マウス変異体を用いた非ドメイン型RNAの生理機能解析

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 非ドメイン型バイオポリマーの生物学：生物の柔軟な機能獲得戦略
• 研究課題/領域番号: 21H05274
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 中川 真一 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (50324679)
• 研究分担者: 荒木 喜美 熊本大学, 生命資源研究・支援センター, 教授 (90211705)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• キーワード: ノンコーディングRNA / ノックアウトマウス / 選択的スプライシング / 4,5SH / 超天然変性タンパク質

研究実績の概要

これまでの研究で、機能未知のノンコーディングRNAである4.5SHノックアウトマウスが胎生致死になることが明らかとなっていた。4.5SHの分子機能を明らかにするためにKOマウスから作製したES細胞を用いてRNA-Seq解析を行ったところ、野生型では見られない異常エクソンが100個以上の遺伝子に突如として出現することが分かった。これらの異常エクソンはストップコドン変異やフレームシフト変異を含有しており、ホスト遺伝子の機能を喪失させているものと考えられた。また、これらの異常エクソンは、4.5SHと高い配列の相同性を持つレトロトランスポゾンSINE B1がアンチセンス方向に挿入されたものであった。つまり、4.5SHは異常エクソンとなるSINE B1のアンチセンス挿入配列を含むpre-mRNAと相補鎖を形成し、その配列がエクソン化することを防ぐことで、正常なトランスクリプトームを担保していることが明らかとなった。さらに詳細なメカニズムを明らかにするために4.5SHのドメイン解析を行ったところ、4.5SHはエクソンスキッピングを誘導するためのエフェクターと結合するモジュールと、標的配列に結合するモジュールに分かれていることが明らかとなった。また、エフェクター結合モジュールは、hnRNPM、Sfpq、Nonoなど、pre-mRNAのイントロン領域と結合するRNA結合タンパク質群と複合体を作っていることも明らかとなった。さらに、4.5SHの標的配列結合モジュールを任意のエクソンの相補的な配列と入れ替えることで、そのエクソンのスキッピングを誘導することができることも明らかとなった。
この他、廣瀬との共同研究で非膜オルガネラの区画化を制御するメカニズムを明らかとしたほか、泊との共同研究でマウスの生存に必須な超天然変性タンパク質を新たに同定した。

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

4.5SHに関する研究成果は当所の計画には入っていなかったが、予想外の展開を見せ、非常に大きな成果を上げることが出来た。この発見は、以下の点で非常に重要な意味を持つものである。１）エクソンスキッピングがノンコーディングRNAで制御されていることを実験的に明確に示した初めての例である。２）この発見により、RNAi、CRISPR-Cas9に続く、第三のプログラマブルな制御RNAー任意のエクソンのスキッピングを誘導するRNAーをデザインすることが可能となった。３）4.5SHは発見依頼40年以上その機能が謎とされてきたが、ついにその生理機能を明らかにすることが出来た。４）4.5SHを持つ種はSINE B1を持つ種と一致しているという進化上の謎を解くことが出来た。この成果は、分子生物学のトップジャーナルであるMolecular Cellに発表することが出来た。また、領域内の共同研究も予想外の進展を見せ、計画研究の廣瀬と行った非膜オルガネラの特異性に関する研究は細胞生物学分野のトップジャーナルであるNature Cell Biologyに掲載された。さらに、計画研究の泊と行った研究も順調に進行しており、新たに、胎生致死の表現型を示す超天然変性タンパク質を同定することが出来た。これらの成果を総合すると、当所の野心的な計画のさらに上を行く画期的な成果を得られたと言える。

今後の研究の推進方策

引き続き非ドメイン型RNAであるノンコーディングRNA群の生理機能解析を進める。特に、計画研究代表者の廣瀬とすすめている典型的な非ドメイン型RNAであるNeat1の生理機能解析に焦点を当て、その生理機能と分子動作機構の解明を試みる。また、超天然変性タンパク質のノックアウトマウスで胎生致死の表現型を示すものがすでに４ライン得られているので、今後は新たな分子の探索ではなく、個別の遺伝子の動作機構の詳細な解析を集中的に行う。

