【研究分野】ゲノム生物学

【研究領域課題番号】16H04718 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コヒーシン / 転写制御 / アセチル化 / DNA複製 / ゲノム構造 / アセチル化酵素 / コヒーシンローダー / 転写 / 転写伸長 / 転写調節 / ループ構造 / メディエーター / MCMヘリカーゼ / コヒージョン / Esco / ゲノム

【研究成果の概要】

コヒーシンは、ゲノム構造を形成し、転写制御に機能する複合体であるが、その分子機序について不明である。転写が活性化される際に起こるゲノム上のタンパク質の動態をin vitroアッセイ系を用いて解析した。テンプレートDNA上では転写開始前複合体に加え、コヒーシンローダーやSEC、ESCO1が会合した。さらに、コヒーシンローダーとSECのPICへの会合は競合的に起こる可能性を示した。ESCO1やESCO2は、コヒーシンとは異なり、局所的にゲノム構造に影響し、遺伝子発現が変化することを見出した。また、ESCO2はMCMと結合することで活性を発揮し、そこから乖離すると分解される新たな仕組みを見出した。

【研究の社会的意義】

コヒーシンがゲノム構造を構築する重要な因子で、広く生理的な機能に重要な役割を担うことは知られているが、その詳細な機構についてはほとんど知られていない。本成果で用いたin vitroアッセイ系は、転写制御における分子機能に焦点を絞った解析を進めることができ、コヒーシン機能だけなく幅広い転写制御のメカニズムへの展開が期待される。また、本成果のESCOの機能や制御機構の理解は、コヒーシンと深く関わる癌や遺伝病の発症メカニズムの解明やその治療の標的分子として意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】16K00387 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

転写制御 / 転写因子 / エンハンサー / クロマチン相互作用 / インシュレータ / 遺伝子発現 / ヒストン修飾・オープンクロマチン / 深層学習 / CTCF / オープンクロマチン / エピゲノム / エンハンサープロモーター相互作用 / 機能エンリッチメント / 遺伝子 / 発現制御 / ゲノム / 情報工学

【研究成果の概要】

ゲノムワイドな遺伝子転写カスケードの解析のために、遺伝子の転写開始点から離れた位置（遠位）のDNAに結合する、転写因子が発現を制御する遺伝子（転写標的遺伝子）を予測する手法を開発した。転写標的遺伝子の予測のために、転写因子のDNA結合の位置と遺伝子の転写開始点の対応関係の基準を評価するための指標を見出した。同じ転写因子の転写標的遺伝子には、似た機能をもつ遺伝子が多く含まれ、遺伝子機能の数を転写標的遺伝子の延数で正規化した値が大きいほど、正しく予測された転写標的遺伝子を多く含み、対応関係の基準を評価する指標となった。より良い対応基準を見出し、転写因子と転写標的遺伝子の相互作用を遮蔽して制御するインシュレータ機能に関わる転写因子CTCFのDNA結合の位置を考慮した対応基準では、さらに良い予測結果が得られた。別の指標として、同じ転写因子の転写標的遺伝子の発現量の中央値を見出した。分化成熟した免疫細胞では、転写因子の転写標的遺伝子の発現量の中央値の分布が大きいほど、正しく予測された転写標的遺伝子を多く含み、ESやiPS細胞の幹細胞では、中央値の分布が小さくなる傾向が示された。この結果は、幹細胞では遠位に結合する転写因子が遺伝子発現の抑制として、免疫細胞では活性として機能する傾向を示唆した。
CTCF以外のインシュレータ機能に関わる転写因子を探索する手法を開発した。転写標的遺伝子の対応基準の解析と統計検定を用いた手法を開発し、さらに深層学習を用いた手法で、より正確な予測を行い、既知の転写因子を含む98の転写因子を予測し、そのうち23の転写因子について、論文を調べ、インシュレータ機能に関わる報告を見つけた。大部分はCTCFのインシュレータ機能と関わる転写因子であった。特に転写因子MAZについて、2021年にCTCFと独立してインシュレータ機能をもつことも実験により示された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】機能生物化学

【研究領域課題番号】26291018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クロマチン / lncRNA / ヒストン修飾 / アンチセンスRNA / ノンコーディングRNA / 転写制御 / グルコース / 膵臓 / β細胞 / ストレス応答 / 発現制御 / ゲノム / 遺伝子発現 / マイクロアレイ

【研究成果の概要】

グルコース飢餓ストレス応答性の長鎖非コードRNA(lncRNA)とアンチセンスRNA(asRNA)の役割や動態を解析した。その結果、対になって合成されるlncRNAとasRNAの間に相反的な発現制御があること、asRNAの発現制御にはヒストンH3K4のメチル化を介したクロマチン制御が関わること、asRNAが細胞質内でリボソームと結合し、ナンセンス仲介分解系で分解されること、lncRNAの抑制・脱抑制にlncRNAとTup型転写抑制因子の相互作用を介した制御が存在すること、マウス膵β細胞にも遺伝子上流から合成され、遺伝子発現上昇と共役するlncRNA転写が複数見られることなどを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】循環器内科学

