発生・分化のゲノムモダリティと疾患

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: ＤＮＡの物性から理解するゲノムモダリティ
• 研究課題/領域番号: 20H05940
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 白髭 克彦 東京大学, 定量生命科学研究所, 教授 (90273854)
• 研究分担者: 泉 幸佑 東京大学, 定量生命科学研究所, 客員准教授 (40383707) ; 朴 聖俊 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (40759411)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: 希少疾患 / コヒーシン / コヒーシンローダー / Hi-C / 転写伸長

研究実績の概要

令和3年度は、以下の実績を挙げた。
1）泉グループでは、将来的なゲノム解析を目的とした疾患モデル作成（細胞モデル・動物モデル）とその表現型検討に注力した。細胞モデルとして、AFF4遺伝子変異によるCHOPS症候群Induced pluripotent stem cells（iPS細胞）、そして染色体異常症であるパリスターキリアン症候群iPS細胞を樹立した。さらにマウスモデルとして、NKAP変異によるNKAP関連症候群マウスを樹立した。さらに行動解析によりNKAP関連症候群マウスが多動・学習障害を呈し、ヒトNKAP関連症候群に類似した症状を示すことを確認した。
２）朴グループでは、畳み込みニューラルネットワークをベースにした深層学習法を用いて、DNA配列情報のみからプロモーターとエンハンサー部位の特徴を学習し、分類する手法を開発した。これにより、非コードDNA領域の機能予測を行うことが可能となった。また、ゲノム高次構造と転写の相関解析に使用する基盤データの拡充を行った。ここでは、マウスES細胞由来のHi-C、ChIP-seq、ATAC-seqなどの80サンプル以上の大規模データ解析を実施した。Micro-CやEU-seqなどの独自のコヒーシン関連NGSデータも加えてゲノムモダリティ・スィート(GMS、https://gmsuite.hgc.jp/)で公開準備中である。GMSに関して、総括班、高田班、新海班との連携のもとで、基盤データベースとゲノム三次元立体構造のモデリングと可視化が終了し、公開した。
3）白髭グループでは、コヒーシンのATPaseの阻害がin vitroおよびin vivoでRNA Polymeraseの伸長反応を阻害すること、さらに、コヒーシンによる転写制御が転写伸長反応の調節因子であるNELFを介していることを明らかにした。

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

コヒーシン病及びその関連疾患の病態を再現するモデル細胞を構築できた。このモデル細胞を用いて、ChIP-seq解析、RNA-seq解析、およびmicro-C解析を行ったところ、コヒーシンのプロモーターへのリクルート量の低下とともにNELFおよびBrd4のプロモーターへの集積が著しく減少することを見出した。一方で、これらの細胞ではいわゆる染色体ドメインやループそのものの形成はほぼ正常であった。これらのことは、コヒーシンが転写伸長反応を負に制御していることを示している。また、コヒーシンのATPase活性を阻害するAlFxを膜透過性を上げた細胞に添加したところ、昨年までにvitroで確認されていたように、RNAポリメラーゼの伸長遅延あるいは停止が見いだされた。これらの結果は、コヒーシンのATPase活性がRNAポリメラーゼの伸長反応を制御しているという我々の仮説を支持するものであった。一方で、ポリメラーゼが脱制御状態になった場合、どのようなことが引き起こされるのかは依然、不明なままである。現在、転写産物の質にコヒーシンが関与しているという仮説のもとに研究を展開している。

