組織内の核内ゲノム構造を単一細胞レベルで高解像度に解析する技術の開発

• 研究課題/領域番号: 20K21398
• 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: 九州大学
• 研究代表者: 大川 恭行 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (80448430)
• 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: エピゲノム / クロマチン / マルチオミクス / 空間オミクス

研究開始時の研究の概要

組織形成においては、様々な細胞が、増殖、分化していく極めて不均一な集団変化が起こり、その上個々の細胞においても少なくとも３０００遺伝子座以上が協調的あるいは排他的に秩序だった制御を受け、遺伝子発現あるいは抑制に必要な高次構造の変換が行われる。そこで本研究では特定の細胞分化・組織形成を理解するため、全ゲノム上の遺伝子を対象とし不均一な組織細胞を単一細胞レベルで時系列変化を解析する新技術開発を行う。

研究成果の概要

生体は幹細胞あるいは前駆細胞が増殖分化することで、様々な機能を担う細胞、組織が分化増殖することにより形成される。この際に行われるのが選択的な遺伝子発現である。選択的遺伝子発現は、ゲノム領域に広範に分布する遺伝子の制御領域（エンハンサー、プロモーター）を介して特定の遺伝子座を活性化型クロマチン構造に変換し、遺伝子の転写活性を促進するゲノム構造を獲得させるダイナミックなイベントである。我々は、これまでのオミクス技術開発の過程で技術的なバイアスを解決しつつ、同時に技術的に極めて困難とされる単一細胞レベルのゲノム高次構造の解析技術の開発を行う技術の開発を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

