: RNAボディ / 遺伝子発現制御 / クロマチン / 核内構造体

Outline of Annual Research Achievements

真核生物の細胞核内には、核小体を筆頭に、生体膜に囲まれない構造体であるRNAボディが多数存在する。これらは、ノンコーディングRNA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であり、移動度は保たれながら、局所に関連因子が濃縮することで核内反応を効率的にしていると考えられている。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る。本研究では、真核生物に普遍的に存在し、かつ核内最大のRNAボディである核小体と、ER陽性乳がんに特異的なエレノアクラウドに着目している。これらの形成機序、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、核小体の形成に関わる因子群の中から特にリボソームタンパク質RPL5に焦点を絞り、細胞生物学的実験に加え、１分子観察、分子動力学を導入して、RPL5が核小体タンパク質であるMPM1の液-液相分離を促進することを見出した。さらに核小体が適切に形成されることにより、複数のrDNA遺伝子を含む染色体が「束ねられ」、それにより転写とプロセッシングが適切に起こることを見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

下記のように研究は順調にすすみ、重要な知見が得られた。
1．エレノアRNAの生体内での意義を理解するために、臨床検体での検出、解析を行った。その結果、エレノアの発現と近傍のESR1の転写、すなわちERのタンパク質発現に相関があることを見出した。今までの細胞株を用いた実験結果と一致するものであり、生理学的に意義のあるものであることが実証された。一方、細胞株での実験結果では、再発乳がんの過程でエレノアの転写上昇が見られたものの、臨床検体においては原発と再発症例でエレノアの転写に大きな差は見い出せなかった。今後この意義を解明してゆく。
2. 核小体の形成に必要な因子として同定されていたリボソームタンパク質RPL5について研究した。SNAP-tagを融合したRPL5タンパク質の生細胞内での一分子追跡、ダイナミクスの定量化、分子動力学を用いたシミュレーションなどがを完了した。その結果、RPL5の挙動は細胞内でもシミュレーションにおいても一致し、RPL5が核小体タンパク質のNPM1の液-液相分離を促進していることがわかった。また適切な核小体の形成にRPL5が必要で、欠失するとrDNA遺伝子群をコードする染色体を束ねられず、rRNAの転写とプロセッシングに異常をきたすことがわかった。

