ゲノムエンハンサーの作動原理の解明

• 研究課題/領域番号: 22KF0209
• 補助金の研究課題番号: 22F22079 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 外国
• 審査区分: 小区分43050:ゲノム生物学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 村川 泰裕 京都大学, 高等研究院, 教授 (50765469)
• 研究分担者: BHAGAT SHRUTI 京都大学, 高等研究院, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2024年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2022年度: 500千円 (直接経費: 500千円)
• キーワード: エンハンサー

研究開始時の研究の概要

エンハンサーは、遺伝子の発現スイッチとして働き、活性化したエンハンサーからは、enhancer RNA (eRNA)と呼ばれるノンコーディングRNAが合成されている。本課題では、eRNAの全長構造を読み解き、エンハンサーが機能するための塩基配列ロジックを発見し、エンハンサーの配列変異がゲノム制御やヒト疾病に及ぼす影響を解明する。

研究実績の概要

ヒトゲノムの99%の領域は、蛋白質をコードしておらず従来ジャンクと言われてきており、これまで機能未知領域であった。しかし、近年に遺伝子の発現スイッチとして中心的に働くエンハンサーと呼ばれるシス制御配列が散りばめられていることがわかってきた。エンハンサーは様々なヒト疾患に関与していることが近年のホットトピックとなっている。驚くことに、活性化したエンハンサーからは、enhancer RNA (eRNA)と呼ばれるノンコーディングRNAが合成されていることが発見された。しかしながら、eRNAは短寿命で低発現であり、従来法では十分に解析することが困難であった。そこでBhagat博士と申請者らは、世界最高レベルの高感度でeRNAを解析できるNET-CAGE法を開発してきた(Nature Genetics 2019)。2022年度に独自に開発した、従来法よりも長いcDNAに対してNET-CAGEを行う手法を様々なヒト細胞種（幹細胞、初代培養細胞、がん細胞）に適用し、様々なタイプのエンハンサーをゲノムワイドに同定し、得られたデータから、eRNAの構造や発現パターンを多面的かつ包括的に解析した。従来の短いcDNAのシークエンス技術では解析が困難であったeRNAのスプライシングやポリアデニレーションなど、eRNAのバイオジェネシスを解析した。また、レトロエレメントなどの繰り返しDNA配列が作り出すエンハンサー領域(Bhagat、村川ら、iScience 2022)をより詳細に解析した。さらに、エンハンサーの進化的保存度を解析し、特に霊長類から発生するエンハンサーにも注目した。具体的には、エンハンサーは蛋白質をコードする領域に比べて、霊長類から出現しているものの割合が高くなっていた。ヒトのエンハンサー配列を異なる種に投射することで、エンハンサー配列とeRNA発現の進化的背景を解析した。

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

2022年度に独自に開発した、従来法よりも長いcDNAに対してNET-CAGEを行う手法を様々なヒト細胞種（幹細胞、初代培養細胞、がん細胞）に適用し、様々なタイプのエンハンサーをゲノムワイドに同定し、得られたデータから、eRNAの構造や発現パターンを多面的かつ包括的に解析した。従来の短いcDNAのシークエンス技術では解析が困難であったeRNAの転写開始点やスプライシングやポリアデニレーションなど、eRNAのバイオジェネシス・転写後調節メカニズムを解析した。また、レトロエレメントなどの繰り返しDNA配列が作り出すエンハンサー領域(Bhagat、村川ら、iScience 2022)をより詳細に解析し、特に精子など生殖系の細胞で多くのレトロエレメント由来の転写開始点を同定した。さらに、エンハンサーの進化的保存度を解析し、特に霊長類から発生するエンハンサーにも注目した詳細な解析も実施し、マウス、非ヒト霊長類、ヒトへの遺伝子発現制御メカニズムの進化的観点も解析した。

今後の研究の推進方策

エンハンサー配列とヒト疾患に関連するDNA多型・変異との関係性を解析し、ヒト疾患の発症メカニズムの理解やエンハンサーの機能発現の解明を目指す。このために、疾患発症に関連しているDNA多型・変異とエンハンサー配列を統合的に解析する。ゲノムワイド関連解析により同定されたDNA多型・変異の約90％はノンコーディング領域に存在しており、たんぱく質をコードしているエクソンに位置するのはごく一部である。エンハンサーに位置するDNA多型・変異は、eRNAの転写、転写因子結合(Oguchi et al.）、スプライシングなどに影響を与え、遺伝子発現の調節異常につながる。機能的なDNA多型・変異を絞り込み、そしてそれらのエンハンサーや標的遺伝子への影響をマッピングすることで、ヒトの疾患発症メカニズムの理解に繋げる。もしeRNAの転写後調節のbiogenesisに関わるSNPが見出されたりしたら興味深いと考えている。そして、ゲノム編集技術を用いて、機能的な検証実験を行う。

