Innovative Cell Biology by Innovative Technology

革 新 的 細 胞 解 析 研 究 プ ログラ ム（ セ ル イノ ベ ー ション ）文部科学省

プログラムディレクター挨拶
2003年のヒトゲノム解読以降、いわゆるポストヒトゲノム研究として、ゲノムの多様性を活用した疾患感受性遺伝子の探索研究と、複雑な生命現象の根底にあるゲノム情報プログラムの解明をめざす研究が大きく進展しています。わが国では後者の研究の推進を図るために「ゲノムネットワークプロジェクト（ＧＮＰ）」を立ち上げ、ゲノム情報が機能情報に転換する第一段階の「転写」に焦点を当て、さまざまな転写制御因子が多数の遺伝子の発現を調和的に制御する転写制
御の分子ネットワークの基本骨格を明らかにしてきました。
「セルイノベーションプログラム」はこのＧＮＰの成果を発展させるものです。すなわち、
ＧＮＰで解明した基盤的転写制御ネットワークをより高次のレベルで制御し、細胞の分化や増殖を司る細胞内システムを、超高速の次世代シーケンサーや高感度イメージング技術など最先端のゲノム関連技術を駆使して解明しようとするものです。具体的にはシーケンシングやイメージング技術などを先鋭化し、初期発生・分化や細胞がん化などに関する最先端の研究を事例として、1細胞レベルで細胞の個性や動態を解明できる技術基盤や方法論を確立し、わが国の生命科学の発展に資することをめざしています。
プログラムディレクターとしてセルイノベーションプログラムの円滑な実施を図り、プログラムオフィサー、代表研究者と協力して本プログラムの目的を達成できるよう取り組んでまいります。

セルイノベーションプログラムディレクター
榊 佳之 （豊橋技術科学大学 学長／理化学研究所 特任顧問）

プログラムオフィサー挨拶
DNAシーケンシングは、
1970年代後半のMaxium-Gilbert法にはじまり、
その後すぐSanger法に取って代わられ今日まで続いています。
しかし、
ゲノム科学の進展は大容量のDNA配列解析を要求し、また同時に、
それを可能にする技術・方法を開発してきました。次世代シーケンス（next-generation sequencing: NGS）のための基盤が２００５年に打ち立てられ、ハイスループットのゲノム解析が可能になり、ギガベースの情報が容易に得られるようになっています。次世代
シーケンスにより、遺伝子発現制御、
クロマチン制御、トランスクリプトーム解析が各段に加速され、生命科学の理解が飛躍的に進むことが期待されています。
このセルイノベーションプログラムは、細胞増殖・分化や、がんや発生といった生命現象の研究を第一線で進めている研究者に次世代シーケンサーを活用するしくみを提供するものであり、同時にまた、細胞や個体レベルの研究に必要な次世代シーケンサー技術の開発をめざすものです。言い換えれば、次世代シーケンサーを活用して生命を理解し、また高度なイメージング技術などを活用して新たなシーケンス技術の開発をめざすものです。そのために、
このプログラムで先導研究と位置づけられている生命科学研究者と、高度な次世代シーケンス技術を提供するシーケンス拠点が緊密な関係にあることは重要です。一方でまた、シーケンス拠点から産出される膨大な生情報を適切なフィルターを通して意味のある情報にする技術の革新もこのプログラムの重要なミッションとなっているものです。
この最後のステップ、
つまりデータ解析
は重要度が高いにもかかわらず十分に発展していない領域であり、本プログラムの進展の中で新たな解析のプラットフォームが形成されることが期待されます。
プログラムオフィサーの一人として、シーケンス拠点およびデータ解析拠点が先導研究とリンクして大きな成果をあげることに貢献できれば幸いです。

セルイノベーションプログラムオフィサー（シーケンス拠点、データ解析拠点担当）
山本 雅 （沖縄科学技術大学院大学 教授）

プログラムオフィサーとして、先導研究をお世話させていただくことになりました。
セルイノベーションプログラムは、次世代シーケンサーを中心とした新技術を細胞生物学に応用し、先端的な細胞生物学を構築していこうという野心的な研究プログラムです。次世代シーケンサーと細胞生物学とは、もとより別々のもので、簡単に組み合わせて新しい細胞生物学をつくり出すということができるわけではありません。ここに、このプログ
ラムの難しさと、面白さがあります。
この困難かつ面白い使命を具体的に担うのが先導研究です。先導研究は、具体的な細胞生物学的現象の分子レベルでの解明をおもにめざす研究（課題A）と、次世代シーケンサーを用いた細胞生物学に応用可能な新技術の開発をめざす研究（課題B）に分かれています。課題Aでは、特に、「がん」「発生」を主題に研究を公募しました。それぞれに、きわめてユニークな研究が選ばれたと考えています。課題Bでは、上記の主題に関連しつつも、技術を中核として課題を選び、技術の開発にこれまで大きな実績をもつ方々を中心に具体的な課題が選ばれました。
セルイノベーションプログラムの成功は、個々の研究課題が大きな成果をあげるとともに、課題間、あるいは課題とシーケンス拠点やデータ解析拠点が連携して成果をあげることによって、もたらされると考えられます。その結果、本プログラムから、
どのような新しい細胞生物学が出現するのか、非常に楽しみにしております。先導研究のプログラムオフィ
サーとして、榊先生や山本先生とも緊密に協力して、そのような連携がスムーズに運び、結果として、個々の研究や本プ
ログラムが大きな成果をあげることができるよう努めてまいりたいと考えております。どうぞ、よろしくお願い申し上げます。

セルイノベーションプログラムオフィサー（先導研究担当）
菅野純夫 （東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授）

