染色体間相互作用によるゲノム高次構造構築と細胞運命決定における役割

研究課題

研究課題/領域番号	23K05730
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分43050:ゲノム生物学関連
研究機関	国立研究開発法人国立成育医療研究センター
研究代表者	冨川順子国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 周産期病態研究部, 研究員 (80534990)
研究期間 (年度)	2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円) 2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円) 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円) 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード	3Dゲノム高次構造 / lncRNA / 初期発生 / 染色体間相互作用 / ゲノム構造
研究開始時の研究の概要	間期の核内でゲノムDNAはChromosome territoryにより染色体ごとに区画化されているが、ゲノムDNAは各染色体内のみではなく染色体間でも相互作用し、遺伝子発現の制御・細胞運命の決定に寄与していると考えられる。しかし近年の研究では、遺伝子発現の制御は、各染色体内で形成されるTADなどの挙動によって完結しているように考えられがちであり、染色体間相互作用に関する研究は進んでいない。2細胞期胚特異的なゲノム高次構造の、全能性の獲得への関与を明らかにすることは、染色体間相互作用が細胞種特異的な遺伝子発現制御、さらには細胞運命の決定に関わっていることを示す良いモデルとなる。
研究実績の概要	間期の各染色体DNAは染色体テリトリーに区画化されていることから、遺伝子群の発現制御は染色体内相互作用により形成されるTADなどによる制御が一般的と考えられがちである。しかし、ゲノムDNAは各染色体内のみではなく異なる染色体間でも相互作用し、遺伝子発現の制御、さらには細胞運命を決定づけていると考えられる。マウス全能性胚は体細胞に比べて染色体間相互作用の割合が高く、TAD構造が未熟な点からも、染色体間相互作用を介したゲノム高次構造がより重要な役割を果たしている可能性が高い。実際にマウス2細胞期胚（全能性細胞）では染色体間相互作用を介した興味深いハブ構造を形成していることがわかった。本研究では、まず、この全能性細胞特異的なゲノム高次構造が全能性の獲得、またその後の発生でどのような役割を担っているのか、その中心となっているハブ領域欠損マウスを作製し、表現型を解析する。また、こうしたゲノム高次構造構築に関わる因子として想定されるLong non-coding RNAs（lncRNAs）の同定を目的として、CRISPRiを用いたlncRNAのスクリーニング実験を行う。スクリーニングには、2細胞期胚と類似した特徴を有する2-cell like cells（2CLCs）の出現が確認できるよう、MERVLプロモーターにEGFPを結合させた配列をノックインしたES細胞株を用い、dCas9-KRAB-MeCP2とプールさせたsingle-guide RNAs（sgRNAs）を順次ES細胞内で発現させるマルチガイドCRISPRiにより、lncRNAの発現を抑制させ、数日間培養後、2CLCの出現頻度をFACSにより検証する。回収した2CLCsのRNA-seqで網羅的に解析することにより、発現が変動したlncRNAを同定する。同定されたlncRNAの機能は、受精卵でのノックダウン実験を行い検証する。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由当初、CRISPR/Cas9システムにより、ハブ構造の中心となっている17番染色体上の領域をヘテロで欠損したマウス2匹の作出に成功した。野生型マウスとの交配により、ヘテロ欠損マウスの数を増やそうと試みたのだが、産仔の死亡率があまりにも高く、得られたヘテロ欠損個体はF0世代、F1世代、F2世代を合わせてもまだ5匹しかいない。ホモ個体の作出、初期胚の発生能の検証、2細胞期胚でのトランスクリプトーム解析といった一連の表現型解析を行うためにはまだヘテロ欠損マウスの数が少なく、今後も時間を要することが予想される。この遅れは、並行して進めているCRISPRiによるlncRNAのスクリーニングにも影響している。そもそもsgRNAの設計を、ハブ領域のホモ欠損胚で発現が変動したlncRNAsに対して重点的に行うつもりでいたため、sgRNAsをコードしたレンチウイルスの設計にも遅れが生じている。
今後の研究の推進方策	ハブ領域のヘテロ欠損マウスを増やすことが現在最も重要な案件となっている。そこで、現在2匹いる雄マウスをから効率よく産仔を得るため、フォスターマザーの導入を考えている。一方、lncRNAのスクリーニングについては、2021年にQuinodozらが発表した論文をもとに、核内に残留することが確認された642のlncRNAsについて設計を始める予定である。