クロマチン構造転移の統計物理学

• 研究領域: 遺伝子制御の基盤となるクロマチンポテンシャル
• 研究課題/領域番号: 19H05275
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 川口 喬吾 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 理研白眉研究チームリーダー (00787319)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2019年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
• キーワード: 細胞分化現象 / 高分子物理 / クロマチン構造 / 細胞集団運動

研究開始時の研究の概要

近年の1細胞レベルのトランスクリプトームやエピジェネティクス解析などの技術発展により、哺乳類細胞の分化過程における分子的な状態変化の詳細が明らかになってきた。しかし、なぜ安定な細胞種は遺伝子発現空間上に飛び飛びにしか存在しないのか、なぜ細胞分化は基本的に不可逆なのか、といった本質的な問いへの答えはまだ出ていない。そこで本研究では、細胞核内のクロマチンの構造変化そのものが、細胞分化現象の離散性・不可逆性と密接関わっている可能性に注目し、理論物理・データ解析の2方向から研究を進める。

研究実績の概要

細胞分化現象の離散性や不可逆性といった特徴は細胞種や生物種を超えて普遍的に観察されているが、その物理的要因はいまだ謎につつまれている。本研究では、クロマチンの構造変化の物理的性質そのものが細胞分化現象の離散性・不可逆性と密接関わっている可能性を検証すべく、統計物理学によるモデル研究とデータ解析の研究（目的１）と、培養細胞実験を用いた分化実験を行ってきた（目的２）。

目的１に関してはわれわれは、クロマチン構造変化の理論モデルを元に、有限サイズでコンパートメント変化がとどまる原理について調べてきた。特に今年度は、Hi-Cデータに加えて、TSA-seqやDNA-seq FISHといったクロマチン構造に関する新しいデータについて解析を行った。その結果、アクティブなコンパートメント領域が維持されるメカニズムに関して示唆を得たため、それを取り込んだ分子動力学シミュレーションを行うとともに、生きた細胞の実験系においてコンパートメント形成・維持メカニズムをテストする方法を考案した。

目的２に関しては、レチノイン酸によって不可逆的にneutrophil様細胞に分化を誘導することのできる培養細胞系を用いて(HL60)、運命決定の瞬間とコンパートメント変化の間の相関を調べる実験系を行った。特に今年度は、一様な細胞集団から分化集団と未分化集団が現れる過程をすべてライブイメージングする顕微鏡観察系を作ることに成功し、数千細胞の系統樹と最終的な分化結果が対応するデータを得た。また、細胞内で複数のヒストン一分子をイメージングする系を立ち上げ、細胞周期・分化進行に依存して核内動態がどのように変化するのかを直接測ることもできるようになった。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Chromatin state switching in a polymer model with mark-conformation coupling (2019)
  • 著者名/発表者名: Adachi Kyosuke, Kawaguchi Kyogo
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW E 巻: 100 号: 6
  • DOI: 10.1103/physreve.100.060401
  • 査読あり
• [雑誌論文] A large pool of actively cycling progenitors orchestrates self-renewal and injury repair of an ectodermal appendage. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sharir Amnon, Marangoni Pauline, Zilionis Rapolas, Wan Mian, Wald Tomas, Hu Jimmy K, Kawaguchi Kyogo, Castillo-Azofeifa David, Epstein Leo, Harrington Kyle, Pagella Pierfrancesco, Mitsiadis Thimios, Siebel Christian W, Klein Allon M, Klein Ophir D
  • 雑誌名: NATURE CELL BIOLOGY 巻: 21 号: 9 ページ: 1102-1112
  • DOI: 10.1038/s41556-019-0378-2
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 『これから一緒に研究する君へ』 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 脳科学若手の会 関西支部セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium and topological concepts in multicellular dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: RIKEN BDR Symposium 2021
  • 招待講演
• [学会発表] 生物系の多体現象と非平衡物理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 東京大学工学部 物理工学科 ワークショップ「物理工学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] Chiral Dynamics and Boundary Wave of Active Nematic Neural Progenitors (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Special Virtual Seminar, The University of Chicago
  • 招待講演
• [学会発表] Chiral dynamics and boundary wave of active nematic neural progenitors (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Informal meeting : Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動のキラリティとトポロジー (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 東京大学 理学系研究科 生物科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] アクティブネマティック細胞とキラリティ (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 山田研究会「動的過程における右と左」ー非平衡、非対称、非線形が紡ぐ学際研究ー」
  • 招待講演
• [学会発表] Applying condensed matter concepts to collective cell dynamics and tissues (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: ASHBi Retreat
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動の非平衡物理とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 待兼山コロキウム, 大阪大学
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 筑波大学物性セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Active nematic cells and topology (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: East Asia Joint Seminars on Statistical Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞集団運動とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: KUIAS-Heidelberg-RIKEN iTHEMS joint workshop, Kyoto Univ.
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium properties of multicellular systems (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: RIKEN Summer School Retreat
  • 招待講演
• [学会発表] Physical properties of homeostatic and active tissues (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium physics of collective cell migration and tissue homeostasis (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: Academia Sinica (seminar)
  • 招待講演
• [学会発表] 成体組織恒常性の普遍モデルとその性質 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 成体組織恒常性の非平衡物理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川口 喬吾
  • 学会等名: 北大MMCセミナー
  • 招待講演
• [図書] "相分離生物学の全貌" (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 景亮, 川口 喬吾
  • 総ページ数: 400
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [図書] "物理科学,この1年 2020 (Parity)" (2020)
  • 著者名/発表者名: パリティ編集委員会 編
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621304860