斎藤全能性エピゲノムプロジェクト

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研究総括 斎藤 通紀

研究総括 斎藤 通紀
(京都大学大学院医学研究科 教授)
研究期間 2011年10月~2017年3月
特別重点期間 2017年4月~2018年3月
グラント番号:JPMJER1104

 

全能性とは、個体を構成するあらゆる細胞に分化し、個体を形成する能力のことを言います。個体の出発点である受精卵が全能性を獲得するメカニズムの理解はまだまだ十分ではありません。受精卵から精子や卵子の源となる始原生殖細胞へ、始原生殖細胞から精子や卵子へ、そして再び全能性を持つ受精卵へと、世代を超えて遺伝情報を継承する仕組みの中では、ゲノム機能を制御するゲノム上のさまざまな修飾-その総体をエピゲノムと呼びます-が次々に変化することが知られています。全能性獲得に至るエピゲノム制御機構の理解は、細胞の医療応用の観点からも非常に重要な課題です。

本プロジェクトでは、生殖細胞のもつエピゲノム制御機構を、マウス、さらにはよりヒトに近いカニクイザルをモデル生物として、解明・再構成し、全能性獲得に至るゲノム制御基盤を明らかにすることを目指します。この過程において微量サンプルからエピゲノムを定量・解析する技術を開発します。これらの研究から得られる知見は、ヒト生殖細胞研究の基盤となり、不妊、先天性の疾患・症候群、ある種の遺伝病などの原因解明、細胞のエピゲノムを制御する新しい技術の開発につながることが期待されます。

 

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研究成果の概要

精子・卵子・その前駆細胞を総称して生殖細胞と呼ぶ。生殖細胞は、多細胞生物の遺伝情報・後成遺伝学的(エピジェネティック)情報を次世代に継承し、またその多様性を形成する唯一の細胞系譜である。

本研究プロジェクトは、マウス及びカニクイザル(Macaca fascicularis: Cynomolgus monkeys)を用い、生命の根幹である生殖細胞の発生機構の解明と、それに基づくマウス・サル・ヒト生殖細胞発生過程の試験管内再構成系の開発を目的とした。

主な成果として、1)マウスES/iPS細胞から始原生殖細胞様細胞を誘導し、それらから精子・卵子・健常な産仔を作出することに成功 (Cell, 2011; Science, 2012; Cell Rep., 2016)、2)マウス始原生殖細胞(様細胞)における転写・シグナル・エピゲノム制御機構の解明 (EMBO J, 2013; Cell Stem Cell, 2013; Nature, 2013; Dev. Cell, 2013; Cell Stem Cell, 2015; Dev. Cell, 2016)、3)ヒトiPS細胞から始原生殖細胞様細胞の誘導に成功 (Cell Stem Cell, 2015)、4)カニクイザルの初期発生機構を解析し、マウス・サル・ヒトにおける多能性スペクトラムの発生座標を解明 (Nature, 2016)、5)カニクイザル生殖細胞の形成機構の解明 (Dev. Cell, 2016)、があげられる。

 

研究成果

マウス生殖細胞解析グループ

本研究グループでは、マウスにおける生殖細胞発生機構を解明し、得られた情報に基づき、生殖細胞発生過程の培養系による再現を進展させることを目標とした。マウスES/iPS細胞から始原生殖細胞様細胞を誘導し、それらから精子・卵子・健常な産仔を作出することに成功、マウス始原生殖細胞(様細胞)におけるシグナル・転写制御機構の解明、など、多くの成果を挙げた。今後は、マウス生殖細胞発生機構のさらなる解明と規定条件下での始原生殖細胞様細胞の増殖(投稿中)・雌雄生殖細胞への誘導などが重要な課題となる。

