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ゲノム高次分子構造の生物物理学

研究課題

研究課題/領域番号 20H00460
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
研究機関京都大学

研究代表者

谷口 雄一  京都大学, 高等研究院, 教授 (90556276)

研究分担者 大野 雅恵  京都大学, 高等研究院, 特定講師 (10581738)
金 水縁  京都大学, 高等研究院, 特定講師 (50758886)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)
2024年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
2023年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2022年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2021年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
2020年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
キーワードゲノム / ヌクレオソーム / 次世代シーケンシング / 分子動力学計算 / 物理モデル / 次世代シーケンス
研究開始時の研究の概要

生命は、ゲノムにコードされた遺伝情報に従って、様々な遺伝子を適切な量とタイミング
で発現することにより、分化を初めとする生命機能を実現しています。本研究では、申請者らが最近開発した技術により解析できるゲノムの分子構造を軸に、物理学の観点からゲノムの働きを理解することを目指します。遺伝子の発現を支配する法則性・論理を見出すことにより、分化などの細胞状態を自在に制御する方法論の創出への貢献が期待できます。

研究実績の概要

本年度は前年度に引き続き、現在出芽酵母ゲノムに限定されているHi-CO法の測定対象を、ヒトゲノムに拡張するための技術の開発を主に進めた。
Hi-CO法では、ゲノム内の近接した領域を、DNAアダプターを介して連結させて、それを次世代シーケンサーで解析することで、3次元構造に関する情報を取得する。従来のHi-CO法では、アダプター内に25塩基対離れたゲノム領域を切り出す制限酵素(EcoP15I)の認識部位を挿入し、ゲノムの連結後に切り出しを行うことで、一定サイズのDNA連結産物が得られるようにしていたが、このプロセスを挟むことで多くのDNA産物が失われてしまっていた。そこで私たちは、切り出しを行わずに、連結が行われた2つのヌクレオソームのゲノムDNA(約200塩基対×2)の全長を解析できるようにアダプターの変更を行った。その結果、連結DNA産物の収量を従来の数倍程度増やすことに成功した。
開発した方法を用いて、ヒト肺がん細胞A549のヌクレオソーム分解能のゲノム構造を解析することに成功した。連結が起こったゲノム座標ペア間の距離の頻度を解析したところ、180、360、540塩基対でピークが見られ、ヌクレオソーム間における連結が解析できていることが確認できた。
さらに私たちは、得られた実験データを分析するコンピュータ解析法の開発を行った。従来行ってきた出芽酵母の約200倍のサイズのヒトゲノムの解析を行うにあたって、ヌクレオソーム間の近接情報をリスト化したバイナリファイル形式の定義を行うなど、分析処理の高速化を行った。加えて、3次元モデリングを行うための分子動力学計算プログラムの開発を進めた。FORTRAN言語を用いて単位ヌクレオソーム構造の定義を行うのと共に、システム温度を低下させながら各ヌクレオソームの最適な位置を導くアルゴリズムの改良を行った。

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

Hi-CO法のヒト細胞での解析は本年度において行う予定であったが、早い時期にほぼ達成し、データ分析法の開発を進める段階まで研究が発展しているため。

今後の研究の推進方策

研究計画は現在のところ順調に進捗しており、今後も申請時の研究計画の流れに沿って研究を進めていく予定である。次年度においては、開発に成功したヒトゲノムの3次元構造解析技術を基に、様々な生理条件や遺伝子変異体を用いた解析を進めていくことを計画している。加えて、複雑かつ膨大なゲノム構造データの解析を行うため、実験データのビューアーの開発、ヌクレオソーム分解能の各種エピゲノム情報の収集と分析、クラスタリング法や機械学習を用いたヌクレオソーム配列構造の分析法の開発を進行させる。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 16件、 招待講演 24件)

  • [雑誌論文] Recent methodological advances towards single-cell proteomics2023

    • 著者名/発表者名
      KIM Sooyeon、KAMARULZAMAN Latiefa、TANIGUCHI Yuichi
    • 雑誌名

      Proceedings of the Japan Academy. Ser. B: Physical and Biological Sciences

      巻: 99 号: 8 ページ: 306-327

    • DOI

      10.2183/pjab.99.021

    • ISSN
      0386-2208, 1349-2896
    • 年月日
      2023-10-11
    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Single-Molecule Detection in the Study of Gene Expression2022