セルイノベーションプログラム研究課題一覧
代表研究者

代表機関

研究課題

研究期間

ページ

シーケンス拠点
林﨑良英

理化学研究所オミックス基盤研究領域

次世代シーケンサー拠点整備および運営

平成 21 年度
〜 25 年度

07

データ解析拠点の構築と情報研究開発

平成 21 年度
〜 25 年度

09

データ解析拠点五條堀 孝

情報システム研究機構
国立遺伝学研究所

分担研究
分担研究者

分担機関

サブテーマ

豊田哲郎

理化学研究所
生命情報基盤研究部門

オミックス統合解析による高精度センシング技術の開発、および、イメージ解析のアノテーション DB 構築への対応

平成 21 年度
〜 25 年度

見原 明

東京大学
医科学研究所

セルイノベーションにおける動向調査業務並びに研究推進業務

平成 21 年度
〜 25 年度

宮野 悟

東京大学
医科学研究所イン・シリコ細胞システム解析のための技術開発

平成 21 年度
〜 25 年度

先導研究
01

松田道行

研究期間

課題 A

京都大学
大学院生命科学研究科

細胞がん化シグナルネットワークの統合システム解析

平成 21 年度
〜 25 年度

11

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

分担研究
分担研究者

分担機関

サブテーマ

秋山 徹

東京大学
分子細胞生物学研究所

遺伝子発現解析を基盤とする細胞がん化シグナルのシステム解析・
時系列リン酸化プロテオミクスによる癌細胞増殖浸潤制御システムの解明

平成 21 年度
〜 25 年度

岡田眞里子

理化学研究所免疫・アレルギー科学総合研究センター

シグナル転写ネットワークのインフォマティクス解析

平成 21 年度
〜 25 年度

井上 聡

東京大学
大学院医学系研究科

次世代シーケンサーを活用した
前立腺がんと乳がんの細胞制御システム機構の解明

研究期間

平成 21 年度
〜 25 年度

12

分担研究
分担研究者

分担機関

サブテーマ

近藤 滋

大阪大学
大学院生命機能研究科

がん細胞のホルモン治療抵抗性獲得機構に関するシステムバイオロジーによる解析

平成 21 年度
〜 23 年度

堺 隆一

国立がんセンター研究所
細胞増殖因子研究部

イメージングを活用した前立腺がん・乳がんの転移シグナル解析

平成 21 年度
〜 23 年度

堀江公仁子

埼玉医科大学
ゲノム医学研究センター

ホルモン治療抵抗性モデルがん細胞の作製と乳がん臨床検体におけるホルモン受容体標的因子群の発現機能解析

平成 21 年度
〜 25 年度

間野博行

自治医科大学
ゲノム機能研究部

乳がん細胞におけるマイクロ RNA 発現プロファイルの網羅的解析

平成 21 年度
〜 25 年度

上田泰己

理化学研究所
発生・再生科学総合研究センター

細胞比率制御ネットワークと細胞ヘブ学習則の解明

研究期間

平成 21 年度
〜 25 年度

13代表研究者

代表機関

先導研究

研究期間

ページ

課題 A

東京大学
分子細胞生物学研究所

白髭克彦

研究課題

初期発生における
雌雄染色体コリオグラフィーについての革新的研究

平成 21 年度
〜 25 年度

14

分担研究
分担研究者

分担機関

サブテーマ

研究期間

岸本健雄

東京工業大学
大学院生命理工学研究科

ライブイメージングと細胞生物学的手法による
雌雄染色体コリオグラフィーの研究

平成 21 年度
〜 25 年度

大杉美穂

東京大学
医科学研究所初期発生における
雌雄染色体コリオグラフィーのモデル構築と検証

平成 21 年度
〜 25 年度

岡崎康司

埼玉医科大学
ゲノム医学研究センター

神経細胞機能に着目した、
ミトコンドリア呼吸鎖異常を起こす遺伝子変異の系統的な探索

平成 22 年度
〜 25 年度

19

萩原正敏

京都大学
大学院医学研究科

網羅的スプライシング暗号解析に基づくRNA 病の解明と治療技術の探索

平成 22 年度
〜 25 年度

20

分担研究
分担機関

サブテーマ

細谷孝充

東京医科歯科大学
大学院疾患生命科学研究部

スプライシング操作化合物の開発

平成 22 年度
〜 25 年度

大野欽司

名古屋大学
大学院医学系研究科

エクソン特異的アレイ・CLIP によるスプライシング制御配列の網羅的解析

平成 22 年度
〜 25 年度

先導研究

研究期間

課題 B

宮脇敦史

理化学研究所
脳科学総合研究センター

細胞個別的シーケンス解析のための
光学的サンプリング技術の開発

平成 21 年度
〜 25 年度

15

相賀裕美子

情報システム研究機構国立遺伝学研究所
系統生物研究センター

生殖細胞及び精子幹細胞の発生分化機構

平成 21 年度
〜 23 年度

16

伊藤隆司

東京大学
大学院理学系研究科

細胞解析研究革新のための高性能エピゲノムシーケンス技術の開発

平成 21 年度
〜 25 年度

17

分担研究
分担研究者

所属機関

サブテーマ

中島欽一

奈良先端科学技術大学院大学
バイオサイエンス研究科

神経幹細胞分化・可塑性に関与する網羅的エピゲノム解析

神原秀記

日立製作所
中央研究所

単一細胞由来 mRNA の網羅的定量分析用前処理技術の開発

研究期間
平成 21 年度
〜 23 年度

平成 22 年度
〜 25 年度

21

02
Innovative Cell Biology by Innovative Technology

分担研究者

革新的細胞解析研究プログラム（セルイノベーション）
はじめに
ライフサイエンスは、複雑かつ精緻な生命現象のメカニズム解明をめざす科学であり、新たな医薬品の開発、食料生産の増大、新たな産業の創出など、わが国の産業競争力強化の鍵となる重要な研究分野です。
生物のもつすべての遺伝子のセットはゲノムとよばれ、細胞の核にあるDNA の塩基配列というかたちで保持されています。
ヒトのゲノムは約 30 億の塩基対からなり、2003（平成 15）年に、そのすべての配列がヒトゲノム計画という国際プロジェク
トにより解読されました。
これを受けて文部科学省では、平成 16 年度から20 年度まで、ゲノムネットワークプロジェクトを実施しました。細胞内では、ゲノムにある遺伝子の塩基配列に基づいてタンパク質がつくられ、他の遺伝子やタンパク質と複雑に相互作用しながら機能しています。このプロジェクトでは、ヒトの遺伝子やタンパク質のネットワークを解明し、得られた成果をデータベースとして整備して、発生、免疫など生命現象の研究、また、がん、糖尿病など病気の治療法の開発に向けた研究に取り組みました。
さらに、平成 21 年度より開始された、革新的細胞解析研究プログラム（セルイノベーション）は、ゲノムネットワークプロジェ
クトから得られた成果や、機器・設備、人材、データなどを活用しつつ、これまでなしえなかった大規模かつ多面的なゲノム
関連情報の解析を、革新的なデータ産出能力をもつ次世代シーケンサーを利用して行うとともに、細胞内のようすを描き出すイメージングなどの手法も駆使して、ゲノムサイエンスの観点から、細胞を舞台とした生命のしくみを解読することをめざしています。

プログラムの必要性と背景
03●

欧米およびアジア各国において、生命科学研究の基礎となるゲノム配列、ゲノム機能の研究に対して、国家プロジェクト

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

として積極的な支援を行っている状況の中で、今後、わが国がライフサイエンス研究をより一層推進していくためには、遺伝子発現制御、シグナル伝達、代謝制御など細胞機能のシステムを理解する研究を重点的に実施していくことが求められます。
●

ゲノム関連情報解析に用いるシーケンサーの技術的進展はめざましく、従来型と比べて桁違いの処理能力をもつ超高速の次世代シーケンサーの実用化が始まっています。米国、英国、中国、シンガポールなどでは、すでにシーケンサー拠点整備が行われており、わが国のライフサイエンス分野の国際競争力を維持するためには、シーケンス拠点整備は急務であり、併せて、シーケンサーからは大量かつ多種多様なデータが産出されることから、膨大なデータを扱うためのデータ解析拠点を整備することが必要です。

●

発生・分化、がんなど経時変化が重要な意味をもつ生命現象について細胞レベルの解析・解明を行うためには、ある時点のスナップショットであるゲノム関連情報解析に加え、細胞情報の経時・連続計測を同時に行う研究を推進していくことが必要です。

期待される効果細胞プログラムの解析により、さまざまな疾患について、発症メカニズムの解明と、新たな予防法、診断法、および治療薬創出等の治療法開発に向けた基礎的知見・技術の提供が可能になります。また、このプログラムで構築したシーケン
ス拠点などの基盤設備を大学や企業などのライフサイエンス研究者に広く公開することにより、幅広い研究分野への波及効
果が期待されます。