  1. Hayashi, K., Ogushi, S., Kurimoto, K., Shimamoto, S., Ohta, H., and Saitou, M. (2012). Offspring from oocytes derived from in vitro primordial germ cell-like cells in mice. Science, 338, 971-975.
  2. Nakaki, F., Hayashi, K., Ohta, H., Kurimoto, K., Yabuta, Y., and Saitou, M. (2013). Induction of the mouse germ cell fate by transcription factors in vitro. Nature, 501, 222-226.
  3. Aramaki, S., Hayashi, K., Kurimoto, K., Ohta, H., Yabuta, Y., Iwanari, H., Mochizuki, Y., Hamakubo, T., Kato, Y., Shirahige, K., and Saitou, M. (2013). A mesodermal factor, T, specifies mouse germ cell fate by directly activating germline determinants, Developmental Cell, 27, 516-529.
  4. Schulz, E. G., Meisig, J., Nakamura, T., Okamoto, I., Sieber, A., Picard, C., Borensztein, M., Saitou, M., Blüthgen, N., and Heard, E. (2014). The two active X chromosomes in female embryonic stem cells block exit from the pluripotent state by modulating the ES cell signaling network, Cell Stem Cell, 14, 203-216.
  5. Ishikura, Y., Yabuta, Y., Ohta, H., Hayashi, K., Nakamura, T., Okamoto, I., Yamamoto, T., Kurimoto, K., Shirane, K., Sasaki, H., and Saitou, M. (2016). In Vitro Derivation and Propagation of Spermatogonial Stem Cell Activity from Mouse Pluripotent Stem Cells, Cell Reports, 17, 2789-2804.

 

サル生殖工学開発グループ

本研究グループでは、カニクイザル胚を安定して供給するための生殖工学基盤技術を確立し、カニクイザル発生生物学を推進する基盤を形成することを目標とした。ERATO研究期間中、着床前胚を安定して供給し、また着床後初期胚を単離する技術を確立し、サル初期発生機構解析グループの研究に貢献した。また、トランスジェニックカニクイザルの作成に取り組み、全身でGFPを発現するカニクイザルの作成に成功した。今後は、一頭からより多くの成熟卵を複数回において採取可能とする技術の確立、初期胚培養技術の確立やノックアウトサルの作成が重要な課題となる。

  1. Seita, Y., Tsukiyama, T., Iwatani, C., Tsuchiya, H., Matsushita, J., Azami, T., Okahara, J., Nakamura, S., Hayashi, Y., Hitoshi, S., Itoh, Y., Imamura, T., Nishimura, M., Tooyama, I., Miyoshi, H., Saitou, M., Ogasawara, K., Sasaki, E., and Ema, M. (2016). Generation of transgenic cynomolgus monkeys that express green fluorescent protein throughout the whole body, Scientific Reports, 6:24868 (DOI: 10.1038/srep24868).

 

サル初期発生機構解析グループ

本研究グループでは、霊長類のモデルとしてカニクイザルを用いて、その着床前/後胚発生及び生殖細胞形成の遺伝学的・後成遺伝学的機構を解明し、その情報及びマウスより得られる情報に基づき、カニクイザルにおける生殖細胞発生過程の培養系による再現を目標とした。単一細胞mRNA 3-prime RNA sequence法(SC3-seq)の開発、カニクイザル着床前/後胚発生過程における細胞系譜のSC3-seq法による解析とマウス・サル・ヒトにおける多能性スペクトラムの発生座標の解明、カニクイザルPGC形成機構の解明、カニクイザル着床前/後胚発生過程におけるX染色体動態の解明(発表準備中)、などの成果を挙げた。今後は、これら情報に基づき、カニクイザル生殖細胞発生過程の培養系による再現とその詳細な解析が重要な課題となる。

  1. Nakamura, T., Yabuta, Y., Okamoto, I., Aramaki, S., Yokobayashi, S., Kurimoto, K., Sekiguchi, K., Nakagawa, M., Yamamoto, T., and Saitou, M. (2015). SC3-seq: A method for highly parallel and quantitative measurement of single-cell gene expression, Nucleic Acids Research, 43, e60.
  2. Nakamura, T., Okamoto, I., Sasaki, K., Yabuta, Y., Iwatani, C., Tsuchiya, H., Seita, Y., Nakamura, S., Yamamoto, T., and Saitou, M. (2016). A developmental coordinate of pluripotency among mice, monkeys, and humans, Nature, 537, 57-62.
  3. Sasaki, K., Nakamura, T., Okamoto, I., Yabuta, Y., Iwatani, C., Tsuchiya, H., Seita, Y., Nakamura, S., Shiraki, N., Takakuwa, T., Yamamoto, T., and Saitou, M. (2016). The Germ Cell Fate of Cynomolgus Monkeys is Specified in the Nascent Amnion, Developmental Cell, 39, 169-185.

