初期胚におけるクロマチン３次元構造確立メカニズムの解明

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K14620
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中村 遼平 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (30756458)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: クロマチン３次元構造 / リプログラミング

Outline of Annual Research Achievements

染色体は受精直後、リプログラミングを受け、精子と卵子のクロマチン修飾が分化多能性を制御するパターンへと変化し、遺伝子の転写が開始される。この過程において、ゲノムの3次元構造も大規模に変化することが近年明らかにされつつあるが、その分子メカニズムは不明である。ゲノムの3次元構造の制御においてはコヒーシンやCTCFといった因子が中心的な役割を果たしていると考えられているが、受精卵におけるこれらの因子の動態は、細胞数の少なさなどの技術的な問題から解析されていない。本研究は、リプログラミング過程の細胞を大量に得られるメダカ胚を用いることで、コヒーシンとCTCFの動態を解析し、ゲノム3次元構造への寄与を実験的に検証する。これにより、遺伝子発現制御の基盤となるゲノムの3次元構造が、動物の発生において最初にできあがる時のメカニズムを解明する。 これまでにCTCFおよびコヒーシンのクロマチン免疫沈降(ChIP-seq)をメダカ初期胚の10発生ステージで行うことで、メダカ発生過程における両タンパク質のクロマチンへの結合動態を明らかにすることができた。2020年度では、さらにゼブラフィッシュにおいても同様の解析を行い、３次元構造の動態が進化的に保存されていることを明らかにした。具体的には、魚類においてクロマチンループ形成は原腸形成期以降に起こることを示した。さらに、ゼブラフィッシュとメダカのシンテニー領域においてクロマチンの３次元構造が非常に強く保存されていることも明らかにした。最後に、これらの結果を論文として発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定どおりメダカ初期胚におけるCTCFとコヒーシンの結合動態を明らかにし、進化的に離れた魚類であるゼブラフィッシュにおいても３次元構造の動態を明らかにした。さらに、これらの発見を論文として公表することができたため。

Strategy for Future Research Activity

今後はCTCFの除去実験によりメダカ初期胚においてゲノム3次元構造がどのような影響を受けるかを解析する。これにより、CTCFタンパク質が発生過程においてどのようにゲノム3次元構造の制御に寄与しているかを検証する。

Causes of Carryover

コロナウイルス感染拡大により一時大学への入構制限、研究室内での活動制限があったため研究活動が滞ったため、予定よりも消耗品費が少なかった。また、参加予定だった国際学会などが中止となったため、出張費が予定よりも少なかった。当該年度ではCTCF除去実験の準備ができたため、研究のさらなる推進のために次年度使用額をこれに当てる。

Research Products

• [Journal Article] CTCF looping is established during gastrulation in medaka embryos (2021)
  • Author(s): Ryohei Nakamura, Yuichi Motai, Masahiko Kumagai, Candice L. Wike, Haruyo Nishiyama, Yoichiro Nakatani, Neva C. Durand, Kaori Kondo, Takashi Kondo, Tatsuya Tsukahara, Atsuko Shimada, Bradley R. Cairns, Erez Lieberman Aiden, Shinichi Morishita, and Hiroyuki Takeda
  • Journal Title: Genome Research Volume: 31 Pages: －
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chromatin architecture transitions from zebrafish sperm through early embryogenesis (2021)
  • Author(s): Candice L Wike, Yixuan Guo, Mengyao Tan, Ryohei Nakamura, Dana Shaw, Noelia Diaz, Aneasha F. Whittaker-Tademy, Neva C. Durand, Erez Lieberman Aiden, Juanma Vaquerizas , David Grunwald, Hiroyuki Takeda, and Bradley R. Cairns
  • Journal Title: Genome Research Volume: 31 Pages: －
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research