分化過程の染色体4D情報

• 研究領域: 染色体オーケストレーションシステム
• 研究課題/領域番号: 15H05976
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 白髭 克彦 東京大学, 定量生命科学研究所, 教授 (90273854)
• 研究分担者: 永江 玄太 東京大学, 先端科学技術研究センター, 講師 (10587348) ; 岡田 由紀 東京大学, 定量生命科学研究所, 准教授 (60546430)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2019年度)
• 配分額: 180,960千円 (直接経費: 139,200千円、間接経費: 41,760千円); 2019年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2018年度: 33,410千円 (直接経費: 25,700千円、間接経費: 7,710千円); 2017年度: 38,090千円 (直接経費: 29,300千円、間接経費: 8,790千円); 2016年度: 33,410千円 (直接経費: 25,700千円、間接経費: 7,710千円); 2015年度: 38,090千円 (直接経費: 29,300千円、間接経費: 8,790千円)
• キーワード: ゲノム / 発現制御 / 発生・分化 / 染色体 / 希少疾患 / 染色体構造 / 染色体構築 / 転写制御 / 染色体動態 / エピゲノム / 生体生命情報学

研究実績の概要

染色体高次構造形成及び制御において、コヒーシンとコヒーシンローダーの役割を明らかにするため、ヒト培養細胞においてこれらの因子をノックダウン（KD）してHi-C解析を行った。その結果、どちらのKD細胞でもトポロジカルドメイン（TAD）構造の大部分が消失していた。また、エンハンサーとプロモーター間の相互作用を解析したところ、コヒーシンとローダーのKDでは相互作用がそれぞれ86%と50%も失われた。一方で、発現変動遺伝子とあわせて解析を行ったところ、特に発現が上昇している遺伝子においてTAD境界をまたぐ異常なエンハンサー／プロモーター相互作用が新たに形成されていることが判明した。以上の結果、コヒーシンは巨大なドメイン構造から局所的なクロマチンループに至るまで、染色体高次構造形成において主要な役割を果たしており、これらの高次構造を介した正常な遺伝子発現制御にも寄与していると考えられた。
昨年度に確立した新規の精子可溶化法（平野・大杉との共同研究）を用い、精子ヒストン局在を再解析した結果、①精子ヒストンの多くは非遺伝子領域に局在し、どの領域にも顕著な濃縮は認められないこと、②一方で一部の精子ヒストンはメチル化修飾を有し、転写開始点やリピート領域などに修飾特異的な濃縮を示すこと、③従来広く用いられていたMNase切断法は転写開始点のシグナルを増大するアーチファクトの原因となること、を見出した。また転写開始点に濃縮するヒストンは、N末端テイル部分が切断される可能性を見出し、MS解析によってその切断点を同定した。さらに精子ヒストンのChIP-seq法を確立したことから、加齢が精子ヒストンの局在に影響するか否かを検討した。その結果、加齢マウス精子で顕著に変化する複数のヒストン修飾を見出し、エピゲノム遺伝における父方加齢の影響を示唆する知見が得られた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Hi-C技術の導入に遅れを取ったが、コヒーシンの変異が原因で引き起こされる希少疾患について、エンハンサーとプロモーターのミスコネクションによる遺伝子の活性化という予期しなかった新たな知見を得た。また、精子のエピゲノム解析技術を班内共同研究により立脚し、加齢精子について予想外の新たな知見を得た。いずれも論文執筆中あるいは投稿中である。これらの理由により概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

コヒーシン病に類似の新たな希少疾患をいくつか単離できたため、その染色体高次構造の解析をすすめる。in vitroでのコヒーシンによる転写活性化のシステムも既に構築しているので、ゲノム情報とin vitro情報を統合し、コヒーシンによる転写制御の分子実態を明らかにする。また、加齢による精子エピゲノムへの影響については引き続き詳細に検討し、加齢精子による次世代への影響について分子レベルで明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [国際共同研究] オックスフォード大学/クリック研究所(イギリス)
• [国際共同研究] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [国際共同研究] CIB-CSIC(スペイン)
• [国際共同研究] フィラデルフィアこども病院(アメリカ)
• [国際共同研究] ニュージャージ医科大学/フィラデルフィア小児病院(アメリカ)
• [国際共同研究] オックスフォード大学/アバディーン大学/The Francis Crick Institute(イギリス)
• [国際共同研究] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [国際共同研究] Chung-Aug大学(韓国)
• [国際共同研究] MFPL/IMP(オーストリア)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] ニュージャージー医科大学/フィラデルフィア小児病院(アメリカ)
• [国際共同研究] オックスフォード大学/アバディーン大学/The Francis Crick Institute(イギリス)
• [国際共同研究] Karolinska Institutet(スウェーデン)
• [国際共同研究] Chung-Ang 大学(韓国)
• [国際共同研究] MFPL/IMPIMP(オーストリア)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] The HSF1-PARP13-PARP1 complex facilitates DNA repair and promotes mammary tumorigenesis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Mitsuaki、Takii Ryosuke、Takaki Eiichi、Katiyar Arpit、Nakato Ryuichiro、Shirahige Katsuhiko、Nakai Akira
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 8 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01807-7
