Germline genome integrity maintained by small RNA-mediated chromatin regulation

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02421
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 岩崎 由香 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (80612647)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: RNAサイレンシング / ゲノム安定性 / ゲノム高次構造 / エピゲノム制御 / クロマチン因子 / RNA結合タンパク質

Outline of Annual Research Achievements

ショウジョウバエPIWIタンパク質のうち核に局在するPiwiは、小分子非コードRNAであるpiRNAと複合体を形成し、標的トランスポゾンの転写をH3K9me3修飾やリンカーヒストンH1を介して制御することが知られている。このPiwi-piRNAによるエピゲノム制御がショウジョウバエ生殖ゲノム維持に必須であると考えられているが、そのメカニズムは不明である。
本研究はこれを明らかにすべく、平成30年度は、責任因子の同定とその機能解析を中心に進めた。Piwiタンパク質が標的遺伝子をサイレンシングする際に形成する複合体構成因子を同定するために、Piwi-piRNAのヘテロクロマチン形成に必須とされている因子Panoramix (Panx)に対する抗体を作成し、これを用いた免疫沈降実験により新たにNuclear export factor 2 (Nxf2)およびp15/Nxt1がPanxおよびPiwiと複合体を形成することを明らかにした。Nxf2は卵巣特異的に発現し、RNA核外輸送因子Nxf1と類似したドメイン構造をもつことが知られているが、その機能は未知である。ショウジョウバエ個体の解析結果から、Nxf2がPiwiと同様に不妊の原因遺伝子であることを見出した。さらに、Nxf2はPiwi-piRNA経路でH3K9me3修飾およびH1結合量を制御し、標的トランスポゾンを抑制することを示した。また、Nxf2が標的トランスポゾンの転写産物と直截的に相互作用すること、およびこの相互作用がPiwi依存的であることを明らかにした。これらの結果から、PiwiがNxf2-p15およびPanxと形成する複合体が標的トランスポゾンのRNAと結合することでヘテロクロマチン形成が引き起こされるというモデルが考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成30年度は、新たなPiwi-piRNA制御因子として同定したNxf2およびp15の解析を中心に進め、Nxf2がRNA結合タンパク質であることを示した。Piwi-piRNAの標的認識については不明点が多く、先行研究で示されていたPiwiのChIP-seqデータ等から、Piwiは制御対象ではないゲノム領域にも広く結合している可能性が示唆されてきた。これに対して、本研究で新たに得られた知見を併せて考察すると、ゲノムの様々な領域に結合するPiwiのうち、トランスポゾンに結合したPiwi特異的にNxf2が複合体を形成することで、標的特異的な制御が可能となるという新たなモデルが考えられる。ここで得られた成果と、並行して新学術領域研究で進めていた研究の成果を併せて、現在論文を投稿している。
また、本研究を進めるために立ち上げた研究手法を用いて共同研究を進め、その成果が論文として掲載された[Sadahiro et al., Cell Stem Cell (2018)]。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度は、Piwi-piRNAによるトランスポゾンの制御機構に関与する新たな因子としてNxf2並びにp15を新たに同定した。今後はこれらが既知のPiwi-piRNA制御因子とどのように協調し、ゲノム高次構造やエピゲノム修飾に影響するか、メカニズムの解明を中心に進める。また、平成30年度の研究成果からNxf2が新たなRNA結合タンパク質として同定されたため、次年度はPiwi並びにNxf2とRNAとの複合体がどのようなクロマチン構造とリンクするか、ChIRP-MS法とHiC法を組み合わせた新たな手法を用いて解析する。

Research Products

• [Journal Article] Nuclear RNA export factor variant initiates piRNA-guided co-transcriptional silencing (2019)
  • Author(s): Murano, K., Iwasaki Y.W., Ishizu H., Mashiko, A., Shibuya, A., Kondo, S., Adachi, S., Suzuki, S., Saito, K., Natsume, T., Siomi, M.C., Siomi, H.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: -
  • DOI: https://doi.org/10.1101/605725
  • Open Access
• [Journal Article] Tbx6 Induces Nascent Mesoderm from Pluripotent Stem Cells and Temporally Controls Cardiac versus Somite Lineage Diversification (2018)
  • Author(s): Sadahiro, T., Isomi, M., Muraoka, N., Kojima, H., Haginiwa, S., Kurotsu, S., Tamura, F., Tani, H., Tohyama, S., Fujita, J., Miyoshi, H., Kawamura, Y., Goshima, N., Iwasaki, Y.W., Murano, K., Saito, K., Oda, M., Andersen, P., Kwon, C., Uosaki, H., Nishizono, H., Fukuda, K., Ieda, M.
  • Journal Title: Cell Stem Cell Volume: 23 Pages: 382～395
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.07.001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Piwi-piRNA silencing-coupled changes of nuclear architecture in Drosophila (2019)
  • Author(s): Yuka W. Iwasaki, Haruhiko Siomi
  • Organizer: Keystone Symposia Conference - Small Regulatory RNAs
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Piwi-piRNA silencing-coupled changes of nuclear architecture in Drosophila (2018)
  • Author(s): Yuka W. Iwasaki, Haruhiko Siomi
  • Organizer: The 20th Takeda Science Foundation Symposium on Bioscience - RNA Neobiology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Piwi-piRNAによるトランスポゾン抑制はNxf2を介した転写制御とヘテロクロマチン形成により引き起こされる (2018)
  • Author(s): 岩崎由香
  • Organizer: 転移因子研究会 2018
• [Presentation] Nuclear RNA export factor variant triggers Piwi-piRNA-mediated co-transcriptional silencing (2018)
  • Author(s): Yuka W. Iwasaki
  • Organizer: 2nd JAJ (Joint Australia-Japan/Japan-Australia Joint) RNA meeting
• [Presentation] Piwi-piRNAによるトランスポゾン抑制はNxf2を介した転写制御とヘテロクロマチン形成により引き起こされる (2018)
  • Author(s): 岩崎由香、村野健作、益子あかね、渋谷あおい、塩見春彦
  • Organizer: 日本RNA学会年会
• [Presentation] Piwi-piRNA silencing is triggered by Nxf2 mediated transcriptional regulation prior to heterochromatin formation (2018)
  • Author(s): 岩崎由香、村野健作、益子あかね、渋谷あおい、塩見春彦
  • Organizer: 第二回慶應ライフサイエンスシンポジウム