データ駆動的な位相図の再構成によるゲノム様式変化の理解

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: 21H05755
• 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): 2021-09-10 – 2023-03-31
• キーワード: クロマチン / 位相図 / ヒストンバリアント / ホッジ分解

研究実績の概要

生命現象としての生や死、増殖、細胞分化、がん化といった質的変化は、多種多数の分子が働く真核細胞の核内に存在するクロマチンの緻密な遺伝子発現制御システムにより実現される。本計画では、ゲノムモダリティ変化を定性的に理解するための情報解析手法開発を目的とする。クロマチンの状態変化を示すクロマチン・フロー計測法を樹立し、離散的ホッジ分解を応用した複雑ダイナミクスの要約法と組み合わせることで、クロマチン状態変化の位相図を構成し、複雑なクロマチン動態の定性的理解を試みる。クロマチンの時間変化ダイナミクスを計測するため、変化を含めたエピゲノムプロファイルを取得可能なデータの取得及び指標の開発を目指す。一細胞RNA -seqでは、4sUラベリングといった時間追跡技術が隆盛しているが、クロマチン情報の時間計測は未開分野である。そこで、クロマチン・フローの計測には、独自に開発したエピゲノム解析法 ChIL-seqを応用する。ChIL-seqは、一細胞・少数細胞のクロマチンが取得でき、組織切片の連続解析にも適している。ひとつのアイデアとして、RNA Polymerase IIの遺伝子座上の分布形状から転写状態の変化を推測する方法を発展させることを検討している。情報解析手法の開発については、クロマチン・フローを模した決定論的な力学系や、確率的ダイナミクスのシミュレーションデータを作成し、ダイナミクスの定性的な再現度を検証する。本年度は、組織切片をターゲットとした少数細胞エピゲノム解析法、および単一細胞データ解析手法について主著論文の成果を得た。

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

当初の計画通り、データ取得と解析手法の開発を並行して進めることができている。とくにデータ解析手法の開発状況は当初計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

研究計画は順調に推移しており、今後の当初計画に基づく研究開発を遂行していく。クロマチンの時間変化ダイナミクスを計測するため、変化を含めたエピゲノムプロファイルを取得可能なデータの取得及び指標の開発を目指す。また、人工データを用いた要点抽出法手法の確立を目指す。

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. (2022)
  • 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 ページ: 265-280.e6
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.11.003.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 ページ: 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 ページ: e10323
  • DOI: 10.15252/msb.
  • 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
• [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/
• [備考] 単一細胞データ解析ソフトウェア - ddhodge
  • URL: https://github.com/kazumits/ddhodge