今後の研究の推進方策

泉グループでは、今後は樹立したモデルを用いたゲノム解析実験を行う予定である。
また、朴グループでは、令和3年度に得られたゲノム的解析と情報科学的モデリングのブラシュアップと情報基盤の本格的稼働を目指す。ゲノムの階層的構造情報、すなわち、配列修飾、コンタクト、立体構造を有機的に関連付けて機能解析を進める予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Children's Hospital of Philadelphia(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Children's Hospital of Philadelphia
• [国際共同研究] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: カロリンスカ研究所
• [国際共同研究] Center for Biological Research(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Center for Biological Research
• [雑誌論文] Expanding the phenotypic spectrum of ARCN1-related syndrome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ritter AL, et.al
  • 雑誌名: Genet Med. 巻: S1098-3600 ページ: 00651-7
  • DOI: 10.1016/j.gim.2022.02.005.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Inborn error of metabolism patients after liver transplantation: Outcomes of 35 patients over 27 years in one pediatric quaternary hospital. (2022)
  • 著者名/発表者名: Pritchard AB, Izumi K, Payan-Walters I, Yudkoff M, Rand EB, Bhoj E.
  • 雑誌名: Am J Med Genet A. 巻: 188(5) ページ: 1443-1447
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.62659.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The clinical and molecular spectrum of QRICH1 associated neurodevelopmental disorder. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kumble S, et.al
  • 雑誌名: Hum Mutat. 巻: 43(2) ページ: 266-282
  • DOI: 10.1002/humu.24308.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Diagnostic Outcomes from 700 Cases: What Can We Learn from a Retrospective Analysis of Clinical Exome Sequencing? (2022)
  • 著者名/発表者名: Murrell JR, et.al
  • 雑誌名: J Mol Diagn. 巻: 24(3) ページ: 274-286.
  • DOI: 10.1016/j.jmoldx.2021.12.002.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Highly rigid H3.1/H3.2-H3K9me3 domains set a barrier for cell fate reprogramming in trophoblast stem cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hada M, Miura H, Tanigawa A, Matoba S, Inoue K, Ogonuki N, Hirose M, Watanabe N, Nakato R, Fujiki K, Hasegawa A, Sakashita A, Okae H, Miura K, Shikata D, Arima T, Shirahige K, Hiratani I, Ogura A.
  • 雑誌名: Genes Dev. 巻: 36 ページ: 84-102
  • DOI: 10.1101/gad.348782.121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterizing promoter and enhancer sequences by a deep learning method (2021)
  • 著者名/発表者名: Xin Zeng, Sung-Joon Park and Kenta Nakai
  • 雑誌名: Frontiers in Genetics 巻: 12 ページ: 681259
  • DOI: 10.3389/fgene.2021.681259
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bi-allelic variants in the ER quality-control mannosidase gene EDEM3 cause a congenital disorder of glycosylation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Polla DL, et.al
  • 雑誌名: Am J Hum Genet. 巻: 108(7) ページ: 1342-1349.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Expanding the genotypic and phenotypic spectrum in a diverse cohort of 104 individuals with Wiedemann-Steiner syndrome. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sheppard SE, et.al
  • 雑誌名: Am J Med Genet A. 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1002/ajmg.a.62124.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Variants in NAA15 cause pediatric hypertrophic cardiomyopathy. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ritter A, Berger JH, Deardorff M, Izumi K, Lin KY, Medne L, Ahrens-Nicklas RC.
  • 雑誌名: Am J Med Genet A. 巻: 185(1) ページ: 228-233
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-cell transcriptional analysis reveals developmental stage-dependent changes in retinal progenitors in the murine early optic vesicle. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada R, Oguri A, Fujiki K, Shirahige K, Takezoe H, Takahashi N, *Kanai Y.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: 543 ページ: 80-86
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.01.043.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional control of Eco1 through the MCM complex in sister chromatid cohesion. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura A, Sutani T, Shirahige K.
  • 雑誌名: Gene. 巻: 784 ページ: 145584
  • DOI: 10.1016/j.gene.2021.145584.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pericentromeric noncoding RNA changes DNA binding of CTCF and inflammatory gene expression in senescence and cancer. (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyata K, Imai Y, Hori S, Nishio M, Loo TM, Okada R, Yang L, Nakadai T, Maruyama R, Fujii R, Ueda K, Jiang L, Zheng H, Toyokuni S, Sakata T, Shirahige K, Kojima R, Nakayama M, Oshima M, Nagayama S, Seimiya H, Hirota T, Saya H, Hara E, *Takahashi A.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 118 ページ: e2025647118
  • DOI: 10.1073/pnas.2025647118.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Codependency and mutual exclusivity for gene community detection from sparse single-cell transcriptome data. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakajima N, Hayashi T, Fujiki K, Shirahige K, Akiyama T, Akutsu T, Nakato R.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 49 ページ: e104
  • DOI: 10.1093/nar/gkab601
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 染色体の謎に迫る ―命のプラットフォーム、染色体の構造と機能を解き明かす― (2021)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 2021年度 第3回創発セミナー（大隅基礎科学創成財団）
  • 招待講演
• [学会発表] 転写制御におけるコヒーシンの役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 第４４回日本分子生物学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] THE FUNCTION OF COHESIN IN THE ASSEMBLY OF TRANSCRIPTIONAL MACHINERY IN VIVO AND IN VITRO (2021)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: Cold Spring harbor Asia, DNA Metabolism, Genomic Stability and Diseases
  • 国際学会 / 招待講演