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] Cohesin Ubiquitylation and Mobilization Facilitate Stalled Replication Fork Dynamics. (2017)
  • 著者名/発表者名: Frattini C, Villa-Hernandez S, Pellicano G, Jossen R, Katou Y, Shirahige K, Bermejo R.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: 68 ページ: 758-772
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.10.012
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Functional annotation of chemical libraries across diverse biological processes (2017)
  • 著者名/発表者名: Piotrowski JS, Li SC, Deshpande R.......Shirahige K,......Boone C.
  • 雑誌名: Nat. Chem. Biol. 巻: 13 ページ: 1286-1286
  • DOI: 10.1038/nchembio.2436
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] MRG15-mediated tethering of PALB2 to unperturbed chromatin protects active genes from genotoxic stress. (2017)
  • 著者名/発表者名: Bleuyard JY, Fournier M, Nakato R, Couturier AM, Katou Y, Ralf C, Hester SS, Dominguez D, Rhodes D, Humphrey TC, Shirahige K, Esashi F.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 114 ページ: 7671-7676
  • DOI: 10.1073/pnas.1620208114
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Decreased cohesin in the brain leads to defective synapse development and anxiety-related behavior (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujita Y, Masuda K, Bando M, Nakato R, Katou Y, Tanaka T, Nakayama M, Takao K, Miyakawa T, Tanaka T, Ago Y, Hashimoto H, Shirahige K, Yamashita T.
  • 雑誌名: The Journal of Experiment Medicine 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 1431-1452
  • DOI: 10.1084/jem.20161517
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of a variant-specific phosphorylation of TH2A during spermiogenesis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hada M, Masuda K, Yamaguchi K, Shirahige K, Okada Y.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 ページ: 46228-46228
  • DOI: 10.1038/srep46228
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ChIP-seq Analysis of Condensin Complex in Cultured Mammalian Cells. (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakata T, Shirahige K, Sutani T.
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 1515 ページ: 257-271
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent advances in ChIP-seq analysis: from quality management to whole-genome annotation (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakato R, Shirahige K.
  • 雑誌名: Briefings in Bioinformatics 巻: 12 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1093/bib/bbw023
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Testis-Specific Histone Variant H3t Gene Is Essential for Entry into Spermatogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueda J., Harada A., Urahama T., Machida S., Maehara K., Hada M., Makino Y., Nogami J., Horikoshi N., Osakabe A., Taguchi H., Tanaka H., Tachiwana H., Yao T., Yamada M., Iwamoto T., Isotani A., Ikawa M., Tachibana T., Okada Y., Kimura H., Ohkawa Y., Kurumizaka H., Yamagata K.
