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2021 年度 実績報告書

不活性化X染色体の決定におけるゲノムモダリティ制御要因の解明

公募研究

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 21H05753
研究機関広島大学

研究代表者

落合 博  広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (60640753)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
キーワードライブイメージング / X染色体不活性化 / CRISPR / 転写 / 高次ゲノム構造
研究実績の概要

メスの哺乳類細胞では、発生初期に2本のX染色体のうちの1本がランダムに不活性化される。XistおよびTsixと呼ばれる長鎖非コードRNAは、マウスにおけるランダムX染色体不活性化において中心的役割を果たす。XistとTsixはそれぞれ不活性化または活性化X染色体上に強く発現し、相互抑制の結果、不活性化X染色体が決定される。この過程にはX染色体のペアリングや高次ゲノム構造形成が関与することが示唆されているが、Xist/Tsixの発現優位性を含む不活性化X染色体決定機構は明らかになっていない。本研究では、分化誘導過程でX染色体不活性化を誘導できるメスマウス胚性幹(ES)細胞を用い、Tsix/Xistの転写活性とゲノム領域のライブイメージングを行うことで、X染色体ペアリングや高次ゲノム構造等のDNAの構造的及び物理的側面と転写などのDNAの情報的側面を経時的に定量し、不活性化X染色体決定におけるゲノムモダリティ制御要因の解明を目指す。
本年度はTsix/Xistの転写活性とゲノム領域のライブイメージングが可能なメスマウスES細胞の樹立に取り組み、分化誘導を通してライブイメージングが可能な細胞の樹立に成功した。また、オスの野生型マウスES細胞、野生型メスマウスES細胞、そして樹立したマウスES細胞を分化誘導し、Xist/Tsix発現動態を一分子RNA-FISHを利用して確認した。現在データ取得が完了した段階であり、今後これらのデータを解析してXist/Tisx発現動態に影響が無いことを確認する予定である。また、Tsix/Xist転写に加えて別の遺伝子領域の可視化に対応できるdCas9-SNAPtag発現細胞株を樹立した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は以下の研究の実施を計画していた。
研究計画1: X染色体不活性化前後におけるXist /Tsixの転写動態の定量。予備実験で、Xist/Tsix領域にTetO/MS2/PP7リピートを両対立遺伝子にノックインしたメスマウスES細胞株を樹立している。また、この細胞株にTetR-GFP、MCP-RFP、PCP-HaloTagを発現させることで、それぞれの輝点が見えることを確認している。研究計画1では、分化誘導前から分化過程におけるライブイメージングにより、XistおよびTsixの転写動態を定量し、Xist転写が優性になる前の転写動態になんらかの特徴が認められるかどうかを解析する。また、X染色体ペアリングとXist/Tsix発現動態との相関も解析する。
研究計画2: 高次ゲノム構造動態とXist /Tsix発現動態の同時定量。研究課題2では、活性化X染色体において転写活性化状態のTsixと相互作用するLinx領域(図1)に対応するsgRNAを設計、dCas9-SNAPtagでこの領域を染色する。Xist/Tsix領域との距離、およびXist (またはTsix)の転写動態を同時に定量することにより、転写と高次ゲノム構造形成のどちらが先だっているかを確認する。
研究計画1については、ライブイメージング可能な細胞を樹立したが、Xist/Tsix発現動態をライブイメージングで定量することは困難なため、RNA-FISHでの検証に切り替え、現在データ解析中である。研究計画2については、Xist/Tsix転写の可視化に加えて他の遺伝子領域の可視化が可能なdCas9-SNAPtag発現細胞株を樹立したが、研究計画1のライブイメージング結果が出てから進める必要があるため、完了していない。

