Ohkawa lab.

Project

 

大学院生・学術研究員・テクニカルスタッフ急募

大川研では、スパコンを用いた情報解析から単一細胞レベルの遺伝子解析まで、
現在の最先端の分子生物学・情報科学を駆使して、以下に記す研究を進めています。
産学を問わず自身の将来のキャリアパスに繋がる力を身に着けてみませんか?
大川研では、研究活動に専念できるように修士課程・博士課程の学生に経済的支援を行っています。
詳細はメールにてお気軽に問い合わせください

研究プロジェクト1:
細胞の分化能をクロマチン構造から理解する

幹細胞の分化能を司るクロマチン構造の解明

DNAとヒストンの複合体であるヌクレオソームが連なったクロマチン構造は、ヒストン修飾の付加やヒストンバリアントの取り込みによる動的な構造変換がなされ、タンパク質のDNAへのアクセスを規定し、細胞分化や発生における遺伝子の選択的発現を決定します。つまり、幹細胞が分化する能力は、クロマチン構造上に存在する分化に必要な遺伝子が発現できる状態であるか否かにかどうかと言い換えることができます。これまでの研究でそれぞれの幹細胞には固有のクロマチン構造が存在し、分化遺伝子の発現能力を規定することが示唆されてきました。しかしながら、その全貌は未だ不明な点が多くあります。その一つが、幹細胞特異的なクロマチン構造を形成されると考えられるヒストンの種類です。これまで、クロマチン構造を形成するヒストンは、種間を超えて幅広く保存されており均質なものと捉えらてきました。一方で、我々は、最近、コンピュータを用いた未知ヒストンバリアント遺伝子の網羅的探索と通常手法では困難であったヒストン遺伝子の発現定量法を樹立し、マウスゲノムに存在する未知のヒストンH3遺伝子(ヒストンバリアント)を14種同定しました(Maehara & Harada et. al., Epigenetics Chromatin. 2015)。これら新たに発見されたヒストンバリアントは、特定の幹細胞特異的な発現パターンを示し、幹細胞・前駆細胞における固有のクロマチン構造を形成しており、幹細胞の分化能を制御していることが明らかになりつつあります(Maehara & Ueda J et al., Cell Rep. 2017; Harada A et al., Nat Commun. 2018)。現在、これらヒストンバリアント遺伝子の包括的な解析を進めており、骨格筋幹細胞・生殖幹細胞を中心に分化能の形成にかかわる新たなクロマチン構造の同定とその機能を進めています。

分化能を司るクロマチン構造を構築し、変化させる機構の解明

特定のクロマチン構造は、形成を担う分子と、そのクロマチン構造を認識し、遺伝子の発現を制御する分子が存在します。これまでに私たちは、SWI/SNFファミリーのひとつChd2は、骨格筋に分化する能力を持つ細胞 幹細胞・前駆細胞に発現し、マスター転写因子MyoDと協調的に骨格筋遺伝子座にヒストンH3.3を取り込みを行うことで、骨格筋遺伝子座を転写可能な状態にすることを明らかにしました(Harada A et al., EMBO J 2012)。このことは、骨格筋幹細胞・前駆細胞には筋分化遺伝子が転写可能なクロマチン構造があり、その構造を形成するメカニズム(即ち分化能構築)が存在することを示しています。更に、このH3.3により構成されたクロマチン構造は、ヒストン修飾H4K16ac化され、別のSWI/SNFファミリー分子Brg1により、RNAポリメラーゼIIが結合可能なオープンなクロマチン領域を形成をすることで骨格筋分化遺伝子の転写を誘導します(Ivana de la Serna et al., Nat Genetics 2003, de la Serna IL&Ohkawa Y et al Mol. Cell Biol. 2005)。現在、ヒストンコード(ヒストン修飾)、ヒストンバーコード(ヒストンの種類、ヒストンバリアント)を認識し作用する分子の同定とその機能解析を進めている。特に、ATP依存的なクロマチンリモデリング酵素分子(SWI/SNFファミリー)に着目して解析を進めている。現在解析を行っているのはSWI/SNFのサブファミリーであるChdファミリーを中心に機能未知のクロマチン制御因子の機能解析を進めている。

