生細胞解析による転写制御におけるクロマチン修飾の意義の解明

• 研究課題/領域番号: 17H01417
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 分子生物学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 木村 宏 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30241392)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 42,510千円 (直接経費: 32,700千円、間接経費: 9,810千円); 2020年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2019年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2018年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2017年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: 遺伝子発現 / クロマチン / ヒストン修飾 / 転写制御 / 遺伝子発現制御 / 生細胞イメージング / エピジェネティクス / 転写調節 / 細胞分化 / ストレス応答 / 遺伝子 / 発現制御 / 発生・分化 / ゲノム / シグナル伝達

研究成果の概要

細胞が分化や外部からのシグナルに応答する際に遺伝子発現が変動する。本研究は、転写の活性化と不活性化におけるヒストン修飾の意義を理解するために、独自に開発した生細胞の翻訳後修飾可視化系を駆使した解析を行った。転写活性化においては、熱ショックストレス誘導性転写活性化にヒストンH3のアセチル化が重要であることを明らかにした。また、マウス胚性幹細胞の分化の過程で、X染色体が不活性化する際に、ヒストンH3とH4のメチル化が起こる様子を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、刺激に応答した遺伝子活性化過程や発生・分化過程におけるクロマチン修飾の時空間的変化を明らかにした。クロマチン構造変化と転写の制御は遺伝子発現の根幹を成しており、単一細胞レベルでの生細胞計測を中心とした解析により、この制御機構の一端を解明することができた。この基盤研究の成果は、高効率な脱分化系・分化誘導系の確立や薬物動態評価等の基盤技術開発にも将来的につながると考えられ、再生医療、生殖医療、薬剤開発等にも広く波及効果を及ぼすと期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute, CBG, Dresden/Karlsruhe Institute of Technology/European Molecular Biology Laboratory(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
• [国際共同研究] Unversity of Cambridge/Crick Institute(英国)
• [国際共同研究] Colorado State University(米国)
• [国際共同研究] Max Planck Institute - CBG, Dresden/European Molecular Biology Laboratory(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
• [国際共同研究] Colorado State University/HHMI Janelia Research Campus(米国)
• [国際共同研究] Curie Institute(フランス)
• [国際共同研究] Cambridge University(英国)
• [国際共同研究] EMBL/MPI- Molecular Cell Biology and Genetics/Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [国際共同研究] キュリー研究所(フランス)
• [国際共同研究] フロリダ州立大学/コロラド州立大学(米国)
• [国際共同研究] ケンブリッジ大学(英国)
• [雑誌論文] RNA polymerase II condensate formation and association with Cajal and histone locus bodies in living human cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Imada Takashi、Shimi Takeshi、Kaiho Ai、Saeki Yasushi、Kimura Hiroshi
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: - 号: 5 ページ: 298-312
  • DOI: 10.1111/gtc.12840
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] H4K20me1 and H3K27me3 are concurrently loaded onto the inactive X chromosome but dispensable for inducing gene silencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Tjalsma Sjoerd J D、Hori Mayako、Sato Yuko、Bousard Aurelie、Ohi Akito、Raposo Ana Claudia、Roensch Julia、Le Saux Agnes、Nogami Jumpei、Maehara Kazumitsu、Kujirai Tomoya、Handa Tetsuya、Bages‐Arnal Sandra、Ohkawa Yasuyuki、Kurumizaka Hitoshi、da Rocha Simao Teixeira、Zylicz Jan J、Kimura Hiroshi、Heard Edith
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 22 号: 3
  • DOI: 10.15252/embr.202051989
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcription organizes euchromatin via microphase separation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hilbert Lennart、Sato Yuko、Kuznetsova Ksenia、Bianucci Tommaso、Kimura Hiroshi、Julicher Frank、Honigmann Alf、Zaburdaev Vasily、Vastenhouw Nadine L.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1360-1360
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21589-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Live-cell epigenome manipulation by synthetic histone acetylation catalyst system (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Yusuke、Yamanashi Yuki、Fujimura Akiko、Sato Yuko、Kujirai Tomoya、Kurumizaka Hitoshi、Kimura Hiroshi、Yamatsugu Kenzo、Kawashima Shigehiro A.、Kanai Motomu
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 4
  • DOI: 10.1073/pnas.2019554118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualizing transcription sites in living cells using a genetically encoded probe specific for the elongating form of RNA polymerase II (2021)
  • 著者名/発表者名: Uchino Satoshi、Ito Yuma、Sato Yuko、Handa Tetsuya、Ohkawa Yasuyuki、Tokunaga Makio、Kimura Hitoshi
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 441582-441582
  • DOI: 10.1101/2021.04.27.441582
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Chromatin integration labeling for mapping DNA-binding proteins and modifications with low input. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Handa, Akihito Harada, Kazumitsu Maehara, Shoko Sato, Masaru Nakao, Naoki Goto, Hitoshi Kurumizaka, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura.
