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ゲノム動態の原理とDNA機能

研究課題

研究課題/領域番号 22H00406
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

笹井 理生  京都大学, 福井謙一記念研究センター, 研究員 (30178628)

研究分担者 千見寺 浄慈  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10420366)
寺田 智樹  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20420367)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
40,950千円 (直接経費: 31,500千円、間接経費: 9,450千円)
2025年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2024年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2023年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
2022年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
キーワードゲノム立体構造 / 相分離 / クロマチンドメイン
研究開始時の研究の概要

ゲノムは多階層の空間スケールに渡って組織されており、柔らかく大きく揺らいでいて、その解明には新しい方法と概念が必要とされている。本研究では、クロマチン局所物性に基づいてゲノム全体をシミュレートする動力学計算モデルを開発し、実験グループとの協力により、ゲノム動態の分子的・物理的原理を明らかにするとともに、ゲノム動態が転写制御、DNA複製に与える効果を分析し、ゲノムがダイナミックに揺らいで細胞を制御する仕組みを明らかにする。

研究実績の概要

ゲノムは細胞内で高度に凝集しているが、その一方でDNA情報の効率的な転写、複製、修復を可能にしている。ゲノムの高度な凝集と優れた情報処理は如何に両立しているのだろうか?その原理を理解することは重要な課題であるが、ゲノムはクロマチン鎖のループ、クロマチンドメイン、A/Bコンパートメント、染色体テリトリーなど、多階層の空間スケールに渡って組織されており、柔らかく大きく揺らいでいて、その解明には新しい方法と概念が必要とされている。本研究では、クロマチン局所物性に基づいてゲノム全体をシミュレートする多階層ゲノム動力学モデルを開発し、クロマチン運動を測定する実験グループとの協力によりゲノム動態の原理を明らかにする。ゲノム動態が転写制御に与える影響、およびDNA複製タイミングを決める機構を分析して、ゲノムがダイナミックに揺らいで細胞を制御する仕組みを明らかにする。
そのため本研究では、次の4つの研究課題を実行する。課題1(クロマチン相分離の原理)、課題2(異常細胞からゲノム構築原理を探る)、課題3(ゲノム動態と転写制御)、課題4(ゲノム動態と複製タイミング制御)。本年度はこのうち課題1と課題3を中心に研究を行い、課題2,課題4への準備を行った。
今年度は前年度までに開発したクロマチン計算モデルをさらに発展させ、転写活性の違いがドメイン物性の違いに反映される機構を解析した。コヒーシンの多様な運動がドメイン物性についての実験データを合理的に説明することを示し、ゲノム動態とDNA機能を結びつける新しい仮説を検討した。クロマチン局所物性とゲノム全体をつなぐ多階層ゲノム動力学モデルを整備し、プログラム公開の準備を進めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2023年度は、課題1(クロマチン相分離の原理)と課題3(ゲノム動態と転写制御)についての研究を進展させた。この進展の途中において、コヒーシンの多様な運動が当初、予想していなかった機構によりドメイン物性を決める可能性が見出されたため、その機構を明らかにする課題に注力してデータ解析を行い、論文への公開の準備を行った。また、多階層ゲノム動力学モデルの方法論を改良して、プログラムコード公開の準備を行った。ドメイン物性とドメイン運動が、転写活性などのドメイン機能に大きく影響を与える様子を理論的に検討し、実験グループとの議論を通じて、ゲノム動態とDNA機能についての新しい描像を得つつある。

今後の研究の推進方策

今後は、2023年度に見出されたコヒーシンの多様な運動によるクロマチンドメイン物性の決定機構を詳しく分析し、ドメイン物性とDNA機能の関係を深く分析する。そうして得られた知識を、これまでに開発したゲノム立体構造計算モデルと総合し、多階層ゲノム動力学モデルの方法論を整備して、ゲノム構築原理を探る研究を展開する。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 9件)

  • [国際共同研究] Zhejiang University of Technology(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] State University of New York(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] クロマチン運動がつくるゲノム立体構造2024

