ヒストン組成の多様性が可能とする遺伝子発現量制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 19H03158
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43010:分子生物学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 前原 一満 九州大学, 生体防御医学研究所, 助教 (90726431)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2021年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2020年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2019年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: ヒストンバリアント / クロマチン / ホッジ分解 / エネルギー地形

研究開始時の研究の概要

本研究では、ホッジ分解と呼ばれる数理的手法を応用した一細胞データに内在する「多層的な時間構造」を抽出する技術を開発する。これを独自に開発した少数細胞エピゲノムプロファイル法により取得した骨格筋の分化・再生過程の一細胞データに時間構造を与える。そして、データ駆動的にクロマチン構造変化のダイナミクスをエネルギー地形として再構築する。これらのアプローチにより、細胞分化におけるクロマチン構造変化を時空間的に理解することで、ヒストン組成の多様性が可能とする遺伝子発現量制御機構の解明を目指す。

研究成果の概要

骨格筋の分化／再生をモデルとして、筋組織のヒストン組成と分化の関係をより詳細に解析するため、ChILの技術を応用し、微小な組織切片のゲノムワイドなクロマチン解析技術を確立した。また、シングルセルデータからエネルギーランドスケープを再構築するデータ解析法を開発した。さらに、ChIL法を発展させ、２つの抗体を同時に用いた手法に拡張した。同一細胞内で異種分子の差を見ることで、分化時クロマチンのダイナミクス抽出への応用を試みている。新規ヒストンバリアントの解析は共同研究を中心に論文成果を挙げた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