研究成果

• [雑誌論文] NTRK2 expression in gastrointestinal stromal tumors with a special emphasis on the clinicopathological and prognostic impacts (2024)
  • 著者名/発表者名: Sasa Keita,Son Raku,Oguchi Akiko,Ashizawa Karin,Hasegawa Nobuhiko,Kubota Daisuke,Suehara Yoshiyuki,Takagi Tatsuya,Okubo Taketo,Akaike Keisuke,Sugimoto Kiichi,Takahashi Makoto,Sakamoto Kazuhiro,Hashimoto Takashi,Mine Shinji,Fukunaga Tetsu,Ishijima Muneaki,Hayashi Takuo,Yao Takashi,Murakawa Yasuhiro,Saito Tsuyoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 号: 1 ページ: 768-768
  • DOI: 10.1038/s41598-024-51211-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of lymphoid-myeloid lineage bias through regnase-1/3-mediated control of Nfkbiz (2024)
  • 著者名/発表者名: 3.Uehata T, Yamada S, Ori D, Vandenbon A, Giladi A, Jelinski A, Murakawa Y, Watanabe H, Takeuchi K, Toratani K, Mino T, Kiryu H, Standley DM, Tsujimura T, IkawaT, Kondoh G, Landthaler M, Kawamoto H, Rodewald HR, Amit I, Yamamoto R, Miyazaki M, Takeuchi O
  • 雑誌名: Blood 巻: 143 号: 3 ページ: 243-257
  • DOI: 10.1182/blood.2023020903
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Morphomics via next-generation electron microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Son Raku、Yamazawa Kenji、Oguchi Akiko、Suga Mitsuo、Tamura Masaru、Yanagita Motoko、Murakawa Yasuhiro、Kume Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Cell Biology 巻: - 号: 12
  • DOI: 10.1093/jmcb/mjad081
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tertiary Lymphoid Tissues Are Microenvironments with Intensive Interactions between Immune Cells and Proinflammatory Parenchymal Cells in Aged Kidneys (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshikawa Takahisa、Oguchi Akiko、Toriu Naoya、Sato Yuki、Kobayashi Takashi、Ogawa Osamu、Haga Hironori、Sakurai Satoko、Yamamoto Takuya、Murakawa Yasuhiro、Yanagita Motoko
  • 雑誌名: Journal of the American Society of Nephrology 巻: 34 号: 10 ページ: 1687-1708
  • DOI: 10.1681/asn.0000000000000202
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of BST2 as a conjunctival epithelial stem/progenitor cell marker (2023)
  • 著者名/発表者名: Kitao Masahiro、Hayashi Ryuhei、Nomi Kimihito、Kobayashi Reiko、Katayama Tomohiko、Takayanagi Hiroshi、Oguchi Akiko、Murakawa Yasuhiro、Nishida Kohji
  • 雑誌名: iScience 巻: 26 号: 7 ページ: 107016-107016
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.107016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mobile element variation contributes to population-specific genome diversification, gene regulation and disease risk (2023)
  • 著者名/発表者名: 6.Kojima S, Koyama S, Ka M, Saito Y, Parrish EH, Endo M, Takata S, Mizukoshi M, Hikino K, Takeda A, Gelinas AF, HeatonSM, Koide R, Kamada AJ, Noguchi M, Hamada M; Biobank Japan Project Consortium; Kamatani Y, Murakawa Y, Ishigaki K,Nakamura Y, Ito K, Terao C, Momozawa Y, Parrish NF
  • 雑誌名: Nature Genetics 巻: 55 号: 6 ページ: 939-951
  • DOI: 10.1038/s41588-023-01390-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] HTLV-1 bZIP factor impairs DNA mismatch repair system (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakurada-Aono Maki、Sakamoto Takashi、Kobayashi Masayuki、Takiuchi Yoko、Iwai Fumie、Tada Kohei、Sasanuma Hiroyuki、Hirabayashi Shigeki、Murakawa Yasuhiro、Shirakawa Kotaro、Sakamoto Chihiro、Shindo Keisuke、Yasunaga Jun-ichirou、Matsuoka Masao、Pommier Yves、Takeda Shunichi、Takaori-Kondo Akifumi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 657 ページ: 43-49
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.03.049
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATM suppresses c-Myc overexpression in the mammary epithelium in response to estrogen (2023)
  • 著者名/発表者名: Najnin Rifat Ara、Al Mahmud Md Rasel、Rahman Md Maminur、Takeda Shunichi、Sasanuma Hiroyuki、Tanaka Hisashi、Murakawa Yasuhiro、Shimizu Naoto、Akter Salma、Takagi Masatoshi、Sunada Takuro、Akamatsu Shusuke、He Gang、Itou Junji、Toi Masakazu、Miyaji Mary、Tsutsui Kimiko M.、Keeney Scott、Yamada Shintaro
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 1 ページ: 111909-111909