    • 著者名/発表者名
      藤城新, 笹井理生
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 64 号: 2 ページ: 78-84

    • DOI

      10.2142/biophys.64.78

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Condensed but liquid-like domain organization of active chromatin regions in living human cells2023

    • 著者名/発表者名
      Nozaki Tadasu、Shinkai Soya、Ide Satoru、Higashi Koichi、Tamura Sachiko、Shimazoe Masa A.、Nakagawa Masaki、Suzuki Yutaka、Okada Yasushi、Sasai Masaki、Onami Shuichi、Kurokawa Ken、Iida Shiori、Maeshima Kazuhiro
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 9 号: 14 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1126/sciadv.adf1488

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Generation of dynamic three-dimensional genome structure through phase separation of chromatin2022

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro and Masaki Sasai
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA

      巻: 119

    • 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
  • [雑誌論文] The Structural Rule Distinguishing a Superfold: A Case Study of Ferredoxin Fold and the Reverse Ferredoxin Fold2022

    • 著者名/発表者名
      Nishina Takumi、Nakajima Megumi、Sasai Masaki、Chikenji George
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 27 号: 11 ページ: 3547-3547

    • DOI

      10.3390/molecules27113547

    • 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
  • [雑誌論文] Role of the reaction-structure coupling in temperature compensation of the KaiABC circadian rhythm2022

    • 著者名/発表者名
      Sasai Masaki
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 18 号: 9 ページ: e1010494-e1010494

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010494

    • 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
  • [雑誌論文] Landscape-Based View on the Stepping Movement of Myosin VI2022

    • 著者名/発表者名
      Terada Tomoki P.、Nie Qing-Miao、Sasai Masaki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 126 号: 38 ページ: 7262-7270

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c03694

    • 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
  • [学会発表] 遺伝情報を担う高分子、そしてソフトマターの物理2024

    • 著者名/発表者名
      笹井理生
    • 学会等名
      第19 回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Loop extrusion しないコヒーシンによるクロマチンドメイン形成2024

    • 著者名/発表者名
      藤城 新
    • 学会等名
      第2回ゲノムモデリング研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Functions and Structures in Chromatin Domains Underly the Global 3D Genome Organization2023

    • 著者名/発表者名
      Masaki Sasai
    • 学会等名
      International Conference on Biological Physics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Moving Handcuffs Shape Long-range Chromatin Loops and Sub-TAD Structure2023

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro
    • 学会等名
      International Conference on Biological Physics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] How mega-loop domains are formed by cohesin dimerization2023

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro
    • 学会等名
      第3回Hi-C研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Formation of chromatin loops by cohesin dimerization over molecular obstacles2023

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Relationships between chromatin functions and the genome organization2023

    • 著者名/発表者名
      Masaki Sasai
    • 学会等名
      American Chemical Society meeting (ACS Spring 2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Genome as a functionally designed mesoscopic soft-matter system2023

    • 著者名/発表者名
      Masaki Sasai
    • 学会等名
      Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry (APATCC-10)
    • 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] Cell-to-cell variation and time-varying structures of TADs2023

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro
    • 学会等名
      理研ミニシンポジウム「Genome building from TADs」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] From single molecule to cell: Regulations in proteins, genes, and genome2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Sasai
    • 学会等名
      The International Center for Theoretical Sciences Program, Statistical Biological Physics
    • 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] Genome: A heterogeneously designed soft-matter system2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Sasai
    • 学会等名
      Biological Physics & Physical Biology Seminar
    • 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] DNA機能と染色体コンパートメントをつなぐ動的ループモデル2022

    • 著者名/発表者名
      藤城 新
    • 学会等名
      第40回染色体ワークショップ・第21回核ダイナミクス研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Dynamic loops shape and reshape chromosome compartments2022

    • 著者名/発表者名
      Shin Fujishiro
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ヒト染色体のフレキシブルな運動: 全ゲノムと TAD スケールのシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      藤城 新
    • 学会等名
      遺伝研ゲノムモデリング研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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