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高次ゲノム構造動態と遺伝子発現の連関解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K23872
補助金の研究課題番号 22H02609 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分43060:システムゲノム科学関連
研究機関九州大学

研究代表者

落合 博  九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (60640753)

研究分担者 新海 創也  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (60547058)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2022年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
キーワードクロマチン / 転写 / 高次ゲノム構造 / 数理モデリング / ライブイメージング / FISH / 数理モデル
研究開始時の研究の概要

遺伝子の発現制御には、プロモーター・エンハンサーの物理的相互作用が重要な役割を果たしている。しかし、細胞間で高次ゲノム構造は顕著な多様性が認められ、この多様性がいかに個々の細胞での遺伝子発現量の多様性や動態に影響を与えているかについては明らかになっていない。本研究では、マウスES細胞を対象に、DNA/RNA-seqFISHを利用して遺伝子発現状態と高次ゲノム構造情報を多数の細胞から抽出する。さらに、マウスES細胞のHi-C情報をもとに、申請者らが開発した独自アルゴリズムを利用して高次ゲノム構造を推測し、統合的に解析する。これらにより、高次ゲノム構造-遺伝子発現動態の関係性を定量的に解明する。

研究実績の概要

遺伝子の発現制御には、プロモーターと遠位にあるエンハンサーとの物理的相互作用が重要な役割を果たしている。そのため、特定の細胞種では、細胞種特異的な高次ゲノム構造が形成される。しかし、この「特定細胞種の高次ゲノム構造」は、多数の細胞データから得られる「平均的」な構造で、実際には細胞間で顕著な多様性が認められる。この高次ゲノム構造の細胞間多様性が個々の細胞での遺伝子発現量の多様性や動態に影響を与える可能性が考えられるが、技術的な問題から明らかになっていない。本研究では、マウス胚性幹(ES)細胞を対象に、DNA/RNA-seqFISHを利用して遺伝子発現状態と高次ゲノム構造情報を多数の細胞から抽出する。さらに、マウスES細胞のHi-C情報をもとに、申請者らが開発した独自アルゴリズム(PHi-C)を利用して高次ゲノム構造を推測し、DNA/RNA-seqFISHによって得られる情報と統合する。統合情報を元に、さらにPHi-Cによって遺伝子発現状態特異的な高次ゲノム構造を推定する。申請者らが開発した特定内在遺伝子の転写と細胞核内局在を同時に可視化する技術によって生細胞内の高次ゲノム構造動態を定量し、PHi-Cデータの検証及び最適化を行う。これらを通し、高次ゲノム構造-遺伝子発現動態の関係性を定量的に解明する。
本年度は、マウスES細胞を対象にしたDNA/RNA-seqFISHデータを解析し、特定遺伝子の転写活性状態ごとの高次ゲノム構造情報を得た。これにより、転写活性状態特異的な高次ゲノム構造があることがわかった。また、PHi-C解析および生細胞イメージングのデータから、転写活性状態においては遺伝子周辺領域の粘性が上昇しており、それによってエンハンサー・プロモーター相互作用時間が上昇することが示唆された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

データ取得および解析は順調に進んでいる。研究によって、想定していなかった転写活性状態におけるエンハンサー・プロモーターの相互作用時間の延長といった現象を見出すことができた。

今後の研究の推進方策

ここまでの解析で、特定遺伝子の転写活性状態特異的に遺伝子周辺環境の粘性が上昇することが示唆された。申請者らは、TetR/TetOシステムおよびMS2/MCPシステムを利用して高精度にゲノム領域と転写を同時に可視化する技術(STREAMING-tagシステム)を確立している。さらに、dCas9-GFPシステムを併用することで任意のゲノム領域(例えばエンハンサー領域等)も可視化できる。そこで、STREAMING-tagシステムおよびdCas9-GFPシステムを併用することで、特定遺伝子の転写活性状態依存的な高次ゲノム動態を生細胞内で検証する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 オープンアクセス 3件、 査読あり 2件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 7件、 招待講演 20件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Transcription-coupled changes in higher-order genomic structure and transcription hub viscosity prolong enhancer-promoter connectivity2023