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111909
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prediction of the cell-type-specific transcription of non-coding RNAs from genome sequences via machine learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Koido Masaru、Hon Chung-Chau、Koyama Satoshi、Kawaji Hideya、Murakawa Yasuhiro、Ishigaki Kazuyoshi、Ito Kaoru、Sese Jun、Parrish Nicholas F.、Kamatani Yoichiro、Carninci Piero、Terao Chikashi
  • 雑誌名: Nature Biomedical Engineering 巻: Online 号: 6 ページ: 830-844
  • DOI: 10.1038/s41551-022-00961-8
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] オリジナル技術の開発を起点とした完全長RNA解読による新規ヒト遺伝子の探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 第9回 愛媛大学大学院医学系研究科 糖尿病内科学 同門会
  • 招待講演
• [学会発表] 未踏への探求 独自トランスクリプトーム技術の設計とその医学応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: The 31st NCCRI Research Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] オリジナル技術の開発を起点としたヒト疾患の解明と新しい医療資源の探索 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 広島大学自然科学研究支援開発センター機器共用・分析部（霞） 企業共催セミナー第７回
  • 招待講演
• [学会発表] 5′single-cell RNA-seq法を用いたヒト遺伝子・エンハンサーのアトラス構築と疾患理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 最先端循環代謝学の若手研究会（第5回）
  • 招待講演
• [学会発表] 5′single-cell RNA-seq法を用いたCD4陽性T細胞の多様性と転写ネットワーク (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: AMED ワクチン開発のための世界トップレベル研究開発拠点の形成事業 京都大学・理化学研究所サポート機関合同シンポジウム（第２回）
  • 招待講演
• [学会発表] Development of new functional genomics tools to understand human biology and diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: Sino-Japanese Exchange Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantity and Quality of Lipid-related Genes (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: JST-ERATO 有田リピドームアトラスプロジェクト第1回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Deciphering the enhancer code using 5’ single-cell RNA sequencing (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 第82回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] Dissecting human disease pathways using high-resolution chromatin contact maps (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: Unravelling Gene Regulation with the Dovetail Pan Promoter Panel
  • 招待講演
• [学会発表] ヒトゲノムの機能領域を同定するためのトランスクリプトーム技術 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 第1回京都大学・理化学研究所サポート機関合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] エンハンサー・ゲノムネットワークの解明に向けたRNA解析技術開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 第96回日本内分泌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 高解像度クロマチン構造解析によるヒト疾患のエフェクター遺伝子解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: Dovetail Genomics Hi-C Epigenetics and Assembly Summit 2023
  • 招待講演
• [学会発表] An atlas of transcribed enhancers across immune cell diversity for decoding human immune-mediated diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 第2回国際臨床免疫シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 真の完全長RNAシークエンス解析法の開発によるヒト新規RNA分子の網羅的決 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: PacBio; HIFI SEQUENCING EXPERIENCE TOUR ロードショー
  • 招待講演
• [学会発表] Uncovering new transcripts and RNA regulation in humans using full-length RNA sequencing (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: FANTOM6 SPRING MEETING Human Technopole, Milan
  • 招待講演
• [学会発表] Uncovering new transcripts and RNA regulation in humans using full-length RNA sequencing (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: FANTOM6 SPRING MEETING
  • 国際学会
• [学会発表] ヒトゲノムから生み出される新規機能性分子の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 愛媛大学医学部附属病院 先端医療創生センターセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Mapping novel functional genetic elements in mammals (2023)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: 36th International Mammalian Genome Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An atlas of transcribed enhancers across helper T cell diversity for decoding human diseases (2022)
  • 著者名/発表者名: 村川泰裕
  • 学会等名: Berlin Institute for Medical Systems Biology Seminar
  • 招待講演