 

生殖エピゲノム解析グループ

本研究グループでは、マウス及びカニクイザル始原生殖細胞におけるエピゲノムリプログラミングの実体とその分子機構を体系的に解明することを目標とした。エピゲノムリプログラミングに際するマウス始原生殖細胞の細胞動態の解明、マウス始原生殖細胞様細胞誘導過程におけるクロマチン修飾・DNAメチル化動態の解明、BLIMP1の多彩な細胞系譜におけるゲノム結合動態の解明(投稿中)、PRDM14のマウスES細胞の機能維持・エピゲノム制御における役割の解明、などの成果を挙げた。今後は、カニクイザル及びヒト始原生殖細胞様細胞の誘導・成熟過程におけるエピゲノム動態の解析が重要な課題となる。

  1. Kagiwada, S., Kurimoto, K., Hirota, T., Yamaji, M., and Saitou, M. (2013). Replication-coupled passive DNA demethylation for the erasure of genome imprints in mice. The EMBO Journal, 32, 340-353.
  2. Yamaji, M., Ueda, J., Hayashi, K., Ohta, H., Yabuta, Y., Kurimoto, K., Nakato, R., Shirahige, K., and Saitou, M. (2013). PRDM14 ensures naïve pluripotency through dual regulation of signaling and epigenetic pathways in mouse embryonic stem cells. Cell Stem Cell, 12, 368-382.
  3. Payer, B., Rosenberg, M., Yamaji, M., Yabuta, Y., Michiyo, K-A., Hayashi, K., Yamanaka, S., Saitou, M., and Lee, J. T. (2013). Tsix RNA and the germline factor, PRDM14, link X-reactivation and stem cell reprogramming, Molecular Cell, 52, 805-818.
  4. Kurimoto, K., Yabuta, Y., Hayashi, K., Ohta, H., Kiyonari, H., Mitani, T., Moritoki, Y., Kohri, K., Kimura, H., Yamamoto, T., Katou, Y., Shirahige, K., and Saitou, M. (2015). Quantitative Dynamics of Chromatin Remodeling during Germ Cell Specification from Mouse Embryonic Stem Cells, Cell Stem Cell, 16, 517-532.
  5. Shirane, K., Kurimoto, K., Yabuta, Y., Yamaji, M., Satoh, J., Ito, S., Watanabe, A., Hayashi, K., Saitou, M., and Sasaki, H. (2016). Global Landscape and Regulatory Principles of DNA Methylation Reprogramming for Germ Cell Specification by Mouse Pluripotent Stem Cells, Developmental Cell, 39, 87-103.

 

ヒト始原生殖細胞発生機構再構成グループ

本研究グループでは、上記4つのグループから得られる情報を基盤とし、ヒトiPS細胞を用いたヒト生殖系列発生の再構成と評価を行うことを目標とした。ヒトiPS細胞からヒト始原生殖細胞様細胞の誘導に成功、ヒトiPS細胞のクローンによるヒト始原生殖細胞様細胞への誘導効率を左右する要因の解明(投稿中)、などの成果を挙げた。今後は、ヒト始原生殖細胞様細胞をより成熟させヒト雌雄生殖細胞への分化を誘導することが重要な課題となる。

 

  1. Sasaki, K., Yokobayashi, S., Nakamura, T., Okamoto, I., Yabuta, Y., Kurimoto, K., Ohta, H., Moritoki, Y., Iwatani, C., Tsuchiya, H., Nakamura, S., Sekiguchi, K., Sakuma, T., Yamamoto, T., Mori, T., Woltjen, K., Nakagawa, M., Yamamoto, T., Takahashi, K., Yamanaka, S., and Saitou, M. (2015). Robust In Vitro Induction of Human Germ Cell Fate from Pluripotent Stem Cells, Cell Stem Cell, 17, 178-194.