【研究領域課題番号】26253049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子心臓学 / エピゲノム / 遺伝子制御 / 分子心臓病学 / 転写制御 / 循環器 / ゲノム / 心不全 / 心筋細胞分化

【研究成果の概要】

我々は、未分化幹細胞が心筋細胞へと分化する過程、心筋細胞の機能が破綻する心不全発症の過程の両者におけるエピゲノム制御機構を解析した。まず分化に伴って活性化するWntシグナルの転写制御因子β-cateninが複数のエピゲノム制御因子と複合体を形成して中胚葉エンハンサーを活性化し下流の遺伝子プログラムを誘導することを明らかにした。さらに１細胞トランスクリプトーム解析とエピゲノム解析を統合することで、心臓への圧負荷によって活性化する転写因子群が心不全遺伝子プログラムを制御するエンハンサーを活性化することを見出した。本研究によりエピゲノムが心筋細胞の分化と破綻の両者を制御していることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】41,600千円 (直接経費: 32,000千円、間接経費: 9,600千円)

【研究分野】ゲノム生物学

【研究領域課題番号】25290065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コヒーシン / アセチル化 / Esco / 姉妹染色分体間接着 / DNA複製 / MCMヘリカーゼ / ゲノム / Mcmヘリカーゼ / クロマチン / 姉妹染色体 / 転写制御

【研究成果の概要】

ヒトでは２つのコヒーシンアセチル化酵素、Esco1、Esco2の存在が知られているが、其々の役割については不明である。Esco1はコヒーシンサブユニットPds5と直接結合し、この結合が染色体上のコヒーシンへの局在とアセチル化に重要であることを示した。さらに、分裂期のEsco1のリン酸化がPds5との結合を阻害することを示した。また、Esco2は、Esco1とは別の経路を介し、DNA複製因子Mcmとの相互作用が活性化に必要であることを示した。一方で、複製後の分裂期やG1初期には、Esco2はCul4依存のユビキチン-プロテアソーム経路により積極的に分解され、活性が抑制されることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】22240032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プロモーター / 転写制御 / バイオインフォマティクス / ゲノム生物学 / 合成生物学 / 生体生命情報学 / ゲノム / 発現制御 / モデル化

【研究成果の概要】

与えられた培養細胞において、与えられた転写強度を示すプロモーターのDNA塩基配列を体系的に設計する計算手法を開発した。この手法を用いることによって、わずか2箇所に塩基置換を導入することで、培 養 細 胞HEK293TにおけるヒトCREプロモーターの転写強度を~2.5倍に引き上げる改変プロモーターの設計に成功した。一方で、ヒトIFNBプロモーターのように、転写因子の結合部位(TFBS)が互いに重複している場合には、設計が極めて難しくなることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】50,050千円 (直接経費: 38,500千円、間接経費: 11,550千円)

【研究分野】ゲノム生物学

【研究領域課題番号】22710183 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲノム / ChIP-seq / 転写制御 / クロマチン / 発現制御

【研究成果の概要】

クロマチン構造は遺伝子の発現制御に重要な役割を持ち、細胞の状態や環境の変化とともに再構築され得る。本研究では加齢に伴うクロマチン構造変化の分子機構とその役割の理解を目的として、ほ乳類の脳においてクロマチン構造の構築に関わる因子のゲノム上の結合位置をChIP-seq法を用いて網羅的に同定することを試みた。その結果、脳の可塑性が高まる臨界期には、必須の転写因子Otx2とクロマチンの高次構造を司るコヒーシンが協調して遺伝子発現を制御する可能性が示唆された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】21570185 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遺伝子 / 発現制御 / ゲノム / クロマチン / ヌクレオソーム / 転写制御 / DNA構造 / ヒストン / 出芽酵母 / 酵母

【研究成果の概要】

遺伝子発現におけるクロマチン機能に関する重要な問題の一つは、ヌクレオソームの配置決定とそのダイナミクスの機構である。本研究では、転写制御に着目し、出芽酵母ゲノム及びミニ染色体において、ヌクレオソームの配置を規定するシス因子としていくつかのDNAリピート配列を同定した。また、トランス因子としてクロマチンリモデリングIsw2複合体、ヒストン脱アセチル化酵素Rpd3、ピストンH3バリアントの機能を解析した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】応用ゲノム科学