  • 雑誌名: Nat Protoc. 巻: 15 号: 10 ページ: 3334-3360
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0375-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Histone modification dynamics as revealed by multicolor immunofluorescence-based single-cell analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayashi-Takanaka Yoko、Kina Yuto、Nakamura Fumiaki、Becking Leontine E.、Nakao Yoichi、Nagase Takahiro、Nozaki Naohito、Kimura Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 133 号: 14
  • DOI: 10.1242/jcs.243444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcription-dependent cohesin repositioning rewires chromatin loops in cellular senescence (2020)
  • 著者名/発表者名: Olan Ioana、Parry Aled J.、Schoenfelder Stefan、Narita Masako、Ito Yoko、Chan Adelyne S. L.、Slater Guy St.C.、Bihary Dora、Bando Masashige、Shirahige Katsuhiko、Kimura Hiroshi、Samarajiwa Shamith A.、Fraser Peter、Narita Masashi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 6049-6049
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19878-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-molecule imaging reveals control of parental histone recycling by free histones during DNA replication (2020)
  • 著者名/発表者名: Gruszka D. T.、Xie S.、Kimura H.、Yardimci H.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 38
  • DOI: 10.1126/sciadv.abc0330
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intrabody-based FRET probe to visualize endogenous histone acetylation (2019)
  • 著者名/発表者名: Chung Chan-I、Sato Yuko、Ohmuro-Matsuyama Yuki、Machida Shinichi、Kurumizaka Hitoshi、Kimura Hiroshi、Ueda Hiroshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 10188-10188
  • DOI: 10.1038/s41598-019-46573-2
  • NAID: 120006936925
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Histone H3K27 acetylation precedes active transcription during zebrafish zygotic genome activation as revealed by live cell analysis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Y, Hilbert L, Oda H, Wan Y, Heddleston JM, Chew T-L, Zaburdaev V, Keller P, Lionnet T, Vastenhouw N, and Kimura H
  • 雑誌名: Development 巻: 146 号: 19
  • DOI: 10.1242/dev.179127
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A mosaic of old and young nucleoporins (2019)
  • 著者名/発表者名: Shimi Takeshi、Kimura Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Cell Biology 巻: 218 号: 2 ページ: 385-386
  • DOI: 10.1083/jcb.201811170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heterochromatin suppresses gross chromosomal rearrangements at centromeres by repressing Tfs1/TFIIS-dependent transcription (2019)
  • 著者名/発表者名: Okita Akiko K.、Zafar Faria、Su Jie、Weerasekara Dayalini、Kajitani Takuya、Takahashi Tatsuro S.、Kimura Hiroshi、Murakami Yota、Masukata Hisao、Nakagawa Takuro
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 2 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0251-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative measurements of chromatin modification dynamics during zygotic genome activation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuko Sato, Lennart Hilbert, Haruka Oda, Yinan Wan, John M. Heddleston, Teng-Leong Chew, Vasily Zaburdaev, Philipp Keller, Timothee Lionnet, Nadine Vastenhouw, Hiroshi Kimura
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 601393 ページ: 601393-601393
  • DOI: 10.1101/601393
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A chromatin integration labelling method enables epigenomic profiling with lower input (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada Akihito、Maehara Kazumitsu、Handa Tetsuya、Arimura Yasuhiro、Nogami Jumpei、Hayashi-Takanaka Yoko、Shirahige Katsuhiko、Kurumizaka Hitoshi、Kimura Hiroshi、Ohkawa Yasuyuki
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 21 号: 2 ページ: 287-296
  • DOI: 10.1038/s41556-018-0248-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] NOTCH-mediated non-cell autonomous regulation of chromatin structure during senescence (2018)
  • 著者名/発表者名: Parry AJ, Hoare M, Bihary D, Hansel-Hertsch R, Smith S, Tomimatsu K, Mannion E, Smith A, D'Santos P, Russel IA, Balasubramanian S, Kimura H, Samarajiwa SA, Narita M.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 9 号: 1 ページ: 1840-1840
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04283-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Visualizing the Dynamics of Inactive X Chromosomes in Living Cells Using Antibody-Based Fluorescent Probes (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuko、Stasevich Timothy J.、Kimura Hiroshi