各細胞に固有のバーコードを付加する基本技術の構築を行い理論的におおよそ2000万細胞の固有ラベルを達成する技術を開発した。また、トランスクリプトーム解析をモデルとして単一細胞レベルでそれぞれの細胞内で非破壊的に固有のラベルを付加する技術を確立した。現在これらラベルの読み取り技術および同時解析技術の開発を進めている。これら技術は空間オミクスと呼ばれる組織の中の細胞の情報を取得する技術に活用できるとともに、ゲノム高次構造の解析にも有効であり、今後生物学上において重要な知見が得られることが期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Uhrf1 governs the proliferation and differentiation of muscle satellite cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai H, Sawada Y, Tokunaga N, Tanaka K, Nakagawa S, Sakakibara I, Ono Y, Fukada SI, Ohkawa Y, Kikugawa T, Saika T, Imai Y.
  • 雑誌名: iScience. 巻: 25 号: 3 ページ: 103928-103928
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103928
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Uterus-specific transcriptional regulation underlies eggshell pigment production in Japanese quail. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishishita S, Kitahara S, Takahashi M, Iwasaki S, Tatsumoto S, Hara I, Kaneko Y, Kinoshita K, Yamaguchi K, Harada A, Ohmori Y, Ohkawa Y, Go Y, Shigenobu S, Matsuda Y, Suzuki T.
  • 雑誌名: PLoS One. 巻: 17
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct Conversion of Human Endothelial Cells Into Liver Cancer-Forming Cells Using Nonintegrative Episomal Vectors. (2022)
  • 著者名/発表者名: Goya T, Horisawa K, Udono M, Ohkawa Y, Ogawa Y, Sekiya S, Suzuki A.
  • 雑誌名: Hepatol Commun. 巻: - 号: 7 ページ: 1725-1740
  • DOI: 10.1002/hep4.1911
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Live imaging of transcription sites using an elongating RNA polymerase II-specific probe. (2022)
  • 著者名/発表者名: Uchino S, Ito Y, Sato Y, Handa T, Ohkawa Y, Tokunaga M, Kimura H.
  • 雑誌名: J Cell Biol. 巻: 221 号: 2 ページ: 1-23
  • DOI: 10.1083/jcb.202104134
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual nucleosome formation and transcriptome influence by the histone H3mm18 variant (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirai Seiya、Tomimatsu Kosuke、Miyawaki-Kuwakado Atsuko、Takizawa Yoshimasa、Komatsu Tetsuro、Tachibana Taro、Fukushima Yutaro、Takeda Yasuko、Negishi Lumi、Kujirai Tomoya、Koyama Masako、Ohkawa Yasuyuki、Kurumizaka Hitoshi
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 50 号: 1 ページ: 72-91
  • DOI: 10.1093/nar/gkab1137
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Recent advances in single-cell epigenomics. (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada A, Kimura H, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Curr Opin Struct Biol. 巻: 71 ページ: 116-122
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-throughput single-cell epigenomic profiling by targeted insertion of promoters (TIP-seq). (2021)
  • 著者名/発表者名: Bartlett DA, Dileep V, Handa T, Ohkawa Y, Kimura H, Henikoff S, Gilbert DM.
  • 雑誌名: J Cell Biol. 巻: 220 号: 12
  • DOI: 10.1083/jcb.202103078
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chromatin loading of MCM hexamers is associated with di-/tri-methylation of histone H4K20 toward S phase entry. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayashi-Takanaka Y, Hayashi Y, Hirano Y, Miyawaki-Kuwakado A, Ohkawa Y, Obuse C, Kimura H, Haraguchi T, Hiraoka Y.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 49 号: 21 ページ: 12152-12166
  • DOI: 10.1093/nar/gkab1068
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Sex differences in metabolic pathways are regulated by Pfkfb3 and Pdk4 expression in rodent muscle. (2021)
  • 著者名/発表者名: Christianto A, Baba T, Takahashi F, Inui K, Inoue M, Suyama M, Ono Y, Ohkawa Y, Morohashi KI.
  • 雑誌名: Commun Biol. 巻: 4 号: 1 ページ: 1264-1264
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02790-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neural stem/precursor cells dynamically change their epigenetic landscape to differentially respond to BMP signaling for fate switching during brain development. (2021)
  • 著者名/発表者名: Katada S, Takouda J, Nakagawa T, Honda M, Igarashi K, Imamura T, Ohkawa Y, Sato S, Kurumizaka H, Nakashima K.
  • 雑誌名: Genes Dev. 巻: 35 ページ: 1431-1444
  • 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] 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] Integrated Analysis of Transcriptome and Histone Modifications in Granulosa Cells During Ovulation in Female Mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Shirafuta Yuichiro、Tamura Isao、Ohkawa Yasuyuki、Maekawa Ryo、Doi-Tanaka Yumiko、Takagi Haruka、Mihara Yumiko、Shinagawa Masahiro、Taketani Toshiaki、Sato Shun、Tamura Hiroshi、Sugino Norihiro
  • 雑誌名: Endocrinology 巻: 162 号: 9 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1210/endocr/bqab128
  • 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] Targeted inhibition of EPAS1-driven IL-31 production by a small-molecule compound. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamikaseda Y, Uruno T, Kunimura K, Harada A, Saiki K, Oisaki K, Sakata D, Nakahara T, Kido-Nakahara M, Kanai M, Nakamura S, Ohkawa Y, Furue M, Fukui Y.
  • 雑誌名: J Allergy Clin Immunol. 巻: 148 号: 2 ページ: 633-638
  • DOI: 10.1016/j.jaci.2021.03.029
  • 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] Hoxa10 mediates positional memory to govern stem cell function in adult skeletal muscle. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshioka K, Nagahisa H, Miura F, Araki H, Kamei Y, Kitajima Y, Seko D, Nogami J, Tsuchiya Y, Okazaki N, Yonekura A, Ohba S, Sumita Y, Chiba K, Ito K, Asahina I, Ogawa Y, Ito T, Ohkawa Y, Ono Y.
  • 雑誌名: Sci Adv. 巻: 7 号: 24
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd7924
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Totipotency of mouse zygotes extends to single blastomeres of embryos at the four-cell stage. (2021)
  • 著者名/発表者名: Maemura M, Taketsuru H, Nakajima Y, Shao R, Kakihara A, Nogami J, Ohkawa Y, Tsukada YI.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 11 号: 1 ページ: 11167-11167
  • DOI: 10.1038/s41598-021-90653-1