Strategy for Future Research Activity

今までの研究成果をさらに展開させる。
1.再発乳がんにおけるエレノアRNAボディの分子機能を明らかにする。ChIRP-SeqとRADICLE-Seqにより、エレノア群の中で最も豊富に存在するエレノア2RNAが相互作用するクロマチンをゲノムワイドに同定する。ふたつの方法に共通する結果を抽出した、再現性を検証する。また、転写因子や転写活性化因子、RNAポリメラーゼIIなどのChIP-Seqの結果を用いて、エレノアRNA自身が転写される場であり、かつ結合しているゲノム部位の解析を行う。エレノアRNAと同一ゲノム部位に結合する因子を絞り込み、実際に試験管内でその相互作用を検証する。エレノアノンコーディングRNAの機能メカニズムを明らかにする重要な分子基盤を形作る。
2.原発と再発乳がん患者由来の臨床検体を用いてエレノアRNAボディの検出、詳細な解析を行う。ER陽性乳がんでは、術後5年以上を経てもなお再発する晩期再発する症例が多く問題となっている。ここにエレノアRNAボディが役割を持つかどうか、乳がん幹細胞の性質への貢献などに焦点をあてて、解析する。
3.ER陽性乳がん細胞MCF7とそのLTED（long term estrogen deprivation）細胞を免疫不全マウスに移植し、腫瘍を形成させ、それぞれについてエレノアの発現やその他のがんマーカー、乳がん幹細胞マーカーの検出、測定を行う。今まで蓄積してきた細胞株内でのエレノアRNAボディに関する知見に基づき、生体内での意義を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ViQi Inc(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ViQi Inc
• [Journal Article] The ELEANOR non-coding RNA expression contributes to cancer dormancy and predicts late recurrence of ER-positive breast cancer (2022)
  • Author(s): Fukuoka, M., Ichikawa, Y., Osako, T., Fujita, T., Baba, S., Takeuchi, K., Tsunoda, N., Ebata, T., Ueno, T., Ohno, S., *Saitoh, N.
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 113 Pages: 2336-235
  • DOI: 10.1111/cas.15373
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ribosomal protein L5 facilitates rDNA-bundled condensate and nucleolar assembly (2022)
  • Author(s): Matsumori, H., Watanabe, K., Tachiwana, H., Fujita, T., Ito Y., Tokunaga, M., Sakata-Sogawa, K., Osakada, H., Haraguchi, T., Awazu, A., Ochiai, H., Sakata, S., Ochiai, K., Toki, T., Ito, Et., Goldberg I., Tokunaga, K., *Nakao, M., *Saitoh, N.
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 5 (7), e202101045 Pages: e202101045
  • DOI: 10.26508/lsa.202101045
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] iPSC reprogramming-mediated aneuploidy correction in autosomal trisomy syndromes (2022)
  • Author(s): Akutsu, S., Miyamoto, T., Oba, D., Tomioka, K., Ochiai, H., Ohashi, H., *Matsuura, S.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 17 Pages: e0264965
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0264965
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modeling population size independent tissue epigenomes by ChIL-seq with single thin sections. (2021)
  • Author(s): Maehara, K., Tomimatsu, K., Harada, A., Tanaka, K., Sato, S., Fukuoka, M., Okada, S., Handa, T., Kurumizaka, H., Saitoh, N., Kimura, H., *Ohkawa, Y.
  • Journal Title: Molecular Systems Biology Volume: 17(11), e10323 Pages: 17(11), e10323
  • DOI: 10.15252/msb.202110323
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Importin α2 association with chromatin: Direct DNA binding via a novel DNA-binding domain (2021)
  • Author(s): Jibiki, K., Kodama, T., Suenaga, A., Kawase, Y., Shibazaki, N., Nomoto, S., Nagasawa, S., Nagashima, M., Shimodan, S., Kikuchi, R., Okayasu, M., Takashita, R., Mehmood, R., Saitoh, N., Yoneda, Y., Akagi, K., *Yasuhara, N.
  • Journal Title: Genes to Cells, Volume: 26 (12) Pages: 945-966
  • DOI: 10.1111/gtc.12896.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromatin structure-dependent histone incorporation revealed by a genome-wide deposition assay. (2021)
  • Author(s): Tachiwana, H., Dacher, M., Maehara, K., Harada, A., Seto, Y., Katayama, R., Ohkawa, Y., Kimura, H., Kurumizaka, H., *Saitoh, N.
  • Journal Title: eLife Volume: 10 Pages: e66290
  • DOI: 10.7554/eLife.66290
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nuclear long non-coding RNAs as epigenetic regulators in cancer. (2021)
  • Author(s): Tachiwana, H., *Saitoh, N.
  • Journal Title: Current Medicinal Chemistry Volume: 28(25) Pages: 5098-5109
  • DOI: 10.2174/0929867328666210215114506
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ELEANOR non-coding RNAs associate with chromatin and regulate the 3D genome structure in breast cancer. (2022)
  • Author(s): Saitoh, N.
  • Organizer: The 30th Hot Spring Harbor International Symposium, Chromatin Potential in Development and Differentiation,The 6th Symposium of the Inter-University Research Network for Trans-Omics Medicine;
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non-coding RNAs regulate the 3D genome architecture in breast cancer. (2022)
  • Author(s): Saitoh, N.
  • Organizer: 6th International Anatomical Sciences and Cell Biology Conference;