プログラムの構成
セルイノベーションプログラムは、1）シーケンス拠点、2）データ解析拠点、3）先導研究から構成されます。
1）シーケンス拠点
ヒトゲノム解読には、染色体 DNA（ゲノム）塩基配列を自動で読み取るシーケンサーという機械が使われました。これは手動の 100 〜 1000 倍もの速さで配列を読み取れるものでしたが、近年では、従来のシーケンサーのさらに100 〜 1000 倍もの速さをもつ次世代シーケンサーが開発されています。この革新的な技術開発により、ゲノムDNAの塩基配列だけでなく、遺伝子と形質の間を媒介するRNAの種類と量（トランスクリプトーム）、ゲノムの構造が少し変化することで遺伝子の働きを決めるエピゲノムなど、多種多様なゲノム関連情報が高速に得られるようになってきました。
そこで、これらの配列情報を大規模かつ体系的に収集することができるよう、複数台の次世代シーケンサーを整備した拠点を構築し、データを産出します。この拠点では、次世代シーケンサーの生み出す配列情報の正確さを確保するための技術を開発するとともに、得られた配列のゲノム上の位置や推定される機能などをデータ解析拠点とともに解析します（1 次解析）。
2）データ解析拠点
シーケンス拠点から産出される多様かつ大量のデータを取り扱うための計算機資源を整備した拠点を構築し、シーケンス拠点が産出した1 次解析データの生物学的な意義づけやデータ間の関連づけ（2 次解析）を先導研究と共同で行います。
これらの 1 次・2 次解析データと、先導研究で産出されるその他のデータをデータベース化するとともに、ゲノムネットワー
クプロジェクトから得られた成果などの既知データを統合して細胞内の複雑な生命現象を理解するためのプラットフォーム（基盤）の構築をめざしています。
3）先導研究次世代シーケンサーを活用して得られるデータを細胞機能の解析に結びつける研究を、課題 A、課題 B の２つのジャンルで行います。
課題 Aでは、このプログラムでターゲットとする細胞について、シーケンス拠点の次世代シーケンサーで取得される種々のタンパク質）などのバイオマーカーなどを用いて細胞状態を可視化するイメージング技術や、細胞あるいは生命を1 つのシス
テムとして理解しようとするシステムバイオロジーの研究を同時に行い、細胞機能の解明をめざします。
課題 Bでは、従来の技術では取得できなかった細胞の情報を、新たな次世代シーケンサーを利用して取得するための革新的な技術の開発と、それを活用した細胞機能解析研究を行っています。

■革新的細胞解析研究プログラム（セルイノベーション）の概要
先導研究

シーケンス拠点（大学など）（理化学研究所）●最先端の次世代シーケンサーを整備●次世代シーケンサーを活用した細胞機能の解析●研究コミュニティーなどに開かれた拠点

データ解析拠点●先導研究との連携

シーケンサー利用技術開発（理化学研究所）（情報システム研究機構国立遺伝学研究所）●大量情報の一元管理：新たな知の発掘●データ解析技術の開発：新たな情報処理技術

理化学研究所の優れた解析技術をシーケンス拠点に導入し、プログラムを積極的に支援する。

●データ共有、データ発信
細胞を特定する技術

細胞を理解する技術

細胞を制御する技術

ライフサイエンス研究基盤として活用
生命現象の理解●発生・分化、がんなどにかかわる細胞の機能の基本原理や高次生命活動機構の解明

04
Innovative Cell Biology by Innovative Technology

データに基づき、トランスクリプトームの挙動や遺伝子・染色体の構造変化を解析します。これに加えて、GFP（緑色蛍光研究推進体制
プログラムの円滑な実施を図るため、プログラムディレクター（PD）およびプログラムオフィサー（PO）を配置しています。
また、プログラムを円滑に運営する目的で、年間スケジュールの企画・検討、プログラム運営状況の把握・指導、その他
適宜必要な事項の検討などを行う運営委員会、プログラムの円滑な事業推進、研究成果の相互利用および意見交換等を行うための実施者会議、外部開放の方針に関して検討を行う協力機関選定に関するワーキンググループ（WG）、個人のゲ
ノム情報等の取り扱いに関して検討を行う倫理ワーキンググループ（WG）を設置しています。
また、PD、POおよび研究実施者と連携し、2 つの拠点と先導研究との間の情報の共有化、運営委員会などの実施および研究成果の社会への発信などにより、プログラム全体の円滑な運営を行う事務局を設けています。

■プログラム運営体制

PD：榊 佳之（豊橋技術科学大学 学長）

PO：山本 雅（沖縄科学技術大学院大学 教授）

文部科学省

PO：菅野純夫

課題選考委員会

運営委員会（東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授）

評価委員会

倫理 WG

05
Innovative Cell Biology by Innovative Technology

協力機関選定に関する WG

シーケンス拠点

データ解析拠点

実施者会議

先導研究
課題 A、課題 B

シーケンサー利用技術開発（理化学研究所）

研究期間と予算
平成 21 年度から平成 25 年度
平成 21 年度

平成 22 年度

平成 23 年度

平成 24 年度

8 億円

8.9 億円

8.8 億円

8.5 億円（事務局）

シーケンス拠点
研究課題

次世代シーケンサー拠点整備および運営

代表機関

代表研究者

理化学研究所オミックス基盤研究領域

林﨑良英

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

研究目的

サーの革新的な技術開発により、多種多様な分子の情報

これまでなしえなかった大規模かつ多面的なゲノム情報を大規模かつ高速に得ることが可能になってきました。

等の解析によって細胞・生命プログラムの解読を可能にし、しかし、次世代シーケンサーの産出する膨大なデータをわが国のライフサイエンスの基礎体力向上に貢献します。

一元的に管理し、解析しやすい形式に変換して新たな知次世代シーケンサーおよび1次データ解析のためのインフォ見の発見を行うためには、取得した大量のデータを解析でマティクス基盤を整備します。さまざまな研究機関が必要ときる計算機システム、得られた情報を活用するためのバイするシーケンス解析のニーズを把握し、このプログラムのオインフォマティクスなど、シーケンサーの周辺環境も充実

内外の研究機関に広くシーケンス拠点活動を供します。理

させなくてはなりません。また、次世代シーケンサー自体も化学研究所がもつシーケンサー利用技術を普及させます。

技術革新を繰り返すので、その都度、保守やバージョンアップ、利用技術の習得など、最新の性能を維持するための努力が必要です。

背景
細胞機能の理解のためには、大規模かつ多面的な細胞個々の研究室からこのような負荷を軽減し効率的なデーレベルでのゲノム情報と、遺伝子発現制御やタンパク質タの取得と解析を行うためには、充実した設備をもち経験間相互作用などの機能情報を得ることが重要です。近年、豊富なスタッフを擁する、わが国の研究コミュニティーに開次世代シーケンサーとよばれるハイスループットなシーケン

かれたシーケンス拠点を整備する必要があります。

■DNA シーケンサーの性能の向上
07100 万人分1000 億PacBioGAⅡ(Solexa)

Heliscope

100 億⬅ヒトゲノムの大きさ（30 億塩基）10 億

1 日に解読できる塩基の数

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

FLX Titanium

1兆

1億

8 千人分

1000 万ABI3700

100 万
10 万
1万

読み取り長：400 塩基
1 運転の読み取り数：5億塩基以下／ 9 時間

ABI377
1人

GAⅠ(Solexa)

SOLiD

GS20(454)
ABI3730
GAⅡx（Solexa）

SOLiD３

読み取り長：75 塩基
1 運転の読み取り数：
102-125 億塩基／ 5 日

読み取り長：50 塩基
1 運転の読み取り数：
100 億塩基以上／ 6-7 日

手動で解析

1000
100
10
1

1985

1990

1995

2000

2005

2010

研究概要

データのクォリティー評価、基本的な注釈づけなどの 1 次

シーケンス拠点は、細胞の状態や機能を反映したシーケ

解析を行い、これをユーザーにフィードバックします。

ンス情報（ゲノム、トランスクリプトーム、エピゲノムなど）

シーケンス拠点は、民間・産業界も含む産官学の研究を大規模かつ体系的に収集できる複数の次世代シーケン

コミュニティーに開かれた拠点として、脳科学、幹細胞・サーを整備し、ユーザーが必要とするデータを産出します。

再生医学、医学・薬学など幅広い研究者に対し外部開放

さらに、塩基配列の読み出し、リンカー配列・エラーなどを行います。

の除去、アセンブル、
クラスタリング、ゲノムへのマッピング、

シーケンス拠点●次世代シーケンサーとない1 分子シーケンスが重要です。

次世代シーケンサーを活用する技術

3）修飾塩基を解析する場合：メチル化シトシンなどの解シーケンス拠点は、ゲノムネットワークプロジェクトの中析を必要とするエピゲノム解析ではChIP-seq 法などが用核機関としての実績・蓄積（技術、技術支援、データベー

