クロマチン構造と遺伝子発現を接続する一細胞時系列モデリング

• 研究領域: 多様かつ堅牢な細胞形質を支える非ゲノム情報複製機構
• 研究課題/領域番号: 20H05393
• 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: 九州大学
• 研究代表者: 前原 一満 九州大学, 生体防御医学研究所, 助教 (90726431)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020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: クロマチン / マルチオミクス / 一細胞 / 状態空間モデル

研究開始時の研究の概要

本計画では、独自技術であるChIL法によるマルチオミクスデータの取得と、ホッジ分解を用いた時間構造推定法を組み合わせた遺伝子発現ダイナミクスの時系列解析法を確立することで、クロマチン構成因子と遺伝子発現制御の制御／依存関係を理解する。具体的には、以下の3つの目標を達成しながら計画を遂行する。その概要は、まず、一細胞データの時系列解析を行うための基礎技術を確立（目標1）し、取得したマルチオミクスデータ（目標2）から構築する時系列モデルへの適合度を指標として、分化時の遺伝子発現制御システムの駆動に必須となる、モデルの外部としての非ゲノム因子同定を目指す（目標3）ものである。

研究実績の概要

本計画では、独自技術であるChIL法によるマルチオミクスデータの取得と、一細胞データの時間構造推定法を組み合わせた遺伝子発現ダイナミクスの時系列解析法を確立することで、クロマチン構成因子と遺伝子発現制御の制御／依存関係の理解することを目指している。具体的には、以下の3つの目標を達成しながら計画を遂行する。まず、一細胞データの時系列解析を行うための基礎技術を確立（目標1）し、取得したマルチオミクスデータ（目標2）から構築する時系列モデルへの適合度を指標として、分化時の遺伝子発現制御システムの駆動に必須となる、モデルの外部としての非ゲノム因子同定を目指す（目標3）ものである。本年度は、組織のエピゲノムデータから転写の動態を抽出する手法を開発し、主著論文として発表を行った。クロマチンによる遺伝子制御のモデルケースとして、筋損傷後の筋衛星細胞の活性化から、骨格筋の再生に至るプロセスを主なターゲットとして解析した。組織切片中の限られた細胞数であっても、高い感度・精度でクロマチン構造や転写因子のゲノムワイド解析ができることを示した。さらに論文では、traveling ratioを応用し、クロマチン構成因子の局在変化を評価するための統計モデルを提案し、骨格筋再生過程における転写とクロマチン構造の時間変化を解析した。また、組織の単一細胞遺伝子発現データに適した細胞特徴抽出法の論文を発表した。クロマチン分野における領域内共同研究の論文成果を得たほか、オミクスデータ解析を支援し計４報の共著論文成果を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Relayed signaling between mesenchymal progenitors and muscle stem cells ensures adaptive stem cell response to increased mechanical load. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneshige A, Kaji T, Zhang L, Saito H, Nakamura A, Kurosawa T, Ikemoto-Uezumi M, Tsujikawa K, Seno S, Hori M, Saito Y, Matozaki T, Maehara K, Ohkawa Y, Potente M, Watanabe S, Braun T, Uezumi A, Fukada SI.
  • 雑誌名: Cell Stem Cell. 巻: 29 号: 2 ページ: 265-280
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.11.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discriminative feature of cells characterizes cell populations of interest by a small subset of genes. (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujii T, Maehara K, Fujita M, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: PLoS Comput Biol. 巻: 17 号: 11 ページ: e1009579-e1009579
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modeling population size independent tissue epigenomes by ChIL-seq with single thin sections. (2021)
  • 著者名/発表者名: Maehara K, Tomimatsu K, Harada A, Tanaka K, Sato S, Fukuoka M, Okada S, Handa T, Kurumizaka H, Saitoh N, Kimura H, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Mol Syst Biol. 巻: 17
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An extensive and dynamic trans-omic network illustrating prominent regulatory mechanisms in response to insulin in the liver. (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki F, Uda S, Yamauchi Y, Matsumoto M, Soga T, Maehara K, Ohkawa Y, Nakayama KI, Kuroda S, Kubota H.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 36 ページ: 109569-109569
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-depth spatial transcriptome analysis by photo-isolation chemistry. (2021)
  • 著者名/発表者名: Honda M, Oki S, Kimura R, Harada A, Maehara K, Tanaka K, Meno C, Ohkawa Y.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 12 号: 1 ページ: 4416-4416
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24691-8
  • NAID: 120007141968
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chromatin structure-dependent histone incorporation revealed by a genome-wide deposition assay (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Tachiwana, Mariko Dacher, Kazumitsu Maehara, Akihito Harada, Yosuke Seto, Ryohei Katayama, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura, Hitoshi Kurumizaka, Noriko Saitoh
  • 雑誌名: eLife 巻: 10
  • DOI: 10.7554/elife.66290
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide analysis of chromatin structure changes upon MyoD binding in proliferative myoblasts during the cell cycle (2021)
  • 著者名/発表者名: Wu Qianmei、Fujii Takeru、Harada Akihito、Tomimatsu Kosuke、Miyawaki-Kuwakado Atsuko、Fujita Masatoshi、Maehara Kazumitsu、Ohkawa Yasuyuki
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: - 号: 6 ページ: 653-661
  • DOI: 10.1093/jb/mvab001
  • NAID: 40022687719
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] H4K20me1 and H3K27me3 are concurrently loaded onto the inactive X chromosome but dispensable for inducing gene silencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Tjalsma Sjoerd J D、Hori Mayako、Sato Yuko、Bousard Aurelie、Ohi Akito、Raposo Ana Claudia、Roensch Julia、Le Saux Agnes、Nogami Jumpei、Maehara Kazumitsu、Kujirai Tomoya、Handa Tetsuya、Bages‐Arnal Sandra、Ohkawa Yasuyuki、Kurumizaka Hitoshi、da Rocha Simao Teixeira、Zylicz Jan J、Kimura Hiroshi、Heard Edith
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 22 号: 3
  • DOI: 10.15252/embr.202051989
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chromatin integration labeling for mapping DNA-binding proteins and modifications with low input. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Handa, Akihito Harada, Kazumitsu Maehara, Shoko Sato, Masaru Nakao, Naoki Goto, Hitoshi Kurumizaka, Yasuyuki Ohkawa, Hiroshi Kimura.
  • 雑誌名: Nat Protoc. 巻: 15 号: 10 ページ: 3334-3360
  • DOI: 10.1038/s41596-020-0375-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 単一細胞オミクスデータの性能評価から利活用まで (2022)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: マルチNGSオミクス解析研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 筋組織維持システムの理解に向けたオミクスデータ解析技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 前原一満、原田哲仁、藤井健、大川恭行
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 生命現象を理解するためのオミクスデータ解析技法. (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 学会等名: バイオ統計セミナー
  • 招待講演
• [図書] 1細胞エピゲノム解析技術開発の最前線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大川 恭行,原田 哲仁,前原 一満
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 医歯薬出版株式会社 週刊医学のあゆみ
• [図書] 実験医学増刊 Vol.38 No.20 機械学習を生命科学に使う！「scRNA-seqを用いた細胞系譜の軌跡推定-データの背後の流れを読み取る技術-」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満, 大川恭行
  • 総ページ数: 8
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758103916
• [図書] 実験医学別冊 エピゲノムをもっと見るためのクロマチン解析実践プロトコール「少数細胞クロマチン解析法の性能を比較する」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前原一満
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122481
• [備考] 九州大学 トランスクリプトミクス分野ホームページ
  • URL: https://tx.bioreg.kyushu-u.ac.jp/