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ノンコーディングRNAによる乳がんのエピジェネティクス制御. (2022)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: エピジェネティック療法研究会第14回講演会
  • Invited
• [Presentation] 乳がんにおけるエピジェネティクス：再発乳がんに関わるノンコーディングRNAエレノアの解析. (2022)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: Breast Cancer Expert Seminar
  • Invited
• [Presentation] 乳がんにおけるエピジェネティクス：再発乳がんに関わるノンコーディングRNAエレノアの解析. (2022)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: Future Generations Breast-Cancer Oncologist & Pathologist Conference
  • Invited
• [Presentation] STREAMING-tag system: A novel technology to analyze the spatiotemporalrelationship between transcriptional regulators and transcriptionaldynamics at the single gene level (2022)
  • Author(s): Ochiai, H.
  • Organizer: The 30th Hot Spring Harbor International Symposium -Chromatin Potential in Development and Differentiation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] RPL5 maintains spatial organization of the ribosomal DNA arrays through regulation of biophysical properties of the nucleolus (2021)
  • Author(s): Saitoh, N., Matsumori, H., Watanabe, K., Tachiwana, H., Ito, Y., Sakata-Sogawa, K., Tokunaga, M., Awatsu, A., Nakao, M.
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] ELEANOR ncRNAs regulate the 3D genome structure in recurrent breast cancer. (2021)
  • Author(s): Yamamoto, T., Ichikawa, Y., Fukuoka, M., Saitoh, N.
  • Organizer: Keystone Symposia on Molecular and Cellular Biology. Non-coding RNAs: Biology and Applications;
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ELEANOR-chromatin interaction facilitates ESR1 transcription：非コードRNAエレノアとクロマチンの相互作用を介したESR1遺伝子の転写活性化. (2021)
  • Author(s): 市川雄一, 斉藤典子
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
• [Presentation] ER陽性乳がん細胞で発現する長鎖非コードRNA ELEANOR2はRNAクラウドを形成し転写を促進する. (2021)
  • Author(s): 市川雄一
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 再発乳がんの脆弱性に関わるゲノム３次元構造と核内ノンコーディングRNA. (2021)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: 日本生化学会関東支部オンライン例会
  • Invited
• [Presentation] ノンコーディングRNA による核内構造とゲノム制御. (2021)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: 2021年日本バイオインフォマティクス学会年会・第10回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2021)
  • Invited
• [Presentation] 乳がんにおけるノンコーディング RNA による 3 次元ゲノム構造制御. (2021)
  • Author(s): 斉藤典子, 山本達郎, 市川雄一, 福岡恵
  • Organizer: 日本遺伝学会第93回大会
  • Invited
• [Presentation] The non-coding RNA world in cancer：広がるノンコーディングRNAの世界. (2021)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] 乳がんの晩期再発に関わるノンコーディングRNAとクロマチン構造. (2021)
  • Author(s): 斉藤典子
  • Organizer: 第8回がんエピゲノムシンポジウム＆第3回造血器腫瘍研究セミナー合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ELEANOR non-coding RNA correlates with late recurrence in ER positive breast cancer, partly through CD44 gene activation：エレノアノンコーディングRNAは、CD44遺伝子の活性化を一部に介して、ER陽性乳癌の晩期再発に関与する. (2021)
  • Author(s): 福岡恵, 市川雄一, 角田伸行, 上野貴之, 斉藤典子
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
• [Presentation] Analysis of chromatin dynamics using permeabilized cells and reconstituted histone complex：透過性細胞とヒストン複合体を用いたクロマチンダイナミクスの解析. (2021)
  • Author(s): 立和名博昭, 胡桃坂仁志, 斉藤典子
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
• [Presentation] Analysis of histone dynamics in cancer cells：がん細胞におけるヒストンダイナミクスの解析. (2021)
  • Author(s): 立和名博昭
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] クロマチン構造による遺伝子発現制御機構：ヒストンH2A.Zによる転写活性化クロマチン認識機構の解析. (2021)
  • Author(s): 立和名博昭, 大川恭行, 胡桃坂仁志, 斉藤典子
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] ヒストンバリアントの形成するクロマチン構造と機能の解析. (2021)
  • Author(s): 立和名博昭
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting revealed by single cell analysis (2021)
  • Author(s): Ochiai, H.
  • Organizer: The 2nd ASHBi SignAC Workshop, Integrating Single-cell Analysis and Mathematics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between higher-order genome structural dynamics and transcriptional dynamics (2021)
  • Author(s): Ochiai, H.
  • Organizer: 富岳プロジェクトセミナー
  • Invited
• [Book] 「遺伝学の百科事典 継承と多様性の源」 (2022)
  • Author(s): 渡辺健司、斉藤典子
  • Total Pages: -
  • Publisher: 丸善出版/日本遺伝学会
  • ISBN: 978-4-621-30660-4
• [Book] Cytogenomics (2021)
  • Author(s): Ichikawa Y., Saitoh, N.
  • Total Pages: -
  • Publisher: Elsevier Inc.
  • ISBN: 9780128235799
• [Remarks] 公益財団法人がん研究会がん研究所がん生物部
  • URL: https://www.jfcr.or.jp/laboratory/department/cancer_biology/www/default.htm