21世紀のポストゲノム解析によって、ヒトゲノムから大量のノンコーディングRNAが産生されていることが明らかになり、その新規機能に注目が集まっています。私たちの研究室では、lncRNAの中から細胞内構造体の骨格として細胞内の形作りを担っているノンコーディングRNAを発見してarchitectural RNA(arcRNA)と命名しました。arcRNAは相互作用タンパク質と共に、細胞内相分離を誘発することによって膜を持たない非膜性オルガネラの形成を主導しています。現在下記の３つのテーマに沿ってarcRNAの作用機構や生体機能の解明を目指しています。
The post-genome analysis has revealed the production of significant numbers of long non-coding RNAs (lncRNAs) from the human genome, drawing attention to novel genomic functions. We have discovered lncRNAs that serve as the architectural backbone of intracellular structures, and we have named them “architectural RNA (arcRNA)”. ArcRNA, in collaboration with interacting RNA-binding proteins (RBPs), leads the formation of membraneless organelles (MLOs) by inducing intracellular phase separation. Currently, we are striving to elucidate the mechanisms of action and the biological functions of arcRNA along the following three themes.
lncRNAは、そのRNA配列に刻まれたルールに基づいて機能しています。そのルールとは、タンパク質発現の遺伝暗号とは異なるノンコーディング配列の働きを規定する新規な遺伝暗号のはずです。私たちは、arcRNAをモデル系として、その機能を担う遺伝暗号の解読を目指しています。arcRNAは、特異的なRNA結合タンパク質を集約することによって相分離を誘発し非膜性オルガネラを形成します。そこでタンパク質がどのようなarcRNA配列を認識して結合し、どのように相分離を誘発してオルガネラ構造形成に至っているのかを、ゲノム編集、超解像イメージング、分子間相互作用解析、さらにはソフトマター物理学理論などを導入して研究しています。
LncRNAs function based on rules embedded within their RNA sequences. These rules are expected to define a novel genetic code distinct from the canonical genetic code governing protein expression. Using arcRNA as a model system, we are striving to decode the genetic code responsible for its functions. ArcRNA induces phase separation and the formation of MLOs by aggregating specific RBPs. To unravel how proteins recognize and bind to specific arcRNA sequences, initiating phase separation and MLO formation, we employ techniques such as genome editing, super-resolution imaging, molecular interaction analysis, and even theoretical soft matter physics.
References
Sasaki et al., PNAS 2009; Naganuma et al., EMBO J. 2012; Kawaguchi et al., PNAS 2015; Hennig et al., J Cell Biol 2016; Yamazaki et al., Mol Cell 2018; Yamazaki et al., EMBO J 2021
ノンコーディングRNA には、クロマチン上で様々なエピジェネティック制御を担うもの、細胞内でのデコイとして遺伝子発現を制御しているものなどが知られています。我々が発見したarcRNAは非膜性オルガネラの骨格として、相分離を誘発することによって細胞内空間で隔離した液滴空間を作り出しています。こうして作り出された空間は、特定の生化学反応を効率よく行わせるための「るつぼ」、外界から特定の因子を係留する「スポンジ」、クロマチンの構造起点としての「ハブ」として働いています。そこで、私たちは、こうした機能におけるarcRNAの作用機構とその標的となる生体制御機構について研究しています。
LncRNAs are known to play various roles, including serving as epigenetic regulators on chromatin and controlling gene expression as decoys within cells. The arcRNA acts as the structural backbone of MLOs, creating isolated liquid droplet spaces within the cellular environment through phase separation. These created spaces function as “crucibles” to efficiently facilitate specific biochemical reactions, act as “sponges” to sequester specific factors from the surrounding intracellular space, and serve as “hubs” of chromatin. Consequently, we are conducting research to understand the mechanisms by which arcRNA operates in these functions and its interactions with the biological control mechanisms that it targets.
References
Hirose et al., Mol Biol Cell 2014; Ninomiya et al., EMBO J 2020
ヒトゲノムから数万種類ものノンコーディングRNAが産生されています。その中でarcRNAとして働くRNAはどのくらい存在するのかを明らかにするために、arcRNAの探索を行っています。私たちは、arcRNAは通常用いられているRNA抽出試薬に対して著しい難抽出性を示すことを見出し、その性質を示す難抽出性RNAを次世代シーケンス解析で探索することによって新しい機能性arcRNAを同定しようとしています。一方でarcRNAによって形成される非膜性オルガネラを探索するためにRNase処理感受性のオルガネラの探索も行っています。新たに同定されたarcRNAを比較することによってarcRNAに共通する特徴を明らかにすることを目指しています。
Thousands of lncRNAs are produced from the human genome. To uncover how many of these function as arcRNAs, we are engaged in the exploration of arcRNAs. We have discovered that arcRNAs exhibit significant resistance to commonly used RNA extraction reagents. To identify novel functional arcRNAs with this characteristic of resistance, we are conducting next-generation RNA sequencing analyses to search for these “semi-extractable RNAs”. Additionally, we are also exploring MLOs sensitive to RNase treatment to investigate MLOs formed by arcRNAs. Our goal is to identify common features among newly identified arcRNAs through comparative analysis, shedding light on their shared characteristics.
References
Chujo et al., EMBO J 2017; Mannen et al., J Cell Biol 2016