今後の研究の推進方策

上記研究計画1を完了し、研究計画2を進める予定である。その後、以下の研究を計画している。
研究計画3: 人為的な高次ゲノム構造形成がXist /Tsix発現へ与える影響。樹立したメスマウスES細胞は異なる系統のマウスをかけ合わせて得られたハイブリッドマウスES細胞に由来する。そのため、それぞれの染色体には系統特異的な多型が含まれている。dCas9はPAM配列(dCas9のDNA結合に必要な特定の配列)近傍の認識配列(シード領域)に1塩基ミスマッチがあることで、結合しにくくなることがわかっている(Jones et al., Nat Biotechnol, 2020)。そこで、CRIPSR-GOシステム(Wang et al., Cell, 2018)を利用して、TetRおよびdCas9をアブシジン酸依存的に結合させるタンパク質を融合し、特定系統由来のX染色体上のLinx領域に対応するsgRNAを発現させることで、アレル特異的に高次ゲノム構造を制御する。これにより、先立つ高次ゲノム構造形成がXist/Tsix発現へ与える影響を明らかにする。

研究計画4: 人為的なXist /Tsix転写制御が高次ゲノム構造へ与える影響。本研究計画では、分化誘導過程でCRISPRiシステム(Alerasool et al., Nat Methods, 2020)を利用してXistまたはTsixの転写を抑制することにより、Linx-Tsix間距離への影響を調べる。研究計画3と合わせることで、転写と高次ゲノム構造形成のいずれが先立つのか、解明する。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] iPSC reprogramming-mediated aneuploidy correction in autosomal trisomy syndromes2022

    • 著者名/発表者名
      Akutsu Silvia Natsuko、Miyamoto Tatsuo、Oba Daiju、Tomioka Keita、Ochiai Hiroshi、Ohashi Hirofumi、Matsuura Shinya
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 17 ページ: e0264965

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0264965

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ribosomal protein L5 facilitates rDNA-bundled condensate and nucleolar assembly2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumori Haruka、Watanabe Kenji、Tachiwana Hiroaki、Fujita Tomoko、Ito Yuma、Tokunaga Makio、Sakata-Sogawa Kumiko、Osakada Hiroko、Haraguchi Tokuko、Awazu Akinori、Ochiai Hiroshi、Sakata Yuka、Ochiai Koji、Toki Tsutomu、Ito Etsuro、Goldberg Ilya G、Tokunaga Kazuaki、Nakao Mitsuyoshi、Saitoh Noriko
    • 雑誌名

      Life Science Alliance

      巻: 5 ページ: e202101045

    • DOI

      10.26508/lsa.202101045

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] STREAMING-tag system reveals spatiotemporal relationships between transcriptional regulatory factors and transcriptional activity2022

    • 著者名/発表者名
      Ohishi Hiroaki、Shimada Seiru、Uchino Satoshi、Li Jieru、Sato Yuko、Shintani Manabu、Owada Hitoshi、Ohkawa Yasuyuki、Pertsinidis Alexandros、Yamamoto Takashi、Kimura Hiroshi、Ochiai Hiroshi
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1101/2022.01.06.472721

  • [学会発表] STREAMING-tag system: A novel technology to analyze the spatiotemporal relationship between transcriptional regulators and transcriptional dynamics at the single gene level2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      The 30th Hot Spring Harbor International Symposium -Chromatin Potential in Development and Differentiation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Genome-wide kinetic properties of transcriptional bursting revealed by single cell analysis2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ochiai
    • 学会等名
      The 2nd ASHBi SignAC Workshop, Integrating Single-cell Analysis and Mathematics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-gene imaging reveals the relationship between the transcriptional activity of single genes and the formation of transcriptional regulatory factor clusters2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Ohishi, Seiru Shimada, Satoshi Uchino, Li Jieru, Yuko Sato, Alexandros Pertsinidis, Takashi Yamamoto, Hiroshi Kimura, Hiroshi Ochiai.
    • 学会等名
      Cold Spring Harbor Laboratory Meeting, Mechanisms of Eukaryotic Transcription
    • 国際学会
  • [備考] 落合 博 (HIROSHI OCHIAI) -マイポータル - researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/HiroshiOchiai/

  • [備考] 広島大学・統合生命。分子遺伝・落合グループ

    • URL

      https://home.hiroshima-u.ac.jp/ochiai/

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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