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1861 ページ: 91-102
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-8766-5_8
  • ISBN: 9781493987658, 9781493987665
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ヌクレオームコンソーシアム (2018)
  • 著者名/発表者名: TASHIRO Satoshi、KIMURA Hiroshi
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 58 号: 4 ページ: 221-222
  • DOI: 10.2142/biophys.58.221
  • NAID: 130007420879
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 遺伝子不活性化マークを生細胞で観察できる蛍光プローブ (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤優子、木村 宏
  • 雑誌名: 化學工業 巻: 69 ページ: 589-594
• [雑誌論文] Transcription organizes euchromatin similar to an active microemulsion (2018)
  • 著者名/発表者名: Hilbert Lennart、Sato Yuko、Kimura Hiroshi、J?licher Frank、Honigmann Alf、Zaburdaev Vasily、Vastenhouw Nadine
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 234112-234112
  • DOI: 10.1101/234112
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 共焦点レーザー走査顕微鏡 iii. FRAP/FLIP (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 雑誌名: 実験医学増刊 巻: 36 ページ: 50-51
• [雑誌論文] H3S10ph broadly marks early-replicating domains in interphase ESCs and shows reciprocal antagonism with H3K9me2. (2018)
  • 著者名/発表者名: Chen CCL, Goyal P, Karimi MM, Abildgaard MH, Kimura H, Lorincz MC.
  • 雑誌名: Genome Res 巻: 28 号: 1 ページ: 37-51
  • DOI: 10.1101/gr.224717.117
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Tracking histone and RNA polymerase II modifications in living cells using genetically encoded probes (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi kimura
  • 学会等名: RIKEN BDR Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gene regulation and chromatin dynamics in living cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: The 79th of Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
  • 招待講演
• [学会発表] 転写活性化に伴うヒストンアセチル化とクロマチンのダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Chromatin modification dynamics during gene activation and inactivation in living cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: CSHL Meeting "Nuclear Organization & Function"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chromatin Modification Dynamics in Living Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: Gordon Research Conference "Chromatin Structure and Function"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sensing Histone Modification and Transcription Dynamics in Living Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: 2nd Epigenetics and Bioengineering Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chromatin modification dynamics during gene activation in living cells and embryos (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kimura
  • 学会等名: Joint Annual Meeting of JSDB 51st and JSCB 70th
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クロマチン修飾ダイナミクス 生細胞イメージングとエピゲノム解析の融合に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第91回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] ヒストン修飾と転写の生細胞動態から捉えるクロマチンポテンシャル (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村 宏
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] クロマチン修飾ダイナミクスと転写制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村宏
  • 学会等名: 第40回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [備考] 東京工業大学・科学技術創成研究院・細胞制御工学研究センター
  • URL: http://www.rcb.iir.titech.ac.jp/index.html
• [備考] 東京工業大学・科学技術創成研究院・細胞制御工学研究センター・木村研究室
  • URL: http://kimura-lab.bio.titech.ac.jp/
• [備考] 東京工業大学リサーチディボジトリ／木村宏
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100673940
• [備考] 東京工業大学 木村宏研究室
  • URL: http://kimura-lab.bio.titech.ac.jp/
• [備考] 東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター
  • URL: http://www.rcb.iir.titech.ac.jp/
• [備考] 東京工業大学 研究者情報
  • URL: https://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100673940
• [備考] 東工大 木村宏 研究室
  • URL: http://kimura-lab.bio.titech.ac.jp/index.html
• [備考] 東工大 細胞制御工学研究センター
  • URL: http://www.rcb.iir.titech.ac.jp/
• [備考] 東工大 木村宏 研究者情報
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100673940#
• [産業財産権] ヒストンH3トリメチル化リシン特異的モノクローナル抗体又はその抗原結合性断片 (2017)
  • 発明者名: 木村 宏、佐藤優子、大井彰人、胡桃坂仁志、鯨井智也、他
  • 権利者名: 東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-111580
  • 出願年月日: 2017