高次ゲノム構造動態と遺伝子発現の連関解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02609
• 配分区分: 補助金
• 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
• キーワード: 高次ゲノム構造 / FISH / 転写 / 数理モデル

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)

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。

研究成果

• [雑誌論文] Transcription-coupled changes in higher-order genomic structure and transcription hub viscosity prolong enhancer-promoter connectivity (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ohishi,Soya Shinkai,Hitoshi Owada,Takeru Fujii,Kazufumi Hosoda,Shuichi Onami,Takashi Yamamoto,Yasuyuki Ohkawa,Hiroshi Ochiai
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2023.11.27.568629
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise immunofluorescence canceling for highly multiplexed imaging capturing specific cell state (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Tomimatsu,Takeru Fujii,Ryoma Bise,Kazufumi Hosoda,Yosuke Taniguchi,Hiroshi Ochiai,Hiroaki Ohishi,Kanta Ando,Ryoma Minami,Tachibana Taro,Kaori Tanaka,Seiichi Mori,Akihito Harada,Kazumitsu Maehara,Masao Nagasaki,Seiichi Uchida,Hiroshi Kimura,Masashi Narita,Yasuyuki Ohkawa
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2023.10.17.561810
  • オープンアクセス
• [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
  • 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」
  • 招待講演
• [学会発表] Unveiling transcriptional dynamics in pluripotent stem cells through imaging analysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ochiai
  • 学会等名: RIKEN IMS Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of gene expression dynamics in pluripotent stem cells revealed by imaging analysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ochiai
  • 学会等名: RIKEN BDR Seminar
  • 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
  • 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unveiling the dynamics of transcriptional regulation through spatial multimodal molecular imaging (2023)
  • 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
  • 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
  • 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chromatin structure and transcriptional dynamics: insights from chromatin tracing (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ochiai
  • 学会等名: UBC Genomics and Genome Engineering Workshop
  • 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
  • 招待講演
• [学会発表] Higher-order genomic structure changes during the transcriptional bursting (2023)
  • 著者名/発表者名: 落合 博
  • 学会等名: 第3回 Hi-C 研究会
  • 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
  • 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/
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/HiroshiOchiai/