ゲノムの構造と動きをコンピュータ上に再現~分裂酵母の「ゲノム・デジタルツイン」を世界で初めて構築~

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2026-09-17 広島大学

広島大学、理化学研究所、大阪大学などの研究グループは、分裂酵母のゲノム全体の「構造」と「動き」をコンピュータ上で再現する「ゲノム・デジタルツイン」を構築した。全ゲノム131箇所を標識した生細胞4,751個をライブイメージングし、ゲノムの動態マップを作成。さらに、Hi-Cによる3次元構造データと、生細胞で得た動態データを高分子物理モデリング手法PHi-Cで統合した。解析から、ゲノム領域によって運動特性や緩和時間が異なり、セントロメア周辺では約150秒、染色体腕部では約70秒の特徴的な時間スケールを持つことを確認した。また、細胞核外のスピンドル極体(SPB)の約225秒周期の低周波振動が染色体全体へ伝播し、大規模なゲノム運動を生む仕組みを明らかにした。今後、遺伝子発現やDNA修復、ヒトゲノム研究への応用が期待される。

ゲノムの構造と動きをコンピュータ上に再現~分裂酵母の「ゲノム・デジタルツイン」を世界で初めて構築~
図 分裂酵母染色体の大規模動態測定とモデリング(PHi-C)を組み合わせた「デジタルツイン」の構築

<関連情報>

分裂酵母におけるゲノム構造と動態の統合的モデリング Integrative modeling of the genome structure and dynamics in fission yeast

Soya Shinkai, Toshinori Namba, Takeshi Sugawara, +6 , and Shin-ichi Tate
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:September 8, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2612002123

Abstract

Genome organization in the nucleus is highly structured and dynamic. Recent advances in genomic technology have enabled the measurement of genome-wide architecture and locus-specific motion, yielding contact maps and live-cell trajectories. However, these outcomes are derived from different modalities and are not directly comparable, with their quantitative integration being a key challenge. Here we establish a genome-wide live-cell imaging platform in fission yeast Schizosaccharomyces pombe, tracking 131 chromosomal loci, along with the spindle pole body (SPB) and nucleolus, to construct a quantitative map of locus dynamics. By integrating these dynamics with contact data through polymer modeling of Hi-C data, we build a physics-based “digital twin” of the S. pombe genome consistent with the spatiotemporal dynamics of interphase chromatin. We validate it against genome-wide mobility patterns and known architectural features, including centromere and telomere clustering. The model also identifies distinct dynamical regimes: centromere- and telomere-proximal loci relax within ∼150 s, whereas the remaining loci relax within ∼70 s. We measure semiperiodic dynamics of SPB motion, including a characteristic peak near 225 s and 1/f fluctuations. We use the model with SPB-directed forcing to show how these low-frequency components propagate through the genome to drive genome-wide chromatin displacements. Together, this predictive physics-based modeling framework integrates genome structure and dynamics to reveal how nuclear mechanical driving forces shape chromosome motion, linking mechanically driven chromatin responses to genome maintenance and regulation.

細胞遺伝子工学
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