Prediction of the nuclear compartment dynamics during embryonic development by single-cell replication sequencing

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K14681
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 高橋 沙央里 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (80748856)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: DNA複製タイミング / 核内コンパートメント / マウス初期胚発生 / 1細胞解析 / scRepli-seq

Outline of Annual Research Achievements

Hi-C法は、染色体ドメイン（TAD）や核内コンパートメントといったMb単位の階層のクロマチン構造をゲノムワイドに解析できる手法である。これを個々の細胞で行う1細胞Hi-C解析は画期的だが、解像度が低くコンパートメント分布の算出は難しい。一方、我々は、哺乳類培養細胞を用いた1細胞ゲノムワイドDNA複製タイミング解析法scRepli-seqの開発に成功した。複製タイミング分布はコンパートメント分布と強く相関するため、scRepli-seqは1細胞でコンパートメント分布を推定できる強力な手法である。そこで、本研究では、マウスES細胞分化と初期胚発生に伴うscRepli-seqの経時的解析を行い、発生、分化に伴う三次元ゲノム構造変化を推定することを計画した。
前年度に引き続き、今年度も着床前初期胚を用いたscRepli-seq解析を行なった。4細胞期および8細胞期胚のS期全域の細胞を回収してscRepli-seqを行なったところ、これら2つのステージでは複製プロファイルが極めて類似していることが分かり、この時期に核内コンパートメント分布がほとんど変化しないことが示唆された。現在、卵割期の他のステージの解析を進めている。また、scRepli-seqデータからは細胞周期のS期の時期を算出できるが、4細胞期胚では1つの胚内に存在する4つの細胞の細胞周期がほぼ同調しているのに対し、8細胞期では細胞周期が大きくバラつき始めた胚が観察された。8細胞期胚は4細胞期胚よりも細胞分化が進行していると考えられることから、このバラつきが細胞の分化状態と相関しているとすれば興味深い。これを検討するために、現在、8細胞期胚における同一細胞からのscRepli-seqとscRNA-seq (RamDA-seq)を試みている。

Research Products

• [Journal Article] The Temporal Order of DNA Replication Shaped by Mammalian DNA Methyltransferases (2021)
  • Author(s): Shin-Ichiro Takebayashi, Tyrone Ryba, Kelsey Wimbish, Takuya Hayakawa, Morito Sakaue, Kenji Kuriya, Saori Takahashi, Shin Ogata, Ichiro Hiratani, Katsuzumi Okumura, Masaki Okano, Masato Ogata
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Pages: 266
  • DOI: 10.3390/cells10020266
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamics of transcription-mediated conversion from euchromatin to facultative heterochromatin at the Xist promoter by Tsix (2021)
  • Author(s): Tatsuya Ohhata, Kazuki Yamazawa, Asuka Miura-Kamio, Saori Takahashi, Satoshi Sakai, Yuka Tamura, Chiharu Uchida, Kyoko Kitagawa, Hiroyuki Niida, Ichiro Hiratani, Hisato Kobayashi, Hiroshi Kimura, Anton Wutz, Masatoshi Kitagawa
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 34 Pages: 108912
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108912
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mapping replication timing domains genome wide in single mammalian cells with single-cell DNA replication sequencing (2020)
  • Author(s): Hisashi Miura, Saori Takahashi, Takahiro Shibata, Koji Nagao, Chikashi Obuse, Katsuzumi Okumura, Masato Ogata, Ichiro Hiratani, Shin-Ichiro Takebayashi
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 12 Pages: 4058-4100
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0378-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Book] 実験医学別冊・クロマチン解析実践プロトコール (2020)
  • Author(s): 高橋沙央里、三浦尚、平谷伊智朗
  • Total Pages: 270
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2248-1