新生命科学分野開拓とスーパーコンピュータ「京」2013/9/19 九州大学医学部百年講堂

大規模エピゲノムプロジェクトとデータ解析
須山幹太
九州大学 生体防御医学研究所 情報生物学分野

BSC (Barcelona Supercomputing Center)

(Picture taken from Sci. Am.)Qin et al.

シーケンス技術の進歩（＋コンピュータの性能の進歩）

ハイスループット・シーケンシング技術の現況

http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.100940

Illumina HiSeqのパフォーマンス

1レーンで30 Gbase

Waddiongton's Epigenetic Landscape

Barth and Imhof, 2010

同じゲノムでの異なる組織に分化するのはなぜ？

DNAあるいはヒストンの修飾によるゲノムの制御

エピジェネティクスとは：
クロマチンへの後天的な修飾による遺伝子の発現制御を解析すること。
具体的には、たとえば、同一個体の各細胞は同じDNAを持っているが、エピジェネティックな違い（すなわちクロマチンの修飾の違い）が一因となって、組織特異的な遺伝子発現制御がなされているといえる。
次世代シーケンサーにより、ゲノムワイドなクロマチン修飾の解析が急速に進んでいる！

9次世代シーケンサーの応用
・ Re-sequencing
1000 genomes project
バイサルファイト法によるDNAメチル化解析

・ Protein-DNA interaction
ChIP-seq（ヒストン修飾）

ChIP-seq（転写因子）・ Transcriptome and detection of RNA genes (ex. miRNA)
RNA-seq

・ Protein-RNA interaction
CLIP-seq (cross-linking immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing)遺伝子プロモーターにみられる低メチル化領域

New methods to analyze protein-DNA interaction
in genome-wide scale

Microarray

Next-generation sequencing technology

Visel et al. 2009

"ChIP-chip" and "ChIP-seq"12ヒストンとヌクレオソーム構造

・ ヌクレオソームは、４つのコアヒストンタンパク質（H2A, H2B, H3, H4)とリンカーヒストンH1で構成される。

・ 以前は、DNAをパッケージングする静的な足場として考えられてきた。

・ 最近になって、ヒストンの様々な修飾には、遺伝子の転写活性に直接影響していることをはじめ、クロマチン凝集やDNAへのアクセスのし易さを調節するといった多彩な機能があることがわかってきた。

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ヒストン修飾の命名

H3K4me3name of the histoneamino acidposition in the sequence

Modification:acetylation
mono-methylation
ditrimono-ubiquitination
phosphorylation

acme1
me2
me3
ub1
P14

ヒストン修飾と生物学的機能の関連

Zhou et al. Nat. Rev. Genet. 2011.

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様々なcell-lineにおける様々なエピジェネティック・プロファイル

同一色のブロックが各cell-line。
その中の各行が様々なエピジェネ
ティック・プロファイル。

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エピゲノムデータの多次元的な広がり
組織・発生段階・性差(brain, liver, muscle, ...,fetal/adult, male/female, ...)

生物種

ヒストンマークなど(H3K4me1, H3K27Ac, DNaseI, ...)

・ ENCODE・ Roadmap Epigenomics ProjectmouseENCODE,modENCODE (for drosophila, worm)

・ International Human Epigenome
Consortium (IHEC)

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一言でいうと"regulome"が目標
Facts and figures:
Launched by NHGRI in Sept. 2003.
Pilot projectは2007に終了

Oct. 2007に４年で$80Mの予算で'production phase'として継続決定
1000 Genomes Projectとも一部オーバーラップ
32 groups, >440 scientists, 24 standard types of experiment
120 transcription factors, ...

DNA
RNAChIP

Cell line(28+133) x (3+14+40) = 9177 実験
1実験10Gbyteとすると、基本データだけで100Tbyte

Maher, Nature 2012

The results of the ENCODE project (30 papers)
September, 2012

エピゲノム・プロジェクト
Roadmap Epigenomics

Blueprint Epigenomics

IHEC: International Human Epigenome Consortium次世代シーケンサーが可能にした
新しいゲノミクス研究イントロン/エクソン構造がゲノム中ですでにマークされている

Huff et al. Nat. Struct. Mol. Biol. 2010.

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転写と共役したスプライシング (co-transcriptional splicing)Ameur et al. Nat. Struct. Mol. Biol. 2011.

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多くのイントロンは転写と共役してスプライスされる
よく教科書に見られる記述
ゲノムDNAでも実際は・・・

転写

pre-mRNA

スプライシング

ポリA付加mRNAAAAAAA

細胞質へ輸送AAAAAA

翻訳

co-transcriptional splicingProtein

(A) 転写と共役したスプライシングと (B) 転写速度によるエキソンスキップの制御

Brown et al. Hum. Mol. Genet. 2012.

A.

多くの遺伝子で、転写が進むに従って順次スプライシングが起きていることがわかってきた。

B.

