2023 Fiscal Year Research-status Report
3D analysis of chromatin structure in cell nucleus with electron microscopy and mathematical modeling
| Project/Area Number |
21K18234
|
|---|
| Research Institution | Hiroshima University |
|---|
Principal Investigator |
楯 真一 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (20216998)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
粟津 暁紀 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (00448234)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
|
| Keywords | 核内クロマチン構造 / 電子顕微鏡 / 数理モデル / 分裂酵母 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
133箇所の遺伝子座に蛍光標識を導入して観測した時分割クロマチン構造動態データにHi-Cのデータを加えて分裂酵母核内クロマチンの動的構造モデルを完成した．当初のボトムアップモデルのみでは限界があるために，Hi-Cデータとの併用を導入した．導入には，理研・新海博士が開発したPHi-C法を用いた．
PHi-C法では，Hi-Cデータ（データはパブリックデータを利用）からは，遺伝子座間のコンタクト確率を基にして，SPBから蛍光標識した各遺伝子座の距離の揺らぎをの振幅に対応するパラメータを計算できる．PHi-Cから計算で得られたた遺伝子座のSPBからの距離の平均値およびその揺らぎ幅を時分割蛍光顕微鏡像から得られたデータと比較したところ，3つの染色体術全てに対して実験データを極めて良好に再現できること分かった．このことは，PHi-Cで構築したクロマチン構造・動態モデルが，核内クロマチン構造を記述する上で十分に実験情報を再現する有効なモデルになることを示している．
さらに，PHi-C法からは，各遺伝子座周辺のクロマチン構造の構造柔軟性に相当するパラメーターを抽出することができる．このパラメーターは，標識した遺伝子座のSPBからのmean-square-deviation(MSD)の時間発展を再現することができる．現時点では，観測データに残るノイズのために，完全にはMSDを再現することができていないが，観測データに残るノイズの原因（主としてSPBの揺動に由来することは分かっている）を除くことで，PHi-C解析により各遺伝子座のMSDも正確に再現できることを実証する．
残る期間では，各遺伝子座のMSDをより精密に再現することにより核内クロマチン構造・動態モデルの完成度を高めてゆく．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
133箇所の遺伝子座の動態データからボトムアップ的にクロマチン構造を構築するには，情報が不十分であり，電子顕微鏡像を解析するに十分な精度のクロマチン構造・動態モデルを構築することが困難であった．理研・新海博士のPHi-C法の用いてHi-Cデータの導入に成功することで，これまでの問題点を解決して，高精度のクロマチン構造・動態モデルをほぼ完成させることができた．
遺伝子座間の距離の変動データ等，補足となるデータも集積しているために，PHi-C法をもとに作り揚げた構造動態モデルに対して，遺伝子座間の動態データをも情報として加えることでよりモデルの精度を上げることができる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
遺伝子座間の距離の時間変動データなど，SPBからの距離変動以外のデータも取り入れてPHi-c法によるクロマチン構造動態モデルの精度を向上させ，より完成度の高いクロマチン構造動態モデルを完成させる．
構築したクロマチン構造動態モデルをもとに，3Ｄ電子顕微鏡の解析を行い，クロマチン構造の3次元像の解明を実現する．
|
| Causes of Carryover |
2023年度中に，3Ｄクロマチン電子顕微鏡データをさらに取得することを計画していたが，共同研究者であるアメリカNIHのBleck博士が，NIHから異動したため研究室のセットアップ等が間に合わず新たなデータの取得ができなかった．一方で，過去に取得していたデータをもとにして，2023年度中に構築したクロマチン構造・動態モデルによる電験データ解析は進めることができたため研究には大きな支障はない．
来年度中には，新たな3Ｄクロマチン電子顕微鏡データを取得して，クロマチン構造動態モデルによる電子顕微鏡像を用いた構造解析を行う．
|