いられます。求められる性能は、2）とほぼ一致します。

ス 拠 点との 連 携 など）があり、次 世 代 シーケンサー

さらに、次世代シーケンサーが産出する大量のシーケン（Roche 社 の FLX Titanium、Illumina 社 の Genome

ス情報の 1 次解析を行うパイプラインを開発します。ユー

Analyzer Ⅱx、Life Technologies 社の SOLiD3）の経験

ザーには、ゲノムブラウザなどにより視覚化した状態でデーが豊富です。ゲノムネットワークプロジェクトにおける大量

タをフィードバックします。開発では、スループットやデータシーケンス・データ解析の例としては、CAGE 法（Capのクォリティーの向上のため、さまざまなプログラムを導入

Analysis of Gene Expression）を利用した遺伝子転写

し、パイプラインの改良に努めます。プログラムの例として制御ネットワークの解析があげられます。これは、ヒト血球は、アダプター二量体などのアーティファクトを取り除くソフ系細胞株（THP-1）が単芽球様細胞から単球様細胞にトウエアがあります。アーティファクトの除去によって、シー分化する過程で活性化される遺伝子の発現量とプロモーケンスのゲノムへのマップ率や解析の精度が向上します。

ター活性を次世代シーケンサーにより測定し、そのデータ

また、次世代シーケンサーが産出する配列を高速に効率よから転写因子結合部位をバイオインフォマティクスにより抽くゲノムへマッピングできるプログラムも導入します。

出して、転写制御ネットワークを明らかにしたものです。次世代シーケンサーは、このようなトランスクリプトーム解析のほかにも、ゲノム解析やエピゲノム解析に利用すること●先導研究への解析サービスおよび外部開放
シーケンス拠点は、先導研究の研究者、および、わが国のすべての産官学研究者の多様なリクエストにこたえ、ができます。

ナショナルセンターとしての機能を果たします。次世代シー●拠点整備

ケンサーの性能と利用技術は多様であり、スループット一

シーケンス拠点では、次のような多様な要求に対応できつをとっても、パス数、産出塩基数、鎖長、サンプル数

る次世代シーケンサーを整備します。

などが大きく異なります。シーケンス拠点では、多様な次

081）多重にシーケンスを必要とする場合：ゲノムのリシーケ

世代シーケンサーを使いこなす技術を蓄積し、高い品質のンスや de novo シーケンスなど。単一リードの精度よりも、維持に努力します。

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

スループットの大きさと、データの1次解析（アセンブルなど）の容易さ、世界中の既存データとの比較の容易さがより重年次計画要視されます。

初年度（平成 21 年度）には次世代シーケンサーを整

2）単一リードが重要な場合：リファレンスゲノムへのマッ備したシーケンス拠点を構築し、第 2 年度（平成 22 年度）

ピングを行うデジタルトランスクリプトーム解析（DGE）法から先導研究に対するシーケンス1 次解析サービスを実施

やChIP-seq 法など。この場合はゲノム多型も考慮するのします。同時に試験的に外部開放を行い、第 3 年度（平で、多少のシーケンスエラーを許容できますが、むしろ、デー成 23 年度）より本格的に、開かれたシーケンス拠点として

タの定量性が重要となります。したがって、鋳型を増幅し活動を実施する予定です。

■目標とポリシー

ユーザー重視、連携重視▶ユーザーの多様なニーズを第一に考え、ユーザーの必要とするシーケンス解析を実施する▶先導研究、データ解析拠点と密接に連携する

外部開放を実施し、ナショナルセンターとしての機能を果たす▶産官学すべての研究者へのサービスの提供

進化・多様化する次世代シーケンサーを使い分ける▶技術と経験を向上させる▶次世代シーケンサーの性能をフルに活かす

品質重視の姿勢▶安定したシーケンス解析を実現する品質の保持データ解析拠点
研究課題

代表機関

代表研究者

情報システム研究機関
国立遺伝学研究所

五條堀 孝

データ解析拠点の構築と情報研究開発

分担研究者

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

理化学研究所／豊田哲郎
東京大学／見原 明、宮野 悟

研究目的ます。これらの活動を通じて、遺伝子発現制御ネットワー

細胞内レベルでの生命現象を総体的に理解することをクの予測に必要な各種のアルゴリズムやソフトウエア、サ

目標とするこのプログラムにおいて、次世代シーケンサー

ブデータベースの構築を進めてきており、セルイノベーショから産出される多様かつ大量な解析データ等を取り扱うととンプログラムでは、データ解析拠点として、これまでに蓄もに、それに必要な研究開発を行うことを目的として、シー積した技術とノウハウをさらに高度化し、再生医学や創薬

ケンス拠点と密接に連携し、計算機資源を整備したデータにもつながる生命科学研究の基盤の構築に向けて、シー

解析拠点を構築します。また、細胞イメージング法などにケンス拠点や先導研究の各グループと協力して活動を進より得られるリアルタイムでの細胞・組織解析データや、

めていきます。

先導研究により産出される各種データを、国立遺伝学研

今後、よりいっそう、ゲノムネットワークプロジェクトを通究所のもつDDBJ（日本 DNA データバンク）やゲノムネッ

じて得た、理化学研究所を中心にした大規模シーケンシン

トワークプロジェクトでの経験を活かしてデータベース化す

グによる発現解析データを基盤に、タンパク質間相互作用

るとともに、先導研究と連携して情報解析や統計解析など

やゲノム配列などのさまざまな付加情報を加えてデータをの研究支援をします。これらのデータと、ゲノムネットワー

統合し、同時に、情報プラットフォームとして解析手法やクプロジェクトの成果やその他の公開情報を統合して、高成果の提供を進めていきます。これまでに得られた経験を

次の細胞・生命プログラム解析を可能とするプラットフォー

生かし、さらに大規模かつ精細な研究成果をより有効に利ムの構築を行います。高度な専門性をもつ複数の生命情用できるようにすることで、このプログラムの推進に貢献し

09

報研究者を分担研究者とする実施体制のもと、革新的かます。

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

つ独創的なツールの開発を行って、それらのシーケンス拠

データ解析拠点は、ゲノムネットワークプロジェクトなど

点および先導研究への活用をはかり、また、このプログラで得られた成果や基盤を活用しつつ、革新的な解析能力

ムの遂行に必要な事務機能を担います。データ解析拠点をもつ次世代シーケンサーによる大規模かつ多面的なゲノは、細胞・生命プログラムの統合的な理解を促進し、アム情報や細胞イメージング法で得られるデータなど、多様

カデミアや産業界などで活用可能な知識基盤を提供するこ

かつ大量のデータを取り扱うことにより、シーケンス拠点ととによって、幅広い分野へ波及効果をもたらすことが期待

協力しながら、細胞・生命プログラムの解読をめざし、プされます。この目的のため、理化学研究所や東京大学とログラムの推進に貢献します。

共同して、細胞内の分子機序解明に役立つ高次データベース構築のための研究開発を進めます。

研究概要
以下の 3 本柱を中心に拠点構築を行います。

背景1）大量シーケンス技術に基づく細胞内の事象解析のため

これまで国立遺伝学研究所は、ゲノムネットワークプロのデータ収集パイプラインの構築およびデータ可視化

ジェクトの中核機関として理化学研究所オミックス基盤研究

2）大量データ解析による細胞内機序の解析技術の開発領域と一体となり、次世代シーケンサーを活用したゲノム

3）先導研究および波及研究のための情報解析リソースのワイドなデータの収集およびデータベース化を推進してきま拠点構築した。その成果として、大規模シーケンシングによる遺伝