ある選択的スプライシングにおいては、RNase polymerase IIの転写速度の違いにより、エクソンのスキップと取り込みが制御されている (kinetic control of alternative splicing)。

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より実際的な「転写」と「スプライシング」の関係
スプライシングにおける転写機構やクロマチン状態の関与

Luco et al. Cell, 2011

転写因子はプロモーターから遠く離れたところに結合することもある。

http://www.nature.com/scitable/topicpage/gene-expression-14121669→ ゲノムを直線的に考えるのではなく、立体構造的に考えることが大切。

インシュレーター(insulator)によって規定されるゲノムの［活性/不活性］領域"Transcription factories"

CTCF： インシュレーターとして働くタンパク質

染色体は普段どんな形をしているか

間期(interphase)の染色体はランダムにほどけているわけではない
それぞれの染色体が決まった領域に広がっている→ クロモソーム・テリトリー(chromosome territory; CT)

染色体間の空間的近さを測る方法
Chromosome Conformation Capture (3C)

次世代シーケンサーを使えば、ゲノムワイドに空間的な近さを測ることができる。

Hi-C法による染色体のinteraction map

Dekker et al., Nat. Rev. Genet., 2013.

Hi-Cのデータから得られた染色体の立体構造モデル"Fractal globule"

Lieberman-Aiden et al. (2011) Scienceフラクタル図形の例

自己相似形

スプライシングコードの解明

Breaking the second genetic code

Ramón Tejedor and Valcárcel, Nature, 2010
(Comment on Barash et al., Nature, 2010)

スプライシングのシス因子の探索
GTPase activating Rap/RanGAP domain-like 1 protein (GARNL1)

38

human
chimpanzee
macaqueratmouse
rabbitcow
dog
armadillotenrecopossum

chr14
chr15
chr7
chr6
chr12
scaffold_178393
chr21
chr8
scaffold_3577
scaffold_299940
chr1+-35087341
34251985
98506834
75858765
56530084
17945
30280498
17234636
24577
3914
286030148

394041ACATTTCAGAAATTGTCACTAAATTTTTTCC--AGTATTA--TACTGACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-T
ACATTTCAGAAATTGTCACTAATTTTTTTCC--AGTATTA--TACTGACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-TACATTTCAGAAATTGTCACTAAATTTTTTCC--AGTATTA--TACTGACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-T
ACATTTCAAAAATTATCACTAAATTTTTTCCCCAGAATTG--TACTAACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-T
ACATTTCAAAAATTATCACTAAATTGTTCCCCGAGAACTG--TGCTAACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACC-CACATGGCAGAAATTGTCACTACATTTTTTCC--AGATTTA--TACTAACCAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-T
ACATTTCAGAAATTGTCACTAAATTTCTTCC--AGAATTC--TACTTACTAACCT-AGGTCTGCATGAAACACTAACATT
ACATTTCAGAAATTGTCACTAAATTTCTTCC--GGAATTA--TACTTACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACACT
ACATTTCAGAAATTGTC-CTAAATT-CTTCC--AAAATTG--TTCTTACTAACAC-AGGTCTGCATGAAACACTAACACTATATTTCAGAAATTGTCACTAAATTTTTTTC---CAGTTA--TACTTACTAACCC-AGGTCTGCATGAAACACTAACA-C
ACATTTCAGAAGTTTTTACTAAATTTTTTCC--AAAGTTAGTTTTTTACTAACCCCAGGTCTGCATGAAA-ACTAACA-C* ** ** ** ** * *** ** * *** * ** ***************** ******

２つのシス因子が一緒にあらわれる（共起）Suyama et al. Nucleic Acids Res., 2010

A network of co-occurring motifs<1.0 x 10-5
<1.0 x 10-4>1.0 x 10-4

AAAGG 27TGGAA 25359AAGAT 195TGCAT117GCATG

6TTTCT 41

CTGCT
TGCTG
GCTGC

239GTGGT
GGTGG
GTGGG

221259195919

CTTGC
55TGCTT
36136TCTTG 1814ACTAACTAAC

7GCTAA 18658

7

シス因子の組み合わせにより多様性を生み出す。
Suyama et al. Nucleic Acids Res., 2010

シス因子の共起から、未知のエクソンスキップを予測し、実験で検証
The 3rd exon of the ENST00000256858 transcript.

Forward primer
M1

M2
Reverse primer

500
400
300

200

100
We
selected1010predictions,predictions,confirmedskippingin 3 cases.
We randomlyrandomly selected
andandconfirmed
the theskippingin 3 cases.
Suyama et al. Nucleic Acids Res., 2010ゲノミクス解析の今後
これまで：2～3の組織での発現比較

線虫の細胞系譜（http://www.wormbook.org/より）

今後：全ての組織での発現比較（ヒトの場合約200の細胞種）

データ蓄積の増加、その解析に要する計算量の飛躍的増加！

謝辞
九州大学 生体防御医学研究所

情報生物学分野

EMBL

Peer Bork

佐藤哲也

Eoghan Harrington

吉原美奈子

Bork Group Members

九州大学 医学研究院
先端医療医学部門 エピジェネティクス分野
大川恭行

Universität Heidelberg
Magnus von Knebel Doeberitz
Svetlana Vinokourova

かずさDNA研究所

理研免疫アレルギー科学研究センター
小原收

文科省

新学術領域 「性差構築の分子基盤」
基盤研究C
特定領域研究「ゲノム」

JST CREST 「エピゲノム研究に基づく診断・治療へ向けた新技術の創出」