研究成果

• [国際共同研究] The University of Texas/Texas A&M University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: The University of Texas/Texas A&M University
• [雑誌論文] Long noncoding RNA Malat1 protects against osteoporosis and bone metastasis. (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhao Y, Ning J, Teng H, Deng Y, Sheldon M, Shi L, Martinez C, Zhang J, Tian A, Sun Y, Nakagawa S, Yao F, Wang H, Ma L.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 15 ページ: 2384
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46602-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The early macrophage response to pathogens requires dynamic regulation of the nuclear paraspeckle. (2023)
  • 著者名/発表者名: Azam S, Armijo KS, Weindel CG, Chapman MJ, Devigne A, Nakagawa S, Hirose T, Carpenter S, Watson RO, Patrick KL
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 121 ページ: e2312587121
  • DOI: 10.1073/pnas.2312587121
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 4.5SH RNA counteracts deleterious exonization of SINE B1 in mice. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto R, Nakayama Y, Nomura I, Yamamoto I, Nakagawa Y, Tanaka S, Kurihara M, Suzuki Y, Kobayashi T, Kozuka-Hata H, Oyama M, Mito M, Iwasaki S, Yamazaki T, Hirose T, Araki K, Nakagawa S
  • 雑誌名: Mol Cell 巻: 83 ページ: 4479-4493
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2023.11.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nondomain biopolymers: Flexible molecular strategies to acquire biological functions (2023)
  • 著者名/発表者名: Arakawa K, Hirose T, Inada T, Ito T, Kai T, Oyama M, Tomari Y, Yoda T, Nakagawa S
  • 雑誌名: Genes Cells 巻: 28 ページ: 539-552
  • DOI: 10.1111/gtc.13050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long non-coding RNAs: definitions, functions, challenges and recommendations. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mattick JS, Amaral PP, Carninci P, Carpenter S, Chang HY, Chen LL, Chen R, Dean C, Dinger ME, Fitzgerald KA, Gingeras TR, Guttman M, Hirose T, Huarte M, Johnson R, Kanduri C, Kapranov P, Lawrence JB, Lee JT, Mendell JT, Mercer TR, Moore KJ, Nakagawa S, Rinn JL, Spector DL, Ulitsky I, Wan Y, Wilusz JE, Wu M
  • 雑誌名: Nat Rev Mol Cell Biol 巻: 24 ページ: 430-447
  • DOI: 10.1038/s41580-022-00566-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shell protein composition specified by the lncRNA NEAT1 domains dictates the formation of paraspeckles as distinct membraneless organelles (2023)
  • 著者名/発表者名: Takakuwa H, Yamazaki T, Souquere S, Adachi S, Yoshino H, Fujiwara N, Yamamoto T, Natsume T, Nakagawa S, Pierron G, Hirose T.
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 25 ページ: 1664-1675
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01254-1
  • 査読あり
• [学会発表] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development (2023)
  • 著者名/発表者名: Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
  • 学会等名: RNA 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Hero11 is a novel nucleolar disordered protein essential for mouse development (2023)
  • 著者名/発表者名: Riko Okabe, Kotaro Tsuboyama, Yukihide Tomari, and Shinichi Nakagawa
  • 学会等名: RNA granule meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Regulation of alternative splicing by short noncoding RNA (2023)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Nakagawa
  • 学会等名: EMBL meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] 人口RNA分子 (2023)
  • 発明者名: 芳本玲、中川真一
  • 権利者名: 芳本玲、中川真一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-076674／2022-5-6／JP21663
• [学会・シンポジウム開催] RIKEN symposium: Architecture and functions of biological assemblies (2023)