これらの 3 本柱をあわせて、最終的に細胞内の分子機子発現解析データやタンパク質間相互作用データを中心序解明のための高次データベース（パノラミックセルデーに、プロジェクトの成果を一元的に統合したヒトゲノムネット

タベース）を構築し提供します。パノラミックセルデータベー

ワークプラットフォーム（http://genomenetwork.nig.ac.jp）

スとは、まず、細胞種、細胞内小器官、膜などの構造おを構築しました。さらに、プロジェクト外のデータをも取り込

よび時間変化などの情報を個々の分子データに付与するこ

むことにより、ヒト転写制御ネットワークに関するデータベーとにより、生物学的に異なる階層に位置する情報を結合的スおよび解析プラットフォームを構築し公開するに至っていに再構築するデータベースです。そして、シーケンス解析

データ解析拠点

データから細胞レベルのイメージングデータまでを統合化し資産活用て、パノラマ的に細胞内の活動の機序を見通すことができ・ゲノムマッピングなど解析基盤システムの構築

るデータベースです。パノラミックセルデータベースの構築

・大規模集積に基づく基盤構築

によって、個々の分子データの提示だけでなく細胞内機序
2．大量データ解析のための基盤技術の研究開発の特徴的なパラダイムを表現しうるスキームを利用者に提供するとともに、細胞レベルから現象を俯瞰することができ次世代シーケンサーなどにより大規模に産生されるゲノるようにすることをめざします。

ム、トランスクリプトーム、エピゲノムの情報、また、遺伝データ解析拠点として、細胞内作用機序の解明と先導子発現情報などと、細胞イメージング法により得られるリア研究の成果を統合し、シーケンス拠点との密接な連携やルタイムでの発現情報などを統合して、細胞のさまざまな先導研究の支援を通じてプログラム全体の円滑な運営に形態やその変化に至るまでの情報を駆使し、細胞内の活寄与するとともに、新規情報の解析技術の研究開発やデー動機序を解析するための技術研究を行います。

タ共有のためのプラットフォームの構築を進めます。その具3．研究成果と連携したパノラミックセルデータベース

体的な内容は以下の通りです。

の開発
1．大量情報集積のためのパイプライン構築

上述の 1．および 2．における研究成果や技術リソース

次世代シーケンサーなどにより、シーケンス拠点から大などをシーケンス拠点や先導研究と共有し、連携するため量に産出されるゲノム関連情報を、国立遺伝学研究所にに有用となる情報システムやプラットフォームを構築します。

設置する大規模計算機システムに集積し、細胞内機序に4．プログラムの総合的な推進基づくパノラミックセルデータベースを構築し、ゲノム情報
や組織・時間・多様性などにより異なる細胞特性情報のプログラム全体の連携を密にしつつ円滑に運営していく検索を実現するための研究を行います。

ため、運営委員会や技術検討会の開催など、このプログ

・このプログラムのための既存の有用データや技術などのラムに参画する各機関の連携と調整にあたります。
10●先導研究と強く連携し、データ解
析の実施および技術協力により生命現象の解明を支援する●ターゲットタンパクプロジェクトや他 研 究 機 関に対して、次 世 代
データ受け入れ、データ解析協
力を実施する

大規模データ解析パイプライン
一次解析

大規模
シーケンシング・アセンブル・ゲノムへのマッピング
・クラスタリング・クォリティー評価
・基本的な
注釈づけ

二次解析

・ChIP-seq 法・RNA-seq 法・SNP、CNV、逆位、転座の決定
・スプライシング
バリアントの推定
・エピゲノム解析
・非コード RNA 解析

高次解析

・ゲノム多様性
解析
・遺伝子ネット
ワーク推定・遺 伝 子 発 現 制
御解析・細胞機序解析・統合解析

大量処理プロセス／解析データの一元管理システム
研究支援／技術協力
試料提供

先導研究機関得られる効果

データ解析拠点（国立遺伝学研究所）

シーケンス拠点

大規模解析支援

パノラミックセル
データベース
高度な細胞情報の提供

細胞機能解析研究／高次生命活動の機構解明

・細胞オミックス情報可視化技術の確立
・幹細胞・疾患細胞の作用機序の解明
・ゲノム多様性の解明
・大規模配列処理プログラム利用サービス基盤
・次世代シーケンサー産出データ標準化
・次世代シーケンサーデータ大規模デポジトリー拠点の整備■生命現象解明の加速■次世代データ解析技術の進展■次世代研究基盤の整備

ターゲットタンパク／他研究機関●シーケンス拠点から産出される大容量集積データを蓄積・公開し、多面的なデータから高度な情報処理手法を駆使して細胞機序を解析する

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

事業概要

先導研究
研究課題

課題A

代表機関

代表研究者

京都大学
大学院生命科学研究科

松田道行

細胞がん化シグナルネットワークの統合システム解析

分担研究者

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

東京大学／秋山 徹、程 久美子、尾山大明
理化学研究所／岡田眞里子

研究目的

研究概要

ゲノムプロジェクトの驚異的な発展により、ゲノムからタ

この研究は、がん細胞の増殖や転移にきわめて重要でンパク質発現に至る過程からの情報量は膨大なものとなりある上皮細胞増殖因子（EGF）受容体および肝細胞増ました。このゲノムデータを補完し、生命の統合的理解を殖因子（HGF）受容体のシグナル伝達ネットワークを対達成するためには、今後、タンパク質の 活性情報 を 時象とします。このシグナル伝達系に代表される細胞がん化

空間情報 とともに取得していくことが必須です。この研究

ネットワークでは、一般に、タンパク質リン酸化が情報のでは、細胞がん化シグナルネットワークを研究対象として、

ON/OFFに重要な役割を果たしています。そこで、タンパ

タンパク質の活性情報を網羅的かつ定量的に解析し、そク質リン酸化情報をFRET バイオセンサーとリン酸化プロの情報と遺伝子の発現情報とを統合した新たな数理モデ

テオミクスを用いて時空間的に解析します。FRET バイオ

ルを構築することを目的とします。

センサーはタンパク質リン酸化ネットワークの時空間情報を取得するために理想的な技術ですが、網羅的な解析には不向きです。一方、リン酸化プロテオミクスはタンパク質リゲノム科学の進展に伴って現れた膨大な情報を統合的

ン酸化の変動を網羅的に解析することができるものの、あに理解するために、バイオインフォマティクスやシステムバ

くまで細胞を集団としてみた場合のピンポイント情報である

イオロジーが急速に発展しつつあります。このような、ゲノという弱点があります。この研究では、この 2 つの技術をム科学からシステムバイオロジーへという流れは、がん研用いることにより互いの弱点を補完します。一方、ネットワー

11

究において特に顕著であり、がんをシステムの破綻としてクの出力としては、リン酸化される転写因子を対象としたInnovative Cell Biology by Innovative Technology

とらえようという動きとあいまってすでに多くの研究が始まっ

ChIP-seq 法やRNA-seq 法によって遺伝子発現情報を収ています。しかし現実には、ゲノム科学から得られる情報と集します。そして、得られたパラメーターから数理モデルを

システムバイオロジーが必要とする情報との間には大きな構築します。さらに、shRNAを用いた遺伝子発現の摂動ギャップがあります。なかんずく、システム（＝シグナルネッ

実験や薬剤投与実験を試験管内および仮想空間内で実トワーク）を構成する分子群の量と活性の時空間情報（＝施し、モデルの洗練化を図ります。以上の研究により、がパラメーター）が圧倒的に不足していることが、ゲノム科