研究プロジェクト2:
細胞の分化能をコンピューター上で再構築する

分化能を担うクロマチン構造の共通のパターンの探索

我々は、ゲノムワイドな包括的なエピゲノム解析を進めてきました。この膨大なデータから、クロマチン構造上に規定されている幹細胞の持つ分化能を抽出し、コンピューター上で再構築することで包括的な理解を行うことを目指しています。現在、エピゲノムデータ解析からヒストン修飾やヒストンバリアントの組み合わせで特徴的な空間(局所的構造)が定義されるパターンが存在が幾つか示されています。いわば、分化能はなんらかの”形”としてとらえることができるかもしれません。我々は、まず最も基本的な形であるヌクレオソームの配置に注目しています。ヌクレオソームは転写活性化に伴って転写開始点に特徴的なの配置パターンが形成されます。そこで様々な転写因子結合位置等ゲノムのあらゆる場所でどのような配置パターンを形成しているか明らかにすることにしました。そこでまず、高解像度なヌクレオソーム配置の情報を得るため、モノヌクレオソームサイズに特化したMNase-Seq法を確立を行いました。あらゆる転写因子結合配列周囲に形成されるヌクレオソーム配置情報をゲノムワイドに収集し、主成分やリッジ回帰分析を利用した情報解析手法を用いて機能的な配置パターン抽出を行った結果、転写活性化に関わるヌクレオソーム配置の分布形状は、5つのヌクレオソーム配置パターンにより主に構成されていることが明らかとなった(Maehara & Ohkawa, 2016, Sci. Rep.)。この研究のなかで開発したChIP-seqの情報解析ソフトウェアは一般に公開し、共同研究でも成果を挙げています(Hayashi-Tanaka, 2015)。引き続き、ヌクレオソームを構成する(我々の同定した新規同定バリアントを含む)ヒストンバリアントやヒストン修飾、再構成ヌクレオソームを用いた高解像度なDNAメチル化が及ぼすヌクレオソーム配置の高解像度な解析手法の開発(Osakabe et. al, Open Biol., 2015)を通し、局所的なヌクレオソームの空間パターン形成が担う転写制御機構の解明を目指し研究を行っています。

スパコンを活用したエピゲノム解析

High Performance Computing(HPC)は医学生物分野での大規模解析においてもはや欠かすことのできない重要な計算環境です。一方で、未経験者にとっては残念ながら敷居の高いことは否めません。本研究室では、研究員、大学院生にスパコンを用いた解析環境を提供し、バイオインフォマティクス、統計の知識、スキルの習得を促しています。こういった情報解析能力は、医学生物学分野のみならず様々な分野で活躍できる力になります。特に圧倒的な計算資源を提供している国内スーパーコンピューター拠点を積極的に活用しています。

現在以下のスーパーコンピューターを当研究室では利用させていただいております。

九州大学情報基盤研究開発センター スパコン ”Ito"

研究プロジェクト3:
新規エピゲノム・トランスクリプトミクス解析技術の開発

生体に存在する幹細胞は極少数であり、生体外に取り出した場合、速やかにその形質を失ってしまうためその解析は極めて困難とされてきました。そこで、当研究室では、生体の組織サンプルを用いて極少数のエピゲノム解析が可能な技術の開発を行っています。最近では、単一細胞レベルでのエピゲノム解析技術ChIL-Seq法の開発に成功しています(Haraad A et al., Nat Cell Biol. 2019)。また、クロマチン構造や制御分子を解析・可視化、あるいは分画する抗体の開発も必要です。そこで、体系的にモノクローナル抗体作成を行い、必要な抗体の作成を自ら行っています(大阪市立大学立花研究室・重井医学研究所との共同研究)。また、より効率的な抗体作成技術樹立のためハイブリドーマ技術の開発も行っています。