  • 雑誌名: Cell Report 巻: 18(3) ページ: 593-600
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.065
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Epigenetic modifications and reprogramming in paternal pronucleus: sperm, preimplantation embryo, and beyond. (2017)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yamaguchi K
  • 雑誌名: Cell Mol Life Sci. 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chromatin determinants of the inner-centromere rely on replication factors with functions that impart cohesion. (2016)
  • 著者名/発表者名: Abe T, Kawasumi, R. Arakawa, H. Hori, T. Shirahige, K. Losada, A. Fukagawa, T. Branzei, D.
  • 雑誌名: Oncotarget. 巻: 7 ページ: 67934-67947
  • DOI: 10.18632/oncotarget.11982
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Attaching Accessory Devices to the Replisome. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sutani T, Shirahige K.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: 63(3) ページ: 347-8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2016.07.017
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Physical Association of Saccharomyces cerevisiae Polo-like Kinase Cdc5 with Chromosomal Cohesin Facilitates DNA Damage Response. (2016)
  • 著者名/発表者名: Pakchuen S, Ishibashi M, Takakusagi E, Shirahige K, Sutani T.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 巻: 291(33) ページ: 17228-46
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.727438
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] DNMT3A R882 mutant interacts with polycomb proteins to block hematopoietic stem and leukemic cell differentiation. (2016)
  • 著者名/発表者名: Koya J, Kataoka K, Sato T, Bando M, Kato Y, Tsuruta-Kishino T, Kobayashi H, Narukawa K, Miyoshi H, Shirahige K, Kurokawa M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 10924-10924
  • DOI: 10.1038/ncomms10924
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microarray expression analysis of genes involved in innate immune memory in peritoneal macrophages. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Renard-Guillet C, Inoue K, Shirahige K, Okada-Hatakeyama M, Ishii S.
  • 雑誌名: Genomics Data 巻: 7 ページ: 90-1
  • DOI: 10.1016/j.gdata.2015.11.028
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Condensin Relocalization from Centromeres to Chromosome Arms Promotes Top2 Recruitment during Anaphase. (2015)
  • 著者名/発表者名: Leonard J, Sen N, Torres R, Sutani T, Jarmuz A, Shirahige K, Aragon L.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 13(11) ページ: 2336-44
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2015.11.041
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The transcription factor ATF7 mediates lipopolysaccharide-induced epigenetic changes in macrophages involved in innate immunological memory (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Maekawa T, Zhu Y, Renard-Guillet C, Ishibashi K,Chatton B, Inoue K, Uchiyama T, Yamada T, Ohno N, Shirahige K, Okada-Hatakeyama M, Ishii S.
  • 雑誌名: Nat. Immunol. 巻: 16(10) ページ: 1034-1043
  • DOI: 10.1038/ni.3257
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Replication-Coupled PCNA Unloading by the Elg1 Complex Occurs Genome-wide and Requires Okazaki Fragment Ligation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kubota, Yuki Katou, Ryuichiro Nakato, Katsuhiko Shirahige, Anne D. Donaldson
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 12 ページ: 774-787
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2015.06.066
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Condensin targets and reduces unwound DNA structures associated with transcription in mitotic chromosome condensation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sutani, Toyonori Sakata, Ryuichiro Nakato, Koji Masuda, Mai Ishibashi, Daisuke Yamashita, Yutaka Suzuki, Tatsuya Hirano, Masashige Bando, Katsuhiko Shirahige
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 6 ページ: 10924-10924
  • DOI: 10.1038/ncomms8815
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Deubiquitinating Enzyme USP7 Regulates Androgen Receptor Activity by Modulating Its Binding to Chromatin. (2015)
  • 著者名/発表者名: Shu-Ting Chen, Maiko Okada, Ryuichiro Nakato, Kosuke Izumi, Masashige Bando and Katsuhiko Shirahige
  • 雑誌名: J Biol Chem. 巻: 290 ページ: 21713-21723