ん細胞増殖・浸潤プログラムの理論基盤を明らかにします。

学の成果をシステムバイオロジーに生かすのに制約となっまた、構築した数理モデルは薬剤標的分子の探索や抗がており、新たなパラダイムに基づく研究が切望されています。

ん剤の治療予測などにも使えるものと期待されます。

がん細胞増殖シグナル
EGF

浸潤・転移シグナル
HGF

データ解析拠点
shRNAライブラリーによるノックダウンでシステムに摂動を付与
定量的質量分析法で、情報伝達分子・転写因子のリン酸化を解析

リン酸化酵素・データフォーマッ
トを統一
・FRETイメージライブラリーの発信・プロテオミクスデータの発信

情報伝達分子の活性をFRET・二光子イメージングで
可視化

転写因子

RNA結合
タンパク質

Chｌp-ｓeq法、RNA-ｓeq法でゲノムネットワークの変化を解析

蛍光イメージングによる細胞活性を指標に遺伝子発現解析(FRET-GT)
数理モデルの構築

Chｌp-ｓeq、RNA-ｓeqデータの解析

シーケンス拠点

時空間情報データベース
ゲノム科学を補完する

背景

先導研究
研究課題

次世代シーケンサーを活用した
前立腺がんと乳がんの細胞制御システム機構の解明
研究期間●平成 21 年度〜25 年度

課題A

代表機関

代表研究者

東京大学
大学院医学系研究科

井上 聡

分担研究者
東京大学／油谷浩幸、鈴木 穣 大阪大学／近藤 滋（〜23 年度）
国立がんセンター研究所／堺 隆一（〜23 年度）
埼玉医科大学／堀江公仁子 自治医科大学／間野博行

研究目的

研究概要

シーケンス拠点・データ解析拠点と、代表機関、各分

これまでゲノムネットワークプロジェクトにおいては、ヒトの担機関の密接な連携のもと、前立腺がんと乳がんがホル

前立腺がんならびに乳がんでのホルモン応答遺伝子を、

モン応答性の増殖を示す細胞制御システム機構とホルモ

ChIP-chip 法、CAGE 法、マイクロアレイ法により包括的

ン不応性となり治療抵抗性を獲得する分子機構を明らかにに同定し、その機能を明らかにしてきました。また、同プロジェします。

クトの動的ネットワーク研究においてはホルモン不応性乳がん細胞を作製し、その細胞と親細胞との系統的な比較解析を行いました。以上の基盤のもと、この研究課題におい

近年、前立腺がんならびに乳がんは増加しており、それては、代表研究グループと各分担研究グループが有機的らによる死亡（年間おのおの 1 万人前後）とあわせ、社会に連携し、前立腺がん細胞ならびに乳がん細胞を用い、的に大きな問題となっています。この 2 つのがんはホルモ

次世代シーケンサーによるゲノム･エピゲノム解析、トランン応答性がんとして知られ、その成因と治療に、転写因子

スクリプトーム解析に、シグナル伝達解析および機能解析である核内受容体を介したアンドロゲンシグナルとエストロを加え、ホルモン応答ネットワークを包括的に明らかにしま

ゲンシグナルが深くかかわっています。これらホルモン応答

す。さらに、システムバイオロジーを活かし、siRNAなどに性がんは、その進行とともに悪性度を増し、次第にホルモよる遺伝子発現の阻害によりネットワーク特性を調べ、ネッ

ン不応性増殖能を獲得して治療抵抗性を示し、難治性あトワーク上で鍵となる経路を同定します。細胞で構築したネッ

るいは不治となって生命予後に大きな影響を与えます。そトワーク機構を生体およびがん病態で理解するための機能の一方で、ホルモン応答性がんの細胞増殖をはじめとする解析を行い、in vivo イメージングならびに臨床データを組制御機構、ならびに、がんがホルモン不応性となり治療抵

み合わせて活用し、検証します。さらに、治療抵抗性を獲

抗性を獲得する分子機構の詳細は明らかでなく、この解決得した前立腺がんならびに乳がん細胞において同様の解析が前立腺がんと乳がんの特性の解明と診断・治療への応を進め、鍵となるシグナルを見いだし、がんが悪性度を増用に重要であると考えられます。

す際の分子機構の解明と、前立腺がんならびに乳がんの新規診断と治療への応用をめざします。

■目的と方法H

次世代シーケンサ−を活用した新しいホルモン応答
分子標的の同定とシグナル経路の分離

H

ゲノム・エピゲノム解析
遺伝子
遺伝子

H

H

遺伝子

ChlP-seq法

トランスクリプト−ム解析

H：ホルモン
RNA-seq法
シーケンス拠点、データ解析拠点と、代表機関、各分担機関の密接な連携のもとに、前立腺がんと乳がんが、ホルモン応答性の増殖を示す細胞制御システム機構、ホルモン不応性となり治療抵抗性を獲得する分子機構を明らかにする

12
Innovative Cell Biology by Innovative Technology

背景

先導研究
研究課題

細胞比率制御ネットワークと細胞へブ学習則の解明

課題A

代表機関

代表研究者

理化学研究所
発生・再生科学総合研究センター

上田泰己

分担研究者

理化学研究所／丹羽仁史

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

研究目的た研究が待ち望まれています。このような状況を踏まえ、こ発生・再生現象では1 種類の細胞から複数の細胞種がの研究では仮説指向型のオミックス研究を遂行し、発生現象を支える以下の 2 つの設計原理を明らかにします。

適切な比率で生成される必要がありますが、この細胞比率の制御がどのような細胞間の遺伝子ネットワークで達成されているのか、その設計原理は解明されていません。また、研究概要

この現象においては、細胞内の遺伝子発現の速くて微小マウスの胚発生では、ごく初期に内部細胞塊と栄養外な変動（ゆらぎ）が安定で顕著な細胞のクロマチン状態

胚葉が生じ（第一の細胞比率）、次に内部細胞塊からエの差へ移り変わると考えられていますが、その変換のダイ

ピブラストと原始内胚葉が生じます（第二の細胞比率）が、ナミクスは包括的・定量的には理解されておらず、細胞のこれら複数の細胞種の適切な比率を制御する細胞間遺伝

ヘブ学習則（細胞が分化状態を記憶していて生涯忘れな子ネットワークの設計原理は解明されていません。この研いこと）の設計原理も解明されていません。そこで、この究では、まずマウス初期胚発生における全遺伝子発現の研究では、この 2 つの設計原理の解明を通して、発生・細胞系譜を構築し、新規に考案したゆらぎ摂動論を用いて再生現象の基礎をなす概念の構築をめざします。

各ステージにおける1 細胞レベルでの遺伝子発現を解析することで、第一・第二の細胞比率の制御にかかわる細胞

背景間の遺伝子ネットワークを抽出します。さらに、これらの遺ゲノム研究をはじめとするオミックス研究に対する主たる

伝子ネットワークを構成する各遺伝子に対して定量的な摂13

批判の 1 つは「特定の生命現象にかかわる複雑な遺伝子

動実験を行うことで、細胞比率制御を実現する設計原理

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

ネットワークは明らかになり分子博物学としての知識は豊かを解明します。

になってきたが、生命の設計原理の解明には近づいていな

また、発生・再生現象では、細胞内の遺伝子発現のゆいのではないか」というものです。これを乗り越えるには、らぎが安定で顕著な細胞のクロマチン状態の差へと移り変

データ駆動型の研究に終始するのではなく、仮説指向型

わっていくことで、さまざまな細胞種のアイデンティティが獲の着想をコアにもった研究をも行うことが必須です。その得・維持されると考えられていますが、その変換のダイナミ上で、次世代シーケンサーなどによってゲノム配列や転写

