エピジェネティック活性をもつ化学物質の影響把握と新たな環境リスクの予防策

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H01749
• Research Institution: National Institute for Environmental Studies
• Principal Investigator: 福田 秀子 (曽根秀子) 国立研究開発法人国立環境研究所, 環境リスク研究センター, 室長 (60280715)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中尾 洋一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60282696) ; 阿部 訓也 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソースセンター, チームリーダー (40240915) ; 桂 真理 東京大学, 学内共同利用施設等, 助教 (30436571) ; 藤渕 航 京都大学, 学内共同利用施設等, 教授 (60273512) ; 大鐘 潤 明治大学, 農学部, 准教授 (50313078)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: エピジェネティック / 幹細胞 / 化学物質管理 / スクリーニング / 影響評価 / 予防対策 / in vitro / 生殖発生毒性

Outline of Annual Research Achievements

ヒト型多能性幹細胞モデルであるマウスEpiSC細胞株を均質な状態で効率良く樹立する培養技術に成功し、GFP標識メチル化結合蛋白質（MBD-GFP）とmCherry 標識ヘテロクロマチン蛋白質（HP1b-mCherry）のコンストラクトを導入したグローバルなエピジェネティック状態（DNAメチル化、ヒストンH3K9メチル化修飾）を可視化するEpiSC細胞(プライム型多能性幹細胞)を樹立した。ヒストン修飾部位特異的抗体を組み合わせた免疫染色法による化学物質の特異性を検出する系も開発している。さらに、低メチル化アリル検出とウルトラディープ解析の組み合わせによるヘテロな細胞集団で特定の遺伝子を発現する細胞の検出法を確立し、細胞集団のごく一部であっても、DNAメチル化状態の変化する遺伝子の同定が可能となった。従来のバイサルファイト法を改良した手法で１細胞メチル化解析を行なう実験系を確立した。他の環境要因との比較研究では、セシウム137の低線量被ばく条件下によって、DNAの二本鎖切断のマーカー分子であるγ-H2AXが増加し、それと同時に転写変動が確認され、抗ヒストンH4K3トリメチル化抗体を用いたChIP-seq法で多数の発現変動を反映するゲノム修飾箇所が観察された。予防策研究では、QSARに基く分子記述子と幹細胞の遺伝子ネットワークにおいて、それぞれをSVM機械学習による毒性予測を行った結果、予測率に大きな差が生じることが検証された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

分担研究者の協力により、化学物質及び環境因子のスクリーニングのための細胞アッセイが確立できつつある。また、平成28年度に実施予定のスクリーニングのため、平成27年度内に、本研究課題全体で実施する化学物質１００種及び放射線核種を既存の健康影響及び生態影響から情報科学の手法を活用して選定し、既存の毒性作用機構でグループごとに選別する予定であった。化学物質１００種の選定にどのような基準で、選定をするのが最良なのかを各種のデータベースを活用して、選定作業をおこなっている。しかし、エピジェネティックな放射線影響をinvitroで評価するアッセイに最適な細胞が十分には存在しないため、今回新たに、iPS細胞から網膜神経節細胞の分化アッセイ方法の確立に着手している。

Strategy for Future Research Activity

サブ課題１「メカニズムベースの細胞アッセイ法の開発」においては、早期に化学物質１００種の選定を行い、マウスMBD-GFP-HP1b-mCherry細胞及びヒト神経幹細胞を用いてエピジェネティック活性を測定する。可能な限りスクリーニングを実施する化学物質数を増やして実施する。陽性となったエピジェネティック物質に関して、分化時間軸及び量反応関係によるエピジェネティック制御の変動と影響の関係性を明らかにする。化学物質が複数のエピゲノム修飾に対して与える影響を可視化する細胞の改良を進める。
サブ課題２「エピミュータジェンの環境リスクへの予防策の開発」では、化学物質と他の環境要因によるエピジェネティック変動の特徴を解析し、予防対策となる早期影響マーカーの開発に結び付けるため、iPS細胞由来網膜神経節細胞の分化アッセイ法を用いて放射線セシウム、UV及びLEDの影響を調べる。陽性対照物質を用いてメチル化、アセチル化及びDNA損傷の３指標の相互関係を確率的統計及び機械学習などの手法により解析を進める。陽性対照物質を用いてメチル化、アセチル化及びDNA損傷の３指標の相互関係をバイオインフォマティクスの解析により検討する。また、ベイジアンネットワークの改良や機械学習による判別解析を検討する。さらに、低メチル化アリル検出とウルトラディープ解析の組み合わせによるヘテロな細胞集団で特定の遺伝子を発現する細胞の検出法を用いて、発生の初期と後期または多能性幹細胞の分化前後におけるDNAメチル化状態の変化を高感度に検出し、バイオインフォマティクスの解析により影響の予測を行う。各種の新規な手法をまとめ、エピジェネティックなイベントと後に顕在化する毒性影響との関係を明確に予測できる手法を検討する。