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.628255
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Esco1 acetylates cohesin via a mechanism different from that of Esco2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Masashi Minamino, Mai Ishibashi, Ryuichiro Nakato, Kazuhiro Akiyama, Hiroshi Tanaka, Yuki Kato, Lumi Negishi, Toru Hirota, Takashi Sutani, Masashige Bando, Katsuhiko Shirahige
  • 雑誌名: Curr Biol 巻: 25 ページ: 1694-1706
  • DOI: 10.1016/j.cub.2015.05.017
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Assembly of Slx4 signaling complexes behind DNA replication forks. (2015)
  • 著者名/発表者名: Attila Balint, TaeHyung Kim, David Gallo, Jose Renato Cussiol, Francisco M Bastos de Oliveira, Askar Yimit, Jiongwen Ou, Ryuichiro Nakato, Alexey Gurevich, Katsuhiko Shirahige, Marcus B Smolka, Zhaolei Zhang, Grant W Brown
  • 雑誌名: EMBO J. 巻: 34 ページ: 2182-2197
  • DOI: 10.15252/embj.201591190
  • 査読あり / オープンアクセスとしている / 国際共著/国際学会である / 謝辞記載あり
• [学会発表] Organization of 3D genome structure mediated by cohesin and CTCF (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyonari Sakata, Katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: EMBO Workshop “Evolution in the Time of Genome Architecture”
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] コヒーシンと染色体の高次機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyonari Sakata, Katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: 第76回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Analysis of human chromosome organization mediated by cohesin complex (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyonari Sakata, Katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: Genetic Networks (GN) Workshop
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Transcriptional regulation by cohesin and its loader (2017)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: 第9回NAGOYAグローバルリトリート
  • 発表場所: 愛知健康プラザ、愛知県大府市
  • 年月日: 2017-02-10
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] How cohesin and its loader regulate transcription? Clues from newly identi ed disease andin vitro reconstitution system (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: トロント大学のセミナー
  • 発表場所: Genetic Link of Human Rare Diseases Identify Regulatory Mechanism of Transcription by Cohesin and its Loader
  • 招待講演
• [学会発表] 希少疾患と癌、その共通の分子病態から学ぶ転写伸長因子コヒーシンの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 愛知県がんセンター セミナー
  • 発表場所: 愛知県がんセンター、愛知県名古屋市
  • 招待講演
• [学会発表] DNA 複製の過去・現在・未来 - ゲノム複製からエピゲノム複製へ (2016)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 岡崎フラグメント50周年シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋大学、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-12-21
  • 招待講演
• [学会発表] Transcriptional regulation by cohesin and its loader (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: CdLS symposium
  • 発表場所: アメリカ、フロリダ
  • 年月日: 2016-06-21
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Genetic Link of Human Rare Diseases Identify Regulatory Mechanism of Transcription by Cohesin and its Loader (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: CIFAR Genetic Network Workshop
  • 発表場所: カナダ、トロント
  • 年月日: 2016-04-15
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] Transcriptional regulation by Cohesin and its loader (2015)
  • 著者名/発表者名: Katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: International conference of the Korean Society for molecular and cellular biology
  • 発表場所: Soul、Korea
  • 年月日: 2015-09-22
  • 国際共著/国際学会である / 招待講演
• [学会発表] The crude Lysate system to analyze transcriptional regulation by cohesin loader (2015)
  • 著者名/発表者名: Katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: CSH Mechanisms of Eukaryotic Transcription
  • 発表場所: NY, USA
  • 年月日: 2015-08-25
  • 国際共著/国際学会である
• [備考] 染色体オーケストレーションシステム
  • URL: http://www.chromosomeos.com/
• [学会・シンポジウム開催] The Second meeting on SMC proteins (2017)
• [学会・シンポジウム開催] The 4th Meeting on GRANT-IN-AID FOR SCIENTIFIC RESEARCH ON INNOVATIVE AREAS “CHROMOSOME ORCHESTRATION SYSTEM (CHROMOSOME OS)” (2017)
  • 発表場所: イギリス、ロンドン
  • 年月日: 2017-02-20
• [学会・シンポジウム開催] International Symposium on “Chromosome Orchestration System” (2016)
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市)
  • 年月日: 2016-03-01