【研究領域課題番号】20221009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲノム / エピゲノム / がん / 転写制御 / クロマチン / DNAメチル化 / 肝細胞癌 / 膵臓がん / 胃癌 / 機能ゲノミクス / クロマチン免疫沈降 / エビゲノム

【研究成果の概要】

網羅的なゲノム・エピゲノム解析技術を確立するともに、癌細胞における転写制御の異常に関する統合的解析を行った。増殖、分化に関わる転写因子の標的分子の同定に加えて、ヒストン修飾、DNAメチル化、クロマチンアクセスなどエピゲノム修飾が分化や細胞老化プロセス,ウイルス感染においてダイナミックに変動することが明らかとなった。一方、肝細胞癌、膵癌をはじめとするがん細胞ゲノムに生じた体細胞変異を同定した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008 - 2012

【配分額】209,820千円 (直接経費: 161,400千円、間接経費: 48,420千円)

【研究分野】水産化学

【研究領域課題番号】19108003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水産学 / 魚類 / ゲノム / 発生・分化 / 筋肉 / ミオシン / 発生分化 / ミオシン重鎖 / 転写制御 / トラフグ / 小型魚類 / 発生 / 分化 / 発生・文化 / 遺伝子発現解析 / レポーターアッセイ

【研究成果の概要】

本研究では、筋肉の性質を最終的に規定するミオシン重鎖遺伝子(myosin heavy chain gene, MYH)に着目し、その発現の多様性が魚類の筋肉の構造や機能に密接に関わることを示すとともに、それらの発現制御に関わる転写ネットワークの一端を明らかにした。これら成果は、筋線維のタイプの決定機構を利用した肉質の改良や、筋成長の分子機構に基づく効率的な育種など、水産業への貢献にもつながることが期待される。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2007 - 2011

【配分額】103,350千円 (直接経費: 79,500千円、間接経費: 23,850千円)

【研究分野】分子生物学

【研究領域課題番号】19570169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲノム / 遺伝子 / 発現制御 / 転写制御 / クロマチン / ヌクレオソーム / ヒストン / 酵母

【研究成果の概要】

真核生物のゲノムDNAはヒストンと結合し、ヌクレオソーム、クロマチンとして核内に収納されている。遺伝子発現におけるクロマチンの機能を明らかにすることを目的として、まず、ヒト由来His_6タグ付ヒストンH3バリアントを酵母で発現させ、それを含む酵母ミニ染色体を容易に精製する系を構築した。さらに、ゲノム遺伝子座におけるヌクレオソーム配置のダイナミックな変化が、転写制御に本質的な機能を有することを示した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】基礎ゲノム科学

【研究領域課題番号】16681015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

完全長cDNA / 転写開始点 / ChIP on chip / クロマチン免疫沈降 / 転写因子 / トランスクリプトーム / クロマチン沈降 / プロモーター / 転写制御 / ゲノム

【研究成果の概要】

本研究においては、ヒト転写因子標的遺伝子の網羅的な同定を目的としたクロマチン免疫沈降-DNAチップ法(ChIP on CHIP法)の方法論的確立を目指した。また同法を用いて、ヒト転写因子STAT6の標的遺伝子の探索を試みた。はじめにクロマチン免疫沈降の素過程(細胞の溶解、DNAの裁断、免疫沈降に用いる担体と洗浄条件)について詳細な条件検討を行い、再現性よくSTAT6既知標的遺伝子を同定できる実験系を確立した。この系をヒト肺内皮細胞BEAS2B(喘息における炎症モデルにしばし用いられる)に対して用いて、我々の運営するプロモーターデータベースDBTSSにおいてSTAT6結合コンセンサス配列を転写開始点上流1kb以内に持つ遺伝子群の中から、4個のSTAT6標的遺伝子(プロモーター部分のLuciferase assay、RT-PCR、ChIP法においていずれも有為にSTAT6による発現誘導を認めるものと定義)を同定した。またLuciferase assay、RT-PCR、ChIPの各々では有為な発現誘導を示したものの、相互に誘導、非誘導の結果が一致しなかったものも多数認められ、その生物学的意義は興味深いと考えさらに詳細に解析を進めている。また、研究開始時点では独自のプロモーターチップの作成を計画していたが、平成17年度に入りコスト面で有利であると期待されたプロモーターチップがアジレント社から市販品として入手可能となった。また我々が、転写因子E2F4の標的遺伝子について、同チップの有効性を検証したところ、我々の実験系を用いればE2F4の新規/既知標的遺伝子を同様に精度よく検出可能であることが確認された。現在、上記STAT6標的遺伝子についても同様の検討を行い、同社プロモーターチップとその他のものとの比較検討、さらにその他の転写因子の標的遺伝子の同定に向けての有効性の検討を行っている。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】28,990千円 (直接経費: 22,300千円、間接経費: 6,690千円)