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マウス変異体を用いた非ドメイン型RNAの生理機能解析

計画研究

研究領域非ドメイン型バイオポリマーの生物学:生物の柔軟な機能獲得戦略
研究課題/領域番号 21H05274
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関北海道大学

研究代表者

中川 真一  北海道大学, 薬学研究院, 教授 (50324679)

研究分担者 荒木 喜美  熊本大学, 生命資源研究・支援センター, 教授 (90211705)
研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
176,930千円 (直接経費: 136,100千円、間接経費: 40,830千円)
2025年度: 26,780千円 (直接経費: 20,600千円、間接経費: 6,180千円)
2024年度: 26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)
2023年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円)
2022年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円)
2021年度: 70,720千円 (直接経費: 54,400千円、間接経費: 16,320千円)
キーワードncRNA / 超天然変性タンパク質 / ゲノム編集 / 天然変性領域 / ノンコーディングRNA / ノックアウトマウス / 選択的スプライシング / 4,5SH / lncRNA / 相分離 / Neat1 / パラスペックル / 4.5SH / UGS148 / Tanycyte / 超解像顕微鏡
研究開始時の研究の概要

「重要な機能を持つRNAやタンパク質などの生体高分子の一次配列は、種間で高度に保存されている」。これが分子生物学の発展を支えてきた基本的なドグマです。ところが、種間で保存された配列や機能ドメインをほとんど持たないにもかかわらず、細胞内あるいは試験管内の反応で重要な分子機能を発揮することが確認された遺伝子産物が、近年相次いで報告されています。本研究では、一次配列から機能を予測することができないようなノンコーディングRNAや超天然変性タンパク質に注目し、それらのマウスの変異体を作製して表現型を解析することで、「非ドメイン型」遺伝子の生理機能を明らかにしてゆきます。

研究実績の概要

これまでの研究で、機能未知のノンコーディングRNAである4.5SHノックアウトマウスが胎生致死になることが明らかとなっていた。4.5SHの分子機能を明らかにするためにKOマウスから作製したES細胞を用いてRNA-Seq解析を行ったところ、野生型では見られない異常エクソンが100個以上の遺伝子に突如として出現することが分かった。これらの異常エクソンはストップコドン変異やフレームシフト変異を含有しており、ホスト遺伝子の機能を喪失させているものと考えられた。また、これらの異常エクソンは、4.5SHと高い配列の相同性を持つレトロトランスポゾンSINE B1がアンチセンス方向に挿入されたものであった。つまり、4.5SHは異常エクソンとなるSINE B1のアンチセンス挿入配列を含むpre-mRNAと相補鎖を形成し、その配列がエクソン化することを防ぐことで、正常なトランスクリプトームを担保していることが明らかとなった。さらに詳細なメカニズムを明らかにするために4.5SHのドメイン解析を行ったところ、4.5SHはエクソンスキッピングを誘導するためのエフェクターと結合するモジュールと、標的配列に結合するモジュールに分かれていることが明らかとなった。また、エフェクター結合モジュールは、hnRNPM、Sfpq、Nonoなど、pre-mRNAのイントロン領域と結合するRNA結合タンパク質群と複合体を作っていることも明らかとなった。さらに、4.5SHの標的配列結合モジュールを任意のエクソンの相補的な配列と入れ替えることで、そのエクソンのスキッピングを誘導することができることも明らかとなった。
この他、廣瀬との共同研究で非膜オルガネラの区画化を制御するメカニズムを明らかとしたほか、泊との共同研究でマウスの生存に必須な超天然変性タンパク質を新たに同定した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

4.5SHに関する研究成果は当所の計画には入っていなかったが、予想外の展開を見せ、非常に大きな成果を上げることが出来た。この発見は、以下の点で非常に重要な意味を持つものである。1)エクソンスキッピングがノンコーディングRNAで制御されていることを実験的に明確に示した初めての例である。2)この発見により、RNAi、CRISPR-Cas9に続く、第三のプログラマブルな制御RNAー任意のエクソンのスキッピングを誘導するRNAーをデザインすることが可能となった。3)4.5SHは発見依頼40年以上その機能が謎とされてきたが、ついにその生理機能を明らかにすることが出来た。4)4.5SHを持つ種はSINE B1を持つ種と一致しているという進化上の謎を解くことが出来た。この成果は、分子生物学のトップジャーナルであるMolecular Cellに発表することが出来た。また、領域内の共同研究も予想外の進展を見せ、計画研究の廣瀬と行った非膜オルガネラの特異性に関する研究は細胞生物学分野のトップジャーナルであるNature Cell Biologyに掲載された。さらに、計画研究の泊と行った研究も順調に進行しており、新たに、胎生致死の表現型を示す超天然変性タンパク質を同定することが出来た。これらの成果を総合すると、当所の野心的な計画のさらに上を行く画期的な成果を得られたと言える。

