2021 Fiscal Year Annual Research Report

GTP 枯渇に応答したエピジェネティックな遺伝子発現制御機構の解明

Research Project

Project/Area Number	21J15569
Research Institution	University of Fukui
Principal Investigator	綾野貴仁福井大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2023-03-31
Keywords	エピジェネティクス / IMD2 / GTP / ヘテロクロマチン
Outline of Annual Research Achievements	近年のエピジェネティクス研究において、発生や分化、環境の変化に応答してヒストンの修飾状態が変化することでクロマチン構造が変化し、そのクロマチン領域近傍の遺伝子発現が制御されることが明らかとなってきた。しかし、多くの染色体上のイベントが解明されてきたが、エピジェネティックなスイッチが入ってから、クロマチン構造が変化し、遺伝子の発現が誘導されるまでの中間イベントは未だに分かっていない。また、最近では細胞集団において個々の細胞間で遺伝子の発現パターンが異なることが報告されているが、そのような細胞間で異なる遺伝子発現の制御メカニズムは解明されていない。本研究では、未だに解明されていないエピジェネティック制御のスイッチが入ってから、クロマチン構造が変化し、変化したクロマチン領域内の遺伝子発現が誘導されるまでの中間イベントを明らかにすること、また細胞集団内における個々の細胞間の不均一な遺伝子発現制御メカニズムの解明を目的としている。そこで私は出芽酵母をモデル生物として、遺伝子を抑制するヘテロクロマチン領域が変動し、領域内の遺伝子が誘導されるまでの一連のメカニズムを解明するため、GTP の枯渇に応答して発現誘導される遺伝子 IMD2 に注目し、GTP をスイッチとしたエピジェネティックな発現誘導機構と、細胞集団内において不均一な IMD2 の発現状態を制御するメカニズムの解明を進めている。これまでにエピジェネティック制御に関わる因子のスクリーニングにより、ヒストン修飾に関わる因子が GTP 枯渇時の IMD2 の発現誘導に必要なことを明らかにした。また、ヒストン修飾阻害剤や GTP 生合成に必要な試料を添加することで細胞集団における IMD2 の発現状態が一様に変化したことから、細胞間不均一性が GTP に応答してエピジェネティックに制御されることを見出した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason これまでに GTP 枯渇に応答した IMD2 の発現誘導に必要な因子を同定するためのスクリーニングと、細胞集団における IMD2 の細胞間で異なる発現状態を解析するために薬剤等を用いた一細胞解析を行ってきた。 GTP 枯渇による発現誘導に必要な因子のスクリーニングでは、当研究室で同定したヘテロクロマチン領域制御に関わる因子を対象に、GTP 生合成阻害剤添加時の影響から発現誘導に関係する因子を複数同定した。また、GTP 生合成阻害剤だけでなく、ヒストン修飾阻害剤により、発現状態を制御できることを明らかにした。これらの薬剤による発現誘導において、スクリーニングより得られた、ヒストン修飾因子が影響するだけでなく、各薬剤誘導時の発現状態の差より GTP 枯渇による誘導では複数のヒストン修飾因子が使い分けられていることを見出した。また、並行して酵母の全遺伝子を対象にした異なるスクリーニングも継続している。一細胞追跡系による細胞間不均一性制御の解析では、ヒストン修飾阻害剤や GTP 生合成に必要な試料の添加により、個々の細胞の発現状態が一様に変化し、細胞間の不均一な発現状態が GTP に応答してエピジェネティックに制御されることを見出した。また、スクリーニングより得られたヒストン修飾因子の影響を一細胞系で解析した結果、同定した因子は細胞間の発現状態を制御し、薬剤による発現誘導だけでなく不均一性制御にも関与することを明らかにした。
Strategy for Future Research Activity	私はこれまでに、GTP の枯渇に応答した遺伝子発現誘導に関与する因子のスクリーニングを行いヒストン修飾因子が影響することを明らかにした。また一細胞追跡系により細胞間不均一性が GTP に応答してエピジェネティックに制御されていることを見出した。従って今後は、継続して全遺伝子から「GTP 枯渇に応答した発現誘導に関わる制御因子のスクリーニング」を行う。それにより同定した因子について、RT-qPCR により発現誘導への影響を確認後、GTP 枯渇時の影響を一細胞追跡系により観察し、発現量や発現タイミング、細胞集団中の発現割合等を解析することで、IMD2 の発現誘導機構を解明する。また、「細胞間不均一性制御因子の同定」のため、前述のスクリーニングより同定した因子や、これまでに同定したヒストン修飾因子の遺伝子破壊株を作製する。一細胞系により ON 細胞と OFF 細胞の割合や、発現状態の切り替わるタイミング等から、各因子の不均一制御に対する効果や規則性を明らかにする。また GTP 生合成阻害剤等の各種薬剤を使用し、各因子がエピジェネティック制御とジェネティック制御のどちらに関わるかを明らかにし、不均一性の制御機構に関わる因子を同定する。