A theoretical model of chromatin dynamics during development

发育过程中染色质动力学的理论模型

• 批准号: 20J15811
• 负责人: 浅倉 祥文
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Nagoya University (2021)Kyoto University (2020)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J15811/
• 关键词: Hox; collinearity; HOX; クロマチン動態; イジングモデル

Hox遺伝子群はゲノム上で連続にコードされる転写因子群であり、発生中の体軸上での発現順序とゲノム上のコード順序が一致する。この一致はCollinearityと呼ばれ、この性質からHox遺伝子群は時空間的な座標として機能すると考えられてきた。このHoxの発現制御にはエンハンサーの関与が示されているが、何がエンハンサーを制御するのかなど、その制御機構には未解明な点が多く残されていた。そこで本研究では、Hox発現制御にポリマーとしてのクロマチンの熱力学的性質が関与しているのではないかと考え、熱統計力学的な理論研究を進めてきた。今年度は理論研究に加え、ニワトリ胚を用いた実験研究を行った。クロマチンの開閉状態を調べるATAC-seqを行った結果、各Hox遺伝子周辺に常に開いている領域と発生の進行に伴って順に開く領域が存在することが明らかになった。さらにこの中に、Tgf-βシグナルで活性化する転写因子の結合モチーフが存在することを確認した。さらに理論解析からはHox遺伝子領域周辺に結合可能な転写因子が発現制御領域間の相互作用を媒介することで、クロマチンのポリマーとしての熱力学的な性質により開閉状態が周辺の領域へゲノム上の距離依存的に状態伝播することが示された。加えてHox領域周辺に結合可能な転写因子の濃度がクロマチンポリマーの伸縮とクロマチンの各領域の開閉を制御する熱力学的変数であり、特定の濃度を境にHoxの発現量が急激に変化することを示した。以上より、エンハンサーを含む常に開いているノンコーディング領域に転写因子が結合し、その周辺の結合領域を開いていくとともに、ゲノム上の順序に沿って転写活性の高い領域が広がって行くというモデルが考えられる。

Hox基因组是一组在基因组上顺序编码的转录因子，发育过程中体轴上的表达顺序与基因组上的编码顺序相匹配。这种对应关系称为共线性，根据这一特性，人们认为 Hox 基因组起到时空坐标的作用。尽管增强子已被证明参与 Hox 表达的调节，但控制机制的许多方面，例如控制增强子的因素仍不清楚。因此，在本研究中，我们假设染色质作为聚合物的热力学性质可能参与Hox表达的调控，并基于恒温力学进行理论研究。今年，除了理论研究之外，我们还利用鸡胚胎进行了实验研究。 ATAC-seq 检查染色质的开放和闭合状态，结果显示每个 Hox 基因周围都有一些始终开放的区域，以及随着发育的进展依次开放的区域。此外，还证实存在由Tgf-β信号激活的转录因子的结合基序。此外，理论分析表明，可以结合在Hox基因区域周围的转录因子介导表达控制区域之间的相互作用，并且染色质作为聚合物的热力学特性将打开/关闭状态转移到基因组上的周围区域。以依赖于距离的方式传播。此外，能够结合在Hox区域周围的转录因子的浓度是一个热力学变量，控制染色质聚合物的膨胀和收缩以及染色质各区域的打开和关闭，并且Hox的表达水平在一定浓度后迅速变化结果表明。基于上述，转录因子与始终开放的非编码区（包括增强子）结合的模型，打开周围的结合区，并且具有高转录活性的区域按照基因组上的顺序扩散。

项目成果

動物初期発生におけるクロマチン動態

早期动物发育过程中的染色质动态

• 发表时间: 2020
• 作者: 荒木 諒介;真野 航輔;大西 剛史;平野 正徳;平川 翼;山下 隆義;藤吉 弘亘;御子柴みなも;浅倉祥文
• 通讯作者: 浅倉祥文

Chromatin dynamics in Hox-mediated animal body development

Hox 介导的动物体发育中的染色质动力学

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryosuke Araki;Kohsuke Mano;Tadanori Hirano;Tsubasa Hirakawa;Takayoshi Yamashita and Hironobu Fujiyoshi;Iori Yamada; Takuya Kataoka; Ryota Ikeda; Motohiro Tagaya;御子柴みなも;Taro Matsutani and Michiaki Hamada;Yoshifumi Asakura and Suzuki Takayuki
• 通讯作者: Yoshifumi Asakura and Suzuki Takayuki