本研究では、非コードゲノムの大きな割合を占めるトランスポゾンをヘテロクロマチン形成を介して抑制する非コードRNAに着目する。哺乳類を含む幅広い生物種の生殖組織において、活性化したトランスポゾンとその周辺領域をヘテロクロマチン化することで発現制御を行い、生殖ゲノムの安定性を維持する機構が知られている。この発現制御システムの中核として機能するのは、PIWI-interacting RNA (piRNA)と呼ばれる20-30塩基長の非コード小分子RNAである。piRNAは主にトランスポゾンに由来し、PIWIタンパク質群と複合体を形成する。ショウジョウバエPIWIタンパク質の一種であるPiwiは核に局在し、piRNAやヘテロクロマチン形成誘導因子と複合体を形成し（PPNp複合体と命名した）、標的トランスポゾンの新生RNAに結合することで、その転写を抑制する。ショウジョウバエをモデルとした研究が進む一方で、哺乳類による制御については未だ不明な部分が大きい。
近年、マウスにおけるPPNp複合体構成因子の機能ホモログと考えられる新規因子Spocd1が同定された[Zoch et al. Nature (2020)]。Spocd1の発現は生殖組織特異的であるものの、ショウジョウバエPPNp複合体と同様にその下流因子はユニバーサルな因子である可能性を考え、マウスES細胞を用いてSpocd1をDNAに繋留する実験系を構築した。その結果、Spocd1の繋留依存的にレポーター遺伝子のヘテロクロマチン形成を介した発現制御を観察することができた。興味深いことに、Spocd1の繋留実験結果から、これまで考えられてきたモデルとは異なり、Spocd1はクロマチン上で作用することで標的遺伝子の発現を抑制する可能性が示唆された。これらの解析結果から、哺乳類における新たな小分子RNA転写抑制モデルを提唱する。さらにこの繋留実験を応用し、任意のゲノム領域をヘテロクロマチン化する技術の開発を目指す。
Heterochromatin is vital to sustaining stable chromosome structure and gene expression patterns, and its dysregulation can cause various diseases. Some classes of small RNAs can regulate their target genes via heterochromatin formation. PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are germline-specific small RNAs that form effector complexes with PIWI proteins to preserve genomic integrity by repressing transposable elements (TEs). Importantly, this regulation mechanism is conserved among a wide range of species. Among PIWI-clade proteins in Drosophila, Piwi transcriptionally silences its targets via heterochromatin formation characterized by H3K9me3 marks and the linker histone H1. We and the other groups identified a silencing complex that plays a central role in transcriptional silencing mediated by Piwi-piRNA. This complex consists of four proteins, Piwi-Panx-Nxf2-p15. Additionally, we identified that this complex is capable of regulating not only the local chromatin state but also nuclear localization and chromatin conformation. Piwi and Nxf2 localize chromatin regions that encode piRNA target TEs to the nuclear periphery. Furthermore, depletion of Piwi or Nxf2 results in decreased intra-TAD interactions in those regions. Ectopic targeting of Nxf2 indicated that the regulation initiates by co-transcriptional repression of the target reporter coupling with the removal of active histone marks and nuclear periphery localization. Continuous silencing involves the increase of H3K9me3 marks and H1 and the decrease of intra-TAD interactions. These results suggest that Piwi-piRNA complexes promote heterochromatin formation by causing step-wise changes in nuclear architecture.

申請種類 : 福澤基金研究補助