    • 著者名/発表者名
      Kumar, V., Leclerc, S., Taniguchi, Y.
    • 雑誌名

      Single-Molecule Science: From Super-Resolution Microscopy to DNA Mapping and Diagnostics

      巻: - ページ: 127-141

    • DOI

      10.1017/9781108525909.015

    • ISBN
      9781108525909, 9781108423366, 9781108437479
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hi-CO: 3D genome structure analysis with nucleosome resolution2021

    • 著者名/発表者名
      Ohno Masae、Ando Tadashi、Priest David G.、Taniguchi Yuichi
    • 雑誌名

      Nature Protocols

      巻: 16 号: 7 ページ: 3439-3469

    • DOI

      10.1038/s41596-021-00543-z

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 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] iNucs: inter-nucleosome interactions2021

    • 著者名/発表者名
      Oveisi Mehrdad、Shukla Manu、Seymen Nogayhan、Ohno Masae、Taniguchi Yuichi、Nahata Sunil、Loos Remco、Mufti Ghulam J、Allshire Robin C、Dimitrov Stefan、Karimi Mohammad M
    • 雑誌名

      Bioinformatics

      巻: 37 号: 23 ページ: 4562-4563

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btab698

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 分子解像度での生命理解に向けて2023

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      第7回IPRフロンティアセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Unravelling genome structure at the nucleosome level with Hi-CO2023

    • 著者名/発表者名
      大野雅恵
    • 学会等名
      第3回 Hi-C研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrasensitive bioanalyses via 3D single-molecule imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Sooyeon Kim
    • 学会等名
      iCeMS & NCKU Biliteral symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 一分子電気泳動法の開発と展開2023

    • 著者名/発表者名
      金 水縁、Latiefa Kamarulzaman、谷口 雄一
    • 学会等名
      第45回日本光医学・光生物学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 一分子蛍光電気泳動の開発とその応用2023

    • 著者名/発表者名
      金 水縁、Latiefa Kamarulzaman、谷口 雄一
    • 学会等名
      第23回日本光生物学会協会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ヌクレオソーム分解能での ゲノムの3次元構造解析2023

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      第2回Philosophy研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2023

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrasensitive bioanalyses based on single-molecule microscopic imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Sooyeon Kim
    • 学会等名
      25th iCeMS International Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      15th Asia-Pacific Physics Conference (APPC15)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1分子イメージング法を利用した超高感度生化学分析法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      学術変革領域研究(B)「機能性ラマンプローブによる革新的多重イメージング」オンラインセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] シングルセルにおける遺伝子発現ダイナミクスの定量化2022

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      第9回日本リウマチ学会ベーシックリサーチカンファレンス
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      HUST lecture, Huazhong University of Science and Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3D molecular structure analysis of the genome by coupling next-generation DNA sequencing and molecular dynamics simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      Huazhong University of Science and Technology Lecture
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y
    • 学会等名
      2nd WPI NanoLSI-iCeMS Joint Symposium
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分子解像度での生命理解に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      東大物性研ワークショップ:開放系トポロジーと生体・量子・統計物理
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2022

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      2nd WPI NanoLSI-iCeMS Joint Symposium
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1分子検出に基づく次世代型生化学分析法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      ARO協議会第8回学術集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y
    • 学会等名
      CMUH-iCeMS Joint Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the yeast genome2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y
    • 学会等名
      Cold Spring Harbor Asia Conference: Yeast and life science
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1分子感度の生化学分析技術の開発2021

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      AMED難治性疾患実用化研究事業2020年度成果報告会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 1分子感度での生化学分析2021

    • 著者名/発表者名
      谷口雄一
    • 学会等名
      第75回日本口腔科学会学術集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular-resolved biology for understanding complex Biosystems2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y
    • 学会等名
      iCeMS-MacDiarmid Institute Online Workshop
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the genome2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      CMUH-iCeMS Joint Meeting
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleosome-level 3D organization of the yeast genome2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      Cold Spring Harbor Asia Conference: Yeast and life science
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Molecular-resolved biology for understanding complex Biosystems2021

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi, Y.
    • 学会等名
      iCeMS-MacDiarmid Institute Online Workshop
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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