クスは包括的かつ定量的には理解されていません。この研量を一度に解読・定量化できるという現在の技術を生かし

究では、マウスES 細胞（胚性幹細胞）から分化させたさ

2種類の細胞

細胞比率を担う細胞間の遺伝子ネットワーク
8細胞期

16細胞期

細胞状態を記憶するヘブ学習則

位置による制御から確率的な制御へ変化
内と外の2つの細胞の比率を制御する+Cdx2+GATA6

3種類の細胞状態とクロマチン状態との

原始内胚葉

関 係 を 解 析 することで、ES細胞

エピブラストRNAを介したクロマチン転細胞は分化の状態を記憶していて生涯忘れることはない
1

栄養外胚葉

転写因子

原始内胚葉
エピブラスト細胞間相互作用を知るには細胞状態で特異的な因子の同定が不可欠
1細胞レベルのオミックス測定

1 転写因子23つの細胞比率を制御する

プロモーターから発現する
アンチセンスRNA の発現

+TF

32細胞期

胚盤胞

栄養外胚葉

まざまな細胞種において、クロマチン

2 ヒストン修飾

転写

3 DNA 脱メチル化

プロモーターRNA

3細胞記憶を実現するさまざまな記憶素子(ポジティブフィードバックループ)

記憶素子間の階層性(順序・つながり) を理解するには時系列データの取得が不可欠
核内情報ダイナミクスのオミックス測定

写へのポジティブフィード
バック機構を包括的に同定します。さらに、同定されたフィードバック機構に対して定量的な摂動実験を行うことで、この機構に随伴する双安定性を検証
し、細胞のヘブ学習則の設計原理を解明します。

先導研究
研究課題

初期発生における雌雄染色体コリオグラフィーについての
革新的研究

課題A

代表機関

代表研究者

東京大学
分子細胞生物学研究所

白髭克彦

分担研究者

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

東京工業大学／岸本健雄、徳永万喜洋
東京大学／大杉美穂、中井謙太

研究目的

るゲノムの再構築は、その後の胚性遺伝子活性化、胚ゲこの研究では、ゲノム解析技術と生細胞イメージング技

ノム依存的細胞周期への切り替え、さらには、個体の発術により、受精直後から8 細胞期までの染色体上でのタン生にとって最も基本的かつ必須の過程であるにもかかわらパク質の局在や核内での染色体の配置・3 次元高次構造

ず、解析の困難さから、その詳細は大部分が細胞生物学の変遷を測定し、これらのデータの相関から、受精から胚的な記述にとどまっています。

性遺伝子活性化に至る雌雄のゲノム動態を体系的に理解するための情報解析システムの開発を行います。このシス研究概要

テムにより、雌雄染色体構造の特異性と胚性遺伝子活性

この研究では、受精から胚性遺伝子活性化を経て胚ゲ化の誘導に至る過程をモデル化し、実験的に検証を重ね

ノム依存的な細胞周期に至るまでの雌雄ゲノム構造の変ることで、受精後のゲノム動態の包括的理解をめざします。

遷を、8 細胞期胚までの 5 点について、全転写産物の網
羅的解析、特定タンパク質の結合部位を網羅的に決定する手法、染色体高次構造の網羅的モニタリングにより明ら哺乳動物の生命は卵と精子の受精により始まります。受かにします。同時に、核内 1 分子観察が可能な顕微鏡観精の直後から精子染色体および卵染色体において大規模察技術を用いて、染色体動態制御タンパク質の 1 分子リなゲノム再構築が生じ、前核形成が誘導されます。精子

アルタイム観察、雌雄染色体の核内配置や3 次元構築のの場合、染色体はプロタミンというタンパク質によって高度経時観察を行い、ゲノム構造の変遷を明らかにします。こに凝縮されており、受精とともに脱凝縮が誘導されて、ヒれらの解析を通して得られた各種プロファイル、ゲノム高ストンを含めた種々のゲノム高次構造形成タンパク質およ次構造、3 次元核内構造をバイオインフィマティクス的手

び転写因子がゲノムに結合していくと考えられていますが、法で解析し、既知のアノテーション情報と統合化することその詳細は不明です。雌雄染色体をそれぞれ内包した前によって、受精から胚性遺伝子活性化に至る雌雄のゲノ核は、融合されることなくDNA 複製を経て最初の染色体

ム動態を体系的に理解するための情報解析システムの開分配を迎えます。以降、1 〜 2 回の細胞周期は主として発を行います。開発したシステムにより、雌雄染色体構造

母性因子依存的に駆動され、 母性因子依存的分裂 との特異性と胚性遺伝子活性化の誘導に至る過程をモデルも言うべき特別な様式により進行します。胚性遺伝子の活化します。モデルにより雌雄染色体の動態制御について性化はすでに前核期に始まり、おもな胚性遺伝子は2 細

いくつかの予測を立て、モデルの妥当性について評価しま

胞期〜 4 細胞期に活性化されますが、この間、雌雄の染す。以上の解析を通じて、受精前後での雌雄染色体構造

色体は混ざり合うことなくそれぞれの領域に分かれて存在しの再構築機構を明らかにし、新たな制御関係の発見・解ます。受精以降の早い段階で雌雄染色体それぞれに生じ明へとつなげます。

母性因子依存胚ゲノム依存

14
Innovative Cell Biology by Innovative Technology

背景

先導研究
研究課題

細胞個別的シーケンス解析のための
光学的サンプリング技術の開発

課題B

代表機関

代表研究者

理化学研究所
脳科学総合研究センター

宮脇敦史

分担研究者

理化学研究所／三好浩之、阪上（沢野）朝子

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

研究目的

す威力を発揮すると考えられます。さらに、シーケンス拠点

異質性をもつ細胞を個々の状態に応じてサンプリングすおよびデータ解析拠点との共同で得られるトランスクリプ

る光学技術を開発することで、細胞個別的シーケンス解析

トームの知見は、細胞の増殖・分化制御に関するわれわを達成します。

れの理解を深めてくれます。
細胞周期や分化レベルに基づき選別した細胞について、

背景

CAGEライブラリーの作製、シーケンス解析、データ解析

細胞社会は常に異質です。たとえ遺伝的に均一な細胞をシーケンス拠点が行い、技術とデータに関して、この課からなる社会においても異質性が生まれます。個々の細胞題の研究チームにフィードバックします。

は、細胞周期、日内周期、ストレス程度などにおいて、さ実際のトランスクリプトーム解析で得られた知見は、細胞まざまに異なる状態にあります。従来は、こうした異質性をの増殖・分化に関して新しい理解をもたらしてくれます。が無視して十把一絡に細胞を集め、そこから遺伝子産物をん研究、再生医療などへの貢献が期待されます。この研

サンプリングし、シーケンス解析を行ってきました。しかし、究で新しく発見される遺伝子発現制御を利用して、さまざ

状態に応じて縦横に変化する遺伝子発現を解析するため

まな時期および組織特異的遺伝子ターゲッティングマウスには、特定の状態にある細胞群を選別する技術が必要での系統が作製されれば、個体レベルで生命現象を解析す

す。

る技術の発展につながるはずです。
この研究で開発される「細胞個別的シーケンス解析の

15

研究概要

ための光学的サンプリング技術」は、遺伝子産物を少量

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

次の三部から構成される技術開発を行います。

の細胞から高純度に回収することを可能にし、次世代シー

第一に、細胞個々を、細胞周期、日内周期、ストレス

ケンサーが発揮する性能を最大限に生かすことになります。

程度に応じて標識するプローブを開発します。第二に、プ

この光学的サンプリング技術は、シーケンス解析に限らず、

ローブを100％恒常的に発現する細胞株あるいは形質転換

ジーンチップ解析・プロテインチップ解析を含めたすべて動物を作製します。第三に、プローブのシグナルに応じての生化学的解析手法にリンクされるべきものです。次世代

顕微鏡下で細胞を選別する技術を開発します。

ゲノムサイエンスのための革新的イメージング技術として普遺伝子サンプルの少量化を達成しつつある次世代シー及することが期待されます。

ケンサーとあいまって、この研究で開発される技術はますま

個々の細胞を、その状態に応じて個別に標識する（イメージ）

先導研究

課題B

研究課題

代表機関

代表研究者

生殖細胞及び精子幹細胞の発生分化機構

情報システム研究機構
国立遺伝学研究所
系統生物研究センター

相賀裕美子

研究期間●平成 21 年度〜23 年度

研究目的

精子幹細胞の確立に伴う遺伝的およびエピジェネティック

生殖細胞の性分化制御や雄性生殖細胞（精子形成サな変化を解析するのに有効な遺伝的変異マウスを作製しまイクル）の確立に関与する遺伝的およびエピジェネティック

す。また、それらから次世代シーケンサーを用いた解析にな制御機構を明らかにします。特に、RNAメタボリズムを使用可能な細胞あるいはその細胞画分を効率よく調製する介した制御機構を解析します。