    • 著者名/発表者名
      Ohishi Hiroaki、Shinkai Soya、Owada Hitoshi、Fujii Takeru、Hosoda Kazufumi、Onami Shuichi、Yamamoto Takashi、Ohkawa Yasuyuki、Ochiai Hiroshi
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: - ページ: 568629-568629

    • DOI

      10.1101/2023.11.27.568629

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Precise immunofluorescence canceling for highly multiplexed imaging capturing specific cell state2023

    • 著者名/発表者名
      Tomimatsu Kosuke、Fujii Takeru、Bise Ryoma、Hosoda Kazufumi、Taniguchi Yosuke、Ochiai Hiroshi、Ohishi Hiroaki、Ando Kanta、Minami Ryoma、Tanaka Kaori、Tachibana Taro、Mori Seiichi、Harada Akihito、Maehara Kazumitsu、Nagasaki Masao、Uchida Seiichi、Kimura Hiroshi、Narita Masashi、Ohkawa Yasuyuki
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2023.10.17.561810

    • 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] STREAMING-tag system reveals spatiotemporal relationships between transcriptional regulatory factors and transcriptional activity2022

    • 著者名/発表者名
      Ohishi Hiroaki、Shimada Seiru、Uchino Satoshi、Li Jieru、Sato Yuko、Shintani Manabu、Owada Hitoshi、Ohkawa Yasuyuki、Pertsinidis Alexandros、Yamamoto Takashi、Kimura Hiroshi、Ochiai Hiroshi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1 ページ: 7672-7672

    • DOI

      10.1038/s41467-022-35286-2

    • 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] 空間オミクス技術で切り開く生命現象の高深度理解2024

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      2024医療・健康ユニットシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 遺伝子発現における転写バースト ~細胞レベルでの影響と制御機構~2024

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      第1回WS「未踏探索における個性と集団の役割」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Unveiling transcriptional dynamics in pluripotent stem cells through imaging analysis2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      RIKEN IMS Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Regulation of gene expression dynamics in pluripotent stem cells revealed by imaging analysis2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      RIKEN BDR Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multimodal chromatin tracing法による転写動態に伴う高次ゲノム構造変化の解明2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      第46回 日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 転写バーストサイクル過程で変化する高次ゲノム構造2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 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
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Unveiling the dynamics of transcriptional regulation through spatial multimodal molecular imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      第18回生命医科学研究所ネットワーク国際シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高次ゲノム構造とタンパク質凝集体形成による転写動態制御2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      令和5年遺伝研究会 クロマチン・細胞核構造の動的変換とゲノム機能制御
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 単一遺伝子イメージングによって明らかにする転写動態制御2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      第82回日本癌学会学術総会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Chromatin structure and transcriptional dynamics: insights from chromatin tracing2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      UBC Genomics and Genome Engineering Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 生細胞単一遺伝子イメージングによる転写動態のエピジェネティック制御機構の解明2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      第16回日本エピジェネティクス研究会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Higher-order genomic structure changes during the transcriptional bursting2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 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] マウス多能性幹細胞における転写動態制御機構の解明2023

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      第4回ゲノム生物物理学セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Localization of transcriptional regulator condensates in transcriptional bursting revealed by STREAMING-tag system2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      Cretan RNA Salon Seminar Series
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 遺伝子発現動態の定量的理解2022

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Transcriptional dynamics regulated by non-genomic codes2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on REPLICATION of NON GENOME
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 単一遺伝子イメージングから解き明かす転写活性依存的な転写制御因子凝集体の形成2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Revealing regulatory mechanisms of transcriptional dynamics by single-gene imaging system2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      Single Molecule & Chromatin meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高次ゲノム構造と転写の動態2022

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      令和4年遺伝研究会 クロマチン・細胞核構造の動的変換とゲノム機能制御
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高次ゲノム構造と転写ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      落合 博
    • 学会等名
      一般財団法人 染色体学会 第73 回(2022 年度)年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 九州大学・生医研・高深度オミクス・遺伝子発現動態学

    • URL

      https://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/ged/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/HiroshiOchiai/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/HiroshiOchiai

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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