今後の研究の推進方策

引き続き非ドメイン型RNAであるノンコーディングRNA群の生理機能解析を進める。特に、計画研究代表者の廣瀬とすすめている典型的な非ドメイン型RNAであるNeat1の生理機能解析に焦点を当て、その生理機能と分子動作機構の解明を試みる。また、超天然変性タンパク質のノックアウトマウスで胎生致死の表現型を示すものがすでに4ライン得られているので、今後は新たな分子の探索ではなく、個別の遺伝子の動作機構の詳細な解析を集中的に行う。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 11件、 査読あり 16件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件) 産業財産権 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] The University of Texas/Texas A&M University(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Long noncoding RNA Malat1 protects against osteoporosis and bone metastasis.2024

    • 著者名/発表者名
      Zhao Y, Ning J, Teng H, Deng Y, Sheldon M, Shi L, Martinez C, Zhang J, Tian A, Sun Y, Nakagawa S, Yao F, Wang H, Ma L.
    • 雑誌名

      Nat Commun

      巻: 15 号: 1 ページ: 2384-2384

    • DOI

      10.1038/s41467-024-46602-3

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The early macrophage response to pathogens requires dynamic regulation of the nuclear paraspeckle.2023

    • 著者名/発表者名
      Azam S, Armijo KS, Weindel CG, Chapman MJ, Devigne A, Nakagawa S, Hirose T, Carpenter S, Watson RO, Patrick KL
    • 雑誌名

      Proc Natl Acad Sci U S A

      巻: 121 号: 9

    • DOI

      10.1073/pnas.2312587121

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 4.5SH RNA counteracts deleterious exonization of SINE B1 in mice2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshimoto Rei、Nakayama Yuta、Nomura Ikuko、Yamamoto Ikuko、Nakagawa Yumeka、Tanaka Shigeyuki、Kurihara Misuzu、Suzuki Yu、Kobayashi Takehiko、Kozuka-Hata Hiroko、Oyama Masaaki、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Yamazaki Tomohiro、Hirose Tetsuro、Araki Kimi、Nakagawa Shinichi
    • 雑誌名

      Molecular Cell

      巻: 83 号: 24 ページ: 4479-4493

    • DOI

      10.1016/j.molcel.2023.11.019

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nondomain biopolymers: Flexible molecular strategies to acquire biological functions2023

    • 著者名/発表者名
      Arakawa K, Hirose T, Inada T, Ito T, Kai T, Oyama M, Tomari Y, Yoda T, Nakagawa S.
    • 雑誌名

      Genes to Cells

      巻: 28 号: 8 ページ: 539-552

    • DOI

      10.1111/gtc.13050

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Long non-coding RNAs: definitions, functions, challenges and recommendations2023

    • 著者名/発表者名
      Mattick John S.、Amaral Paulo P.、Carninci Piero、et al.
    • 雑誌名

      Nature Reviews Molecular Cell Biology

      巻: - 号: 6 ページ: 430-447

    • DOI

      10.1038/s41580-022-00566-8

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Shell protein composition specified by the lncRNA NEAT1 domains dictates the formation of paraspeckles as distinct membraneless organelles2023

    • 著者名/発表者名
      Takakuwa Hiro、Yamazaki Tomohiro、Souquere Sylvie、Adachi Shungo、Yoshino Hyura、Fujiwara Naoko、Yamamoto Tetsuya、Natsume Tohru、Nakagawa Shinichi、Pierron Gerard、Hirose Tetsuro
    • 雑誌名

      Nature Cell Biology

      巻: 25 号: 11 ページ: 1664-1675

    • DOI

      10.1038/s41556-023-01254-1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] ILF3 prion-like domain regulates gene expression and fear memory under chronic stress2023

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Akira、Shichino Yuichi、Fujii Kazuki、Koshidaka Yumie、Adachi Mayumi、Sasagawa Eri、Mito Mari、Nakagawa Shinichi、Iwasaki Shintaro、Takao Keizo、Shiina Nobuyuki
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 26 号: 3 ページ: 106229-106229

    • DOI

      10.1016/j.isci.2023.106229

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] lncRNA Neat1 regulates neuronal dysfunction post sepsis via stabilization of hemoglobin subunit beta2022

    • 著者名/発表者名
      Wu Yan、Li Pengfei、Liu Liu、Goodwin Andrew J.、Halushka Perry V.、Hirose Tetsuro、Nakagawa Shinichi、Zhou Jiliang、Liu Meng、Fan Hongkuan
    • 雑誌名

      Molecular Therapy

      巻: - 号: 7 ページ: 2618-2632

    • DOI

      10.1016/j.ymthe.2022.03.011

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Species-specific formation of paraspeckles in intestinal epithelium revealed by characterization of <i>NEAT1</i> in naked mole-rat2022

    • 著者名/発表者名
      Yamada Akihiro、Toya Hikaru、Tanahashi Mayuko、Kurihara Misuzu、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Kurosaka Satoshi、Takumi Toru、Fox Archa、Kawamura Yoshimi、Miura Kyoko、Nakagawa Shinichi
    • 雑誌名