方法を確立し、それらを用いて以下の解析を行います。
1）胎生期の生殖細胞の性分化に伴うエピジェネティック

背景制御機構と、その過程にかかわる遺伝子の発現解析：性生殖細胞は次世代に遺伝情報を伝えることができる唯一分化異常を起こすマウスを遺伝的操作によって作製し、その細胞であり、体細胞とはまったく異なった発生・分化・れらのマウスから生殖細胞を単離して、その遺伝子のメチ生存戦略をもつことが明らかになりつつあります。しかしな

ル化状態、ヒストンの修飾状態を解析し、生殖細胞の性がら、その細胞の独自性に関する分子レベルの理解にはま分化に伴う遺伝子発現変動をChIP-seq 法などによって解だ多くの問題があります。現在、ES 細胞（胚性幹細胞）

析します。

あるいはiPS 細胞（人工多能性幹細胞）を用いて生殖細2）精子幹細胞の維持と分化制御機構の理解：Nanos2胞をつくろうとする試みがなされていますが、その基盤研究

を生後の精子幹細胞に強制発現すると精子幹細胞を大量として、正常発生における生殖細胞の発生・分化機構をに集めることが可能です。さらに、その後にNanos2を遺明らかにすることは生物学的に意義があります。哺乳類の伝的に失わせることが可能かどうか検討します。この系が生殖細胞は胎生期に生殖巣に取り込まれた後に性分化を確立できればそれを利用して、精子幹細胞の維持や、そ開始します。この過程にはRNA 結合タンパク質 Nanos2の後の分化における遺伝子発現動態の解析が可能です。

16が関与しており、Nanos2をノックアウトした雄マウスでは

3）Nanos2を中心としたRNAメタボリズムの解析：胎生生殖細胞のメス化が起こります。また、生後の精子形成期および生後の精子形成過程において非常に重要な機能過程においてNanos2は精子幹細胞に発現し、幹細胞のをもつ RNA 結合タンパク質（Nanos2やPumilio）を発維持と分化抑制に働きます。しかし、その分子機構は不明

現するタグをもったマウスを作製し、これを利用してこれらです。

のタンパク質に結合するRNAをIP-seq 法を用いて網羅的

Innovative Cell Biology by Innovative Technologyに解析します。また、細胞の分画を行ってRNA の細胞内動態（RNAメタボリズム）を解析します。

研究概要
この研究では、胎生期の生殖細胞の性分化や生後の胎生期

生後の精子形成過程
誕生

計画1：生殖細胞の性分化に伴うエピジェネティック制御
性特異的なDNAメチル化
ヒストン修飾とその制御機構

計画 2：精子幹細胞の維持と分化制御
精子幹細胞 (Nanos2 発現細胞）における幹細胞維持機構と分化抑制機構の解析

RNA-seq 法♂
Nanos2
ChIP-seq 法

♀

メス性分化

計画 3：RNAメタボリズムの解析
RNA 結合タンパク質の標的の同定

IP-seq 法

先導研究
研究課題

細胞解析研究革新のための高性能エピゲノムシーケンス技術の開発

課題B

代表機関

代表研究者

東京大学
大学院理学系研究科

伊藤隆司

分担研究者

奈良先端科学技術大学院大学／中島欽一（〜23 年度）

研究期間●平成 21 年度〜25 年度

研究目的

研究概要

さまざまな細胞機能発現の分子基盤として、配列の変

この研究では、BSSを基盤に、従来の 1/1000 以下の化を伴わずに遺伝子機能を変化させるDNAメチル化やヒ微量 DNAしか必要とせず、しかも、メチル化情報を歪め

ストン修飾などのエピジェネティックな調節機構が大きな注

るおそれがあるPCRなどのグローバル増幅操作を一切排目を集めています。この研究では、次世代シーケンサーを除した技術、すなわち、高感度・高精度・高出力・高分用いてエピジェネティック修飾状態を高分解能・高感度・解能という特徴を兼ね備えた高性能 BSS（HP-BSS）を

高精度・高出力で明らかにする「高性能エピゲノムシーケ

確立します。さらに、HP-BSSを免疫沈降などの手法と組ンス技術」を開発し、発生の進行に伴う神経幹細胞のエみ合わせた複合エピゲノム解析技術の開発にも取り組みま

ピゲノム動態の全貌解明を通して神経分化のエピジェネ

す。これらの高性能エピゲノムシーケンス技術を、蛍光励

ティック制御機構の研究を革新することで、その有効性の起細胞分取装置（FACS）によって純化した各発生段階

実証をめざします。

のマウス神経幹細胞に適用することによってそのエピゲノ
ム動態を解明し、分担研究者が先導してきた発生に伴う神背景

経細胞の分化・可塑性のエピジェネティック制御機構の研ゲノム機能の発現を介した細胞制御の分子基盤として究の革新をめざします。

最も重要なのが、DNAメチル化やヒストン修飾、ヌクレオ

この研究の成果は、医学的・生物学的に重要でありな

ソーム配置などのエピジェネティクスです。近年、大きな期

がらサンプルを大量に調製することが困難なために研究が17待が寄せられているiPS 細胞（人工多能性幹細胞）も、進まなかった細胞のエピゲノム解析に大きな突破口を開く

Innovative Cell Biology by Innovative Technology

エピジェネティクスのリセットの問題と言えるでしょう。エピ

ものと期待されます。開発技術の提供を通して、さまざま

ジェネティクスの研究をゲノムワイドに拡大してエピゲノム

な細胞解析研究の革新にも貢献したいと考えています。

研究へと進化させる上で、クロマチン免疫沈降法とDNAマイクロアレイ法を組み合わせた
ChIP-chip 法の導入は決定的な役割を果たしました。しかし、その分解能と精度には一定の限界があって、たとえば、DNAメチル化にFACS

よる神経幹細胞の分化制御機構（分担研究者が発見）の広がりをゲノムワイドにとらえる
ことは、この手法ではできませんでした。
しかし、こうした限界を打ち破る能力を秘めた次世代シーケンサーの登場によって、エピ
ゲノム研究に第二の革命が起こりつつあります。実際に、代表研究者は、DNAメチル化

神経幹細胞

HP-BSS
ゲノムワイドを単一塩基解像度で明らかにするバイサル
ファイトシーケンス法を、次世代シーケンサーを駆使してゲノムワイドに展開するバイサル
ファイトショットガンシーケンス法（BSS）を開発しました。そして、モデル生物アカパンカビの DNAメチル化に関して、既存の手法では
発 見 不 可 能だった新しい法 則を見いだし、
BSS の有効性を実証しました。

高分解能

研究期間●平成 22 年度〜25 年度

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平成24年12月作成

革 新 的 細 胞 解 析 研 究 プ ログラ ム（ セ ル イノ ベ ー ション ）文部科学省