多領域間クロマチン相互作用を１分子の解像度で網羅的に解析できる新たな手法の開発

• 研究課題/領域番号: 20K21384
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 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: 東京大学
• 研究代表者: 藤木 克則 東京大学, 定量生命科学研究所, 助教 (10646730)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: ゲノム / クロマチン高次構造 / 次世代シーケンサー / ロングリードシーケンサー / Hi-C / Pore-C / 多点間相互作用 / HiChIP / ChIA-PET / ChIA-drop / クロマチン構造 / 多領域間クロマチン相互作用 / ゲノム高次構造 / クロマチン相互作用

研究開始時の研究の概要

ゲノムの高次構造を理解することはゲノム情報の制御を考える上で非常に重要だが、Hi-Cなどの2点間DNA接合を技術基盤とする既存の解析手法では、昨今注目を集めている相分離によるクロマチン構造制御やsuper enhancerによる転写制御など、[細胞間での変動]がある場合や[多数の領域間]での相互作用等の現象を解析することは難しい。そこで我々は、クロマチンの相互作用を[多点間]で[１分子の解像度]で検出できるChIA-drop法を開発したが、その効率に未だ改良の余地がある。そこで本研究では多点間相互作用検出法の効率を改善し、次世代のゲノム構造解析の主流となり得る新たな研究手法を開発する。

研究成果の概要

多領域間クロマチン相互作用を1分子の解像度で網羅的に解析できる新たな手法、標的型(targeted)Pore-C法の開発をおこなった。従来型Pore-Cは２点間クロマチン相互作用検出法Hi-C法の改良版で、ライブラリを断片化することなくロングリードシーケンサーを用いて解読することで、多点間の相互作用を簡単に検出することができる。このPore-Cを改良し、特定の標的分子の周辺ゲノムに化学修飾を付加し濃縮することで、標的が介在する相互作用に絞った解析を可能にした。手法の開発には一定の成功を収めたが、修飾効率の向上が必要であるなど実用化への課題も残されている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

クロマチン領域の相互の物理的位置関係はゲノム情報の発現に非常に重要な役割を果たしている。これらを解析する手法として現在はHi-CやHiChIPなどの方法が用いられてきたが、これら既存法は原理的にクロマチン高次構造を２領域間の点と点の相互作用の積算としてしか検出できない。今回Pore-C法をもとに開発したtargeted Pore-Cは、標的分子周辺に形成された多点間の相互作用を１分子の解像度で検出することを可能にし、近接領域を点と点ではなく塊で捉え、また細胞間のバリエーションを損なうことなく、既存技術では観察し得なかった核内のクロマチン高次構造を記述できる。

研究成果

• [国際共同研究] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
• [国際共同研究] Karolinska Institutet(スウェーデン)
• [国際共同研究] Margarita Salas Centre for Biological Re(スペイン)
• [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] フィラデルフィア小児病院(米国)
• [国際共同研究] Spanish National Research Council(スペイン)
• [国際共同研究] アバディーン大学(英国)
• [雑誌論文] Highly rigid H3.1/H3.2-H3K9me3 domains set a barrier for cell fate reprogramming in trophoblast stem cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Hada M, Miura H, Tanigawa A, Matoba S, Inoue K, Ogonuki N, Hirose M, Watanabe N, Nakato R, Fujiki K, Hasegawa A, Sakashita A, Okae H, Miura K, Shikata D, Arima T, Shirahige K, Hiratani I, Ogura A.
  • 雑誌名: Genes Dev 巻: 36 号: 1-2 ページ: 84-102
  • DOI: 10.1101/gad.348782.121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MAB21L1 modulates gene expression and DNA metabolic processes in the lens placode (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada R, Oguri A, Fujiki K, Shirahige K, Hirate Y, Kanai-Azuma M, Takezoe H, Akimoto Y, Takahashi N, Kanai Y.
  • 雑誌名: Dis Model Mech 巻: 14 号: 12
  • DOI: 10.1242/dmm.049251
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Codependency and mutual exclusivity for gene community detection from sparse single-cell transcriptome data (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakajima N, Hayashi T, Fujiki K, Shirahige K, Akiyama T, Akutsu T, Nakato R.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: 49 号: 18 ページ: e104-e104
  • DOI: 10.1093/nar/gkab601
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Small extracellular vesicles derived from interferon-γ pre-conditioned mesenchymal stromal cells effectively treat liver fibrosis (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi S, Tsuchiya A, Iwasawa T、Nojiri S、Watanabe T、Ogawa M、Yoshida T、Fujiki K、Koui Y、Kido T、Yoshioka Y、Fujita M、Kikuta J、Itoh T、Takamura M、Shirahige K、Ishii M、Ochiya T、Miyajima A、Terai S
  • 雑誌名: npj Regenerative Medicine 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41536-021-00132-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell transcriptional analysis reveals developmental stage-dependent changes in retinal progenitors in the murine early optic vesicle (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada R, Oguri A, Fujiki K, Shirahige K, Takezoe H, Takahashi N, Kanai Y.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 543 ページ: 80-86
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.01.043
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Age-Dependent Ribosomal DNA Variations in Mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Watada Eriko、Li Sihan、Hori Yutaro、Fujiki Katsunori、Shirahige Katsuhiko、Inada Toshifumi、Kobayashi Takehiko
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Biology 巻: 40 号: 22
  • DOI: 10.1128/mcb.00368-20
• [雑誌論文] Tet2 and Tet3 in B cells are required to repress CD86 and prevent autoimmunity (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, S. Ise, W. Inoue, T. Ito, A. Ono, C. Shima, Y. Sakakibara, S. Nakayama, M. Fujii, K. Miura, I. Sharif, J. Koseki, H. Koni, P. A. Raman, I. Li, Q. Z. Kubo, M. Fujiki, K. Nakato, R. Shirahige, K. Araki, H. Miura, F. Ito, T. Kawakami, E. Baba, Y. Kurosaki, T.
  • 雑誌名: Nature Immunology 巻: 21 号: 8 ページ: 950-961
  • DOI: 10.1038/s41590-020-0700-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シングルセルレベルにおける黒髪と白髪の発現変動解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 紘介、藤木 克則、須谷 尚史、白髭 克彦
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 多点間クロマチン相互作用検出技術によるゲノム高次構造の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤木克則、白髭克彦
  • 学会等名: 第48回日本臨床免疫学会総会
  • 招待講演