      RNA

      巻: 28 号: 8 ページ: 1128-1143

    • DOI

      10.1261/rna.079135.122

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] MiR-150 Attenuates Maladaptive Cardiac Remodeling Mediated by Long Noncoding RNA MIAT and Directly Represses Profibrotic <i>Hoxa4</i>2022

    • 著者名/発表者名
      Aonuma Tatsuya、Moukette Bruno、Kawaguchi Satoshi、Barupala Nipuni P.、Sep?lveda Marisa N.、Frick Kyle、Tang Yaoliang、Guglin Maya、Raman Subha V.、Cai Chenleng、Liangpunsakul Suthat、Nakagawa Shinichi、Kim Il-man
    • 雑誌名

      Circulation: Heart Failure

      巻: - 号: 4

    • DOI

      10.1161/circheartfailure.121.008686

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The lncRNA Caren antagonizes heart failure by inactivating DNA damage response and activating mitochondrial biogenesis2021

    • 著者名/発表者名
      Sato Michio, Kadomatsu Tsuyoshi, Miyata Keishi, Warren Junco S., Tian Zhe、Node Koichi、Araki Kimi、 Oike Yuichi et al
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 号: 1 ページ: 2529-2529

    • DOI

      10.1038/s41467-021-22735-7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] ArcRNAs and the formation of nuclear bodies.2021

    • 著者名/発表者名
      Shinichi Nakagawa, Tomohiro Yamazaki, Taro Mannen, Tetsuro Hirose
    • 雑誌名

      Mammalian Genome

      巻: - 号: 2 ページ: 382-401

    • DOI

      10.1007/s00335-021-09881-5

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Paraspeckles are constructed as block copolymer micelles.2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Yamazaki, Tetsuya Yamamoto, Hyura Yoshino, Sylvie Souquere, Shinichi Nakagawa, Gerard Pierron, Tetsuro Hirose
    • 雑誌名

      EMBO Journal

      巻: - 号: 12

    • DOI

      10.15252/embj.2020107270

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A histone modifier, ASXL1, interacts with NONO and is involved in paraspeckle formation in hematopoietic cells2021

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Keita、Goyama Susumu、Asada Shuhei、Fujino Takeshi、Yonezawa Taishi、Sato Naru、Takeda Reina、Tsuchiya Akiho、Fukuyama Tomofusa、Tanaka Yosuke、Yokoyama Akihiko、Toya Hikaru、Kon Ayana、Nannya Yasuhito、Onoguchi-Mizutani Rena、Nakagawa Shinichi、Hirose Tetsuro、Ogawa Seishi、Akimitsu Nobuyoshi、Kitamura Toshio
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 36 号: 8 ページ: 109576-109576

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2021.109576

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] NEAT1 is essential for metabolic changes that promote breast cancer growth and metastasis.2021

    • 著者名/発表者名
      Mi Kyung Park, Li Zhang, Kyung-Won Min, 中略, Tetsuro Hirose, Je-Hyun Yoon, Min Sup Song
    • 雑誌名

      Cell metabolism

      巻: 33 号: 12 ページ: 2380-2397

    • DOI

      10.1016/j.cmet.2021.11.011

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The cell type‐specific ER membrane protein UGS148 is not essential in mice2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Osamu、Tanahashi Mayuko、Yokoi Saori、Kaneko Mari、Yanaka Kaori、Nakagawa Shinichi、Maita Hiroshi
    • 雑誌名

      Genes to Cells

      巻: 27 号: 1 ページ: 43-60

    • DOI

      10.1111/gtc.12910

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development2023

    • 著者名/発表者名
      Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      RNA 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development2023

    • 著者名/発表者名
      Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      RNA granule meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Regulation of alternative splicing by short noncoding RNA2023

    • 著者名/発表者名
      Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      EMBL meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Regulation of alternative splicing by short ncRNA2022

    • 著者名/発表者名
      Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      CSHL meeting Regulatory and Noncoding RNAs
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The short noncoding RNA 4.5SH functions as an antidote for exonizations caused by the antisense insertions of retrotransposon SINE B1 during murine evolution2022

    • 著者名/発表者名
      Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      RNA Society Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Physiological analyses of super-disordered proteins mutant mice2022

    • 著者名/発表者名
      Shinichi Nakagawa
    • 学会等名
      日本生化学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 4.5SH RNAのエフェクター結合モジュールを用いたデザイナブルな人工スプライシング制御RNAの開発2022

    • 著者名/発表者名
      芳本玲、中山雄太、荒木喜美、中川真一
    • 学会等名
      日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] マウス目特異的なリピート関連ノンコーディングRNA 4.5SHによる生体制御2021

    • 著者名/発表者名
      中川 真一
    • 学会等名
      第44回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [産業財産権] 人口RNA分子2023

    • 発明者名
      芳本玲、中川真一
    • 権利者名
      芳本玲、中川真一
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-076674
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] RIKEN symposium: Architecture and functions of biological assemblies2023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2025-06-20  

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