Research Products

• [Journal Article] Effects of Chronic Low-Dose Radiation on Human Neural Progenitor Cells (2016)
  • Author(s): Katsura M, Cyou-Nakamine H, Zen Q, Zen Y, Nansai H, Amagasa S, Kanki Y, Inoue T, Kaneki K, Taguchi A, Kobayashi M, Kaji T, Kodama T, Miyagawa K, Wada Y, Akimitsu N, Sone H
  • Journal Title: Scientific Reort Volume: 6 Pages: 20027
  • DOI: 10.1038/srep20027
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction of Developmental Chemical Toxicity based on Gene Networks of Human Embryonic Stem Cells (2016)
  • Author(s): Yamane J, Aburatani S, Imanishi S, Akanuma H, Nagano R, Kato T, Sone H, Ohsako S and Fujibuchi W
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultra-Deep Bisulfite Sequencing to Detect Specific DNA Methylation Patterns of Minor Cell Types in Heterogeneous Cell Populations: An Example of the Pituitary Tissue. (2016)
  • Author(s): Arai Y, Fukukawa H, Atozi T, Matsumoto S, Hanazono Y, Nagashima H, Ohgane J.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 11 Pages: e0146498
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0146498
  • Open Access
• [Journal Article] Genetically Encoded FRET Probe to Detect Intranucleosomal Histone H3K9 or H3K14 Acetylation Using BRD4, a BET Family Member. (2016)
  • Author(s): Nakaoka S,Sasaki K, Ito A, Nakao Y, Yoshida MA
  • Journal Title: ACS Chemcal Biology Volume: 11 Pages: 729-733
  • DOI: 10.1021/cb501046t
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Putative Epimutagens in Maternal Peripheral and Cord Blood Samples Identified Using Human Induced Pluripotent Stem Cells. (2015)
  • Author(s): Arai Y, Hayakawa K, Arai D, Ito R, Iwasaki Y, Saito K, Akutsu K, Takatori S, Ishii R, Hayashi R, Izumi S, Sugino N, Kondo F, Horie M, Nakazawa H, Makino T, Hirosawa M, Shiota K, Ohgane J.
  • Journal Title: BioMed Research International Volume: 8 Pages: 76047
  • DOI: 10.1155/2015/876047.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An epigenetic regulatory element of the Nodal gene in the mouse and human genomes. (2015)
  • Author(s): Arai D, Hayakawa K, Ohgane J, Hirosawa M, Nakao Y, Tanaka S, Shiota K.
  • Journal Title: Mechanisms of development Volume: 136 Pages: 143-154
  • DOI: 10.1016/j.mod.2014.12.003
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Enhanced-scRRBS for Massive Single Cell Methylome Analysis Towards in silico 3D-Reconstructions of Mouse and Human Tissues. (2015)
  • Author(s): Yamane J, Kobayashi K, Taniyama N, FUJIBUCHI W.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New approach to study histone modification changes controlling biological phenomena by small molecules (2015)
  • Author(s): Nakao Y, Arai D, Kina Y, Kataoka R, Hayashi-Takanaka Y, Kimura H.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Marine natural products that control a specific set of histone modifications (2015)
  • Author(s): Arai D, Sakuma C, Hayashi-Takanaka Y, Kimura H, Nakao Y.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isolation and structure elucidation of an active compound affecting histone modification from the marine sponge (2015)
  • Author(s): Machida K, Ishibashi N, Kataoka K, Arai D, Hayashi-Takanaka Y, Kimura H, Fusetani N, Nakao Y.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒト慢性骨髄性白血病由来細胞株MB-1のcobblestone area形成に対する海洋天然化合物の活性評価 (2015)
  • Author(s): 下本 哲平、新井大祐、永井麻美、加勢友香梨、浅野茂隆、中尾洋一
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] 基調講演『海洋毒・海洋生理活性物質の探索研究へのMSの応用』 (2015)
  • Author(s): 中尾洋一
  • Organizer: 第63回 質量分析総合討論会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2015-06-17
  • Invited
• [Presentation] Effects of Low- Dose Radiation From Cs-137 on Normal Human Cell (2015)
  • Author(s): Nobuyoshi Akimitsu, Mari Katsura, Azusa Ishibashi, Hiromasa Nakamine, Kazuyuki Tao, Toshiyuki Kaji, Hideko Sone, Tatsuhiko Kodama, Kiyoshi Miyagawa, Youichirou Wada
  • Organizer: ICRR 2015 (15th International Congress of Radiation Research)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Low- and Middle- Dose Rate Radiation on Human Neural Precursor Cells (2015)
  • Author(s): Mari Katsura, Hiromasa Nakamine, Hideko Sone, Shota Amagasa, Toshiyuki Kaji, Kiyoshi Miyagawa, Youichirou Wada, Nobuyoshi Akimitsu
  • Organizer: ICRR 2015 (15th International Congress of Radiation Research)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2015-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] 発明の名称：高血糖によるエピゲノム異常の抑制のための方法及び組成物 (2015)
  • Inventor(s): 中尾洋一、新井大祐、塩田邦郎、早川晃司
  • Industrial Property Rights Holder: 中尾洋一、新井大祐、塩田邦郎、早川晃司
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-177459
  • Filing Date: 2015-09-09