細胞分化におけるクロマチン構造変化を時空間的に解析する技術を確立することで、ヒストン組成の多様性が可能とする遺伝子発現量制御機構の解明が期待できる。データ駆動的なダイナミクス抽出は、他分野のデータ解析に応用可能である。また、単一細胞遺伝子発現データを対象とする新規細胞プロファイリング法は、従来の個別かつ大量の遺伝子の統計的検定では見えなかった複数遺伝子間の依存関係を含む新しい遺伝子機能の発見が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Relayed signaling between mesenchymal progenitors and muscle stem cells ensures adaptive stem cell response to increased mechanical load. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneshige A, Kaji T, Zhang L, Saito H, Nakamura A, Kurosawa T, Ikemoto-Uezumi M, Tsujikawa K, Seno S, Hori M, Saito Y, Matozaki T, Maehara K, Ohkawa Y, Potente M, Watanabe S, Braun T, Uezumi A, Fukada SI.
  • 雑誌名: Cell Stem Cell. 巻: 29 号: 2 ページ: 265-280
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.11.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discriminative feature of cells characterizes cell populations of interest by a small subset of genes. (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujii T, Maehara K, Fujita M, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: PLoS Comput Biol. 巻: 17 号: 11 ページ: e1009579-e1009579
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modeling population size independent tissue epigenomes by ChIL-seq with single thin sections. (2021)
  • 著者名/発表者名: Maehara K, Tomimatsu K, Harada A, Tanaka K, Sato S, Fukuoka M, Okada S, Handa T, Kurumizaka H, Saitoh N, Kimura H, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Mol Syst Biol. 巻: 17
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An extensive and dynamic trans-omic network illustrating prominent regulatory mechanisms in response to insulin in the liver. (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki F, Uda S, Yamauchi Y, Matsumoto M, Soga T, Maehara K, Ohkawa Y, Nakayama KI, Kuroda S, Kubota H.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 36 ページ: 109569-109569
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-depth spatial transcriptome analysis by photo-isolation chemistry. (2021)
  • 著者名/発表者名: Honda M, Oki S, Kimura R, Harada A, Maehara K, Tanaka K, Meno C, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 12 号: 1 ページ: 4416-4416
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24691-8
  • NAID: 120007141968
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcriptome analysis of gene expression changes upon enzymatic dissociation in skeletal myoblasts. (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyawaki-Kuwakado A, Wu Q, Harada A, Tomimatsu K, Fujii T, Maehara K, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Genes Cells. 巻: 26 号: 7 ページ: 530-540
  • DOI: 10.1111/gtc.12870
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chromatin structure-dependent histone incorporation revealed by a genome-wide deposition assay (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Tachiwana, Mariko Dacher, Kazumitsu Maehara, Akihito Harada, Yosuke Seto, Ryohei Katayama, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura, Hitoshi Kurumizaka, Noriko Saitoh
  • 雑誌名: eLife 巻: 10
  • DOI: 10.7554/elife.66290
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide analysis of chromatin structure changes upon MyoD binding in proliferative myoblasts during the cell cycle (2021)
  • 著者名/発表者名: Wu Qianmei、Fujii Takeru、Harada Akihito、Tomimatsu Kosuke、Miyawaki-Kuwakado Atsuko、Fujita Masatoshi、Maehara Kazumitsu、Ohkawa Yasuyuki
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: - 号: 6 ページ: 653-661
  • DOI: 10.1093/jb/mvab001
  • NAID: 40022687719
  • 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] 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] Chromatin-bound CRM1 recruits SET-Nup214 and NPM1c onto HOX clusters causing aberrant HOX expression in leukemia cells. (2019)
  • 著者名/発表者名: Oka M, Mura S, Otani M, Miyamoto Y, Nogami J, Maehara K, Harada A, Tachibana T, Yoneda Y, Ohkawa Y
  • 雑誌名: Elife 巻: 8
  • DOI: 10.7554/elife.46667
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sustained expression of HeyL is critical for the proliferation of muscle stem cells in overloaded muscle. (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukuda S, Kaneshige A, Kaji T, Noguchi YT, Takemoto Y, Zhang L, Tsujikawa K, Kokubo H, Uezumi A, Maehara K, Harada A, Ohkawa Y, Fukada SI.
  • 雑誌名: eLife 巻: 8
  • DOI: 10.7554/elife.48284
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Eleanor ncRNAs activate the topological domain of the ESR1 locus to balance against apoptosis. (2019)
  • 著者名/発表者名: †Abdalla MOA, †Yamamoto T, Maehara K, Ohkawa Y, Miura H, Hiratani I, Nakayama H, Nakao M, *Saitoh N
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 10 号: 1 ページ: 3778-3778
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11378-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Biochemical analysis of nucleosome targeting by Tn5 transposase (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato S, Arimura Y, Kujirai T, Harada A, Maehara K, Nogami J, Ohkawa Y, Kurumizaka H.
  • 雑誌名: Open Biol. 巻: 9 号: 8 ページ: 190116-190116
  • DOI: 10.1098/rsob.190116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dmrt factors determine the positional information of cerebral cortical progenitors via differential suppression of homeobox genes. (2019)
  • 著者名/発表者名: Konno D, Kishida C, Maehara K, Ohkawa Y, Kiyonari H, Okada S, Matsuzaki F
  • 雑誌名: Development 巻: 146 号: 15 ページ: 174243-174243
  • DOI: 10.1242/dev.174243
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calcineurin Broadly Regulates the Initiation of Skeletal Muscle-Specific Gene Expression by Binding Target Promoters and Facilitating the Interaction of the SWI/SNF Chromatin Remodeling Enzyme. (2019)
  • 著者名/発表者名: Witwicka H, Nogami J, Syed SA, Maehara K, Padilla-Benavides T, Ohkawa Y, Imbalzano AN
  • 雑誌名: Mol Cell Biol. 巻: 39 号: 19
  • DOI: 10.1128/mcb.00063-19
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 単一細胞オミクスデータの性能評価から利活用まで (2022)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: マルチNGSオミクス解析研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 筋組織維持システムの理解に向けたオミクスデータ解析技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 前原一満、原田哲仁、藤井健、大川恭行
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 生命現象を理解するためのオミクスデータ解析技法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: バイオ統計セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Towards extracting chromatin dynamics from single-cell measurements. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazumitsu Maehara, Yasuyuki Ohkawa
  • 学会等名: 第47回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Modeling latent flows in single cell data. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazumitsu Maehara
  • 学会等名: EMBO Symposia:Multi-Omics
  • 国際学会
• [学会発表] 一細胞データから細胞分化の流れをモデル化する試み (2019)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: 新学術領域研究「数理シグナル」若手ワークショップ
• [学会発表] クロマチン挿入標識（ChIL）法による空間エピゲノム解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
• [図書] 1細胞エピゲノム解析技術開発の最前線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大川 恭行,原田 哲仁,前原 一満
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 医歯薬出版株式会社 週刊医学のあゆみ
• [図書] 実験医学増刊 Vol.38 No.20 機械学習を生命科学に使う！「scRNA-seqを用いた細胞系譜の軌跡推定-データの背後の流れを読み取る技術-」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満, 大川恭行
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758103916
• [図書] 実験医学別冊 エピゲノムをもっと見るためのクロマチン解析実践プロトコール「少数細胞クロマチン解析法の性能を比較する」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122481
• [備考] 九州大学 トランスクリプトミクス分野ホームページ
  • URL: https://tx.bioreg.kyushu-u.ac.jp/
• [備考] 単一細胞データ解析ソフトウェア - ddhodge
  • URL: https://github.com/kazumits/ddhodge