  • 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] Transcription factor C/EBPβ induces genome-wide H3K27ac and upregulates gene expression during decidualization of human endometrial stromal cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura Isao、Maekawa Ryo、Jozaki Kosuke、Ohkawa Yasuyuki、Takagi Haruka、Doi-Tanaka Yumiko、Shirafuta Yuichiro、Mihara Yumiko、Taketani Toshiaki、Sato Shun、Tamura Hiroshi、Sugino Norihiro
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Endocrinology 巻: 520 ページ: 111085-111085
  • DOI: 10.1016/j.mce.2020.111085
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• [雑誌論文] Subnuclear gene positioning through lamina association affects copper tolerance (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto Yuki、Sato Mayuko、Sato Yoshikatsu、Harada Akihito、Suzuki Takamasa、Goto Chieko、Tamura Kentaro、Toyooka Kiminori、Kimura Hiroshi、Ohkawa Yasuyuki、Hara-Nishimura Ikuko、Takagi Shingo、Matsunaga Sachihiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 5914-5914
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19621-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct reprogramming of human umbilical vein- and peripheral blood-derived endothelial cells into hepatic progenitor. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Inada, Miyako Udono , Kanae Matsuda-Ito, Kenichi Horisawa, Yasuyuki Ohkawa, Shizuka Miura, Takeshi Goya, Junpei Yamamoto, Masao Nagasaki, Kazuko Ueno, Daisuke Saitou, Mikita Suyama, Yoshihiko Maehara, Wataru Kumamaru, Yoshihiro Ogawa, Sayaka Sekiya, Atsushi Suzuki.
  • 雑誌名: cellsNat Commun. 巻: 11 号: 1 ページ: 5292-5292
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19041-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The role of galanin in the differentiation of mucosal mast cells in mice. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi T., Ikeda Y., Tashiro K., Ohkawa Y., Kawabata K.
  • 雑誌名: Eur. J. Immunol. 巻: 50 号: 1 ページ: 110-118
  • DOI: 10.1002/eji.201848061
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TKIs induce alternative spliced BCR-ABLIns35bp variant via inhibition of RNA polymerase Ⅱ on genomic BCR-ABL. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuda J, Odawara J, Minami M, Muta T, Kohno K, Tanimoto K, Eto T, Shima T, Kikushige Y, Kato K, Takenaka K, Iwasaki H, Minami Y, Ohkawa Y, Akashi K, Miyamoto T.
  • 雑誌名: Cancer Sci 巻: 111 号: 7 ページ: 2361-2373
  • DOI: 10.1111/cas.14424
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Dynamics of Transcriptional Activation by Hepatic Reprogramming Factors. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Horisawa, Miyako Udono, Kazuko Ueno, Yasuyuki Ohkawa, Masao Nagasaki, Sayaka Sekiya, Atsushi Suzuki Chromatin integration labeling for mapping DNA-binding proteins and modifications with low input.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: S1097-2765 号: 4 ページ: 30502-30505
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2020.07.012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting in mouse embryonic stem cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Ochiai Hiroshi、Hayashi Tetsutaro、Umeda Mana、Yoshimura Mika、Harada Akihito、Shimizu Yukiko、Nakano Kenta、Saitoh Noriko、Liu Zhe、Yamamoto Takashi、Okamura Tadashi、Ohkawa Yasuyuki、Kimura Hiroshi、Nikaido Itoshi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 25
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz6699
  • 査読あり / 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] Genomic Profiling by ALaP-Seq Reveals Transcriptional Regulation by PML Bodies through DNMT3A Exclusion (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurihara Misuzu、Kato Kagayaki、Sanbo Chiaki、Shigenobu Shuji、Ohkawa Yasuyuki、Fuchigami Takeshi、Miyanari Yusuke
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 78 号: 3 ページ: 493-505
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2020.04.004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 骨格筋再性能を制御するクロマチン構造等その破綻 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 空間マルチオミクスの展開～エピゲノム, トランスクリプトームからプロテオームの空間計測の試み～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: がん研セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Identification and Analysis of Minor Histone Variants (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Ohkawa
  • 学会等名: EMBO Workshop Physiology and function of histone variants
• [学会発表] 骨格筋特異的なヒストンが構成するクロマチン構造の解明. (2021)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 第8回骨格筋生物学会
• [学会発表] クロマチンダイナミクスの理解に向けた同時マルチオミクスの開発. (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 『配偶子インテグリティの構築』『全能性プログラム』合同公開シンポジウム
• [学会発表] クロマチンダイナミクスの理解に向けた同時マルチオミクスの開発. (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] トランスクリプトミクスによる骨格筋細胞分化能の解明. (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 第19回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Chromatin integration labeling Technology for expanding multi-omics. (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 理研エピゲノム操作プロジェクトセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 単一細胞マルチオミクスに向けたクロマチン挿入標識法の開発. (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川恭行
  • 学会等名: 第19回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [図書] 日本生化学会 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田 哲仁，大川 恭行
  • 出版者: Journal of Japanese Biochemical Society
• [図書] 実験医学2021年9月号 (2021)
  • 著者名/発表者名: 沖 真弥、大川 恭行
  • 総ページ数: 131
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758125475
• [図書] 遺伝子医学MOOK36 (2021)
  • 著者名/発表者名: 富松航佑, 大川 恭行
  • 総ページ数: 218
  • 出版者: 株式会社メディカルドゥ
• [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] 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 実験医学 増刊
• [図書] 骨格筋研究のための最先端解析技術. (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田 哲仁，大川 恭行
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: 羊土社 実験医学
• [図書] シングルセルでのエピゲノム情報の計測技術. (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田 哲仁，大川 恭行
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: 羊土社 実験医学
• [図書] 空間オミクス実現に向けたエピゲノム解析技術. (2020)
  • 著者名/発表者名: 小松 哲郎，大川 恭行
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: ニューサイエンス社 月刊細胞
• [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/