Study on the mechanisms of establishment of chromatin structure during meiosis

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 19H05743
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 石黒 啓一郎 熊本大学, 発生医学研究所, 教授 (30508114)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥88,010,000 (Direct Cost: ¥67,700,000、Indirect Cost: ¥20,310,000); Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2022: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2021: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2020: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2019: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000)
• Keywords: 減数分裂 / 生殖細胞 / クロマチン / 染色体 / ゲノム / エピゲノム / 複製 / エピジェネティクス

Outline of Research at the Start

生殖細胞では体細胞分裂から減数分裂への切り替えに伴って、減数分裂仕様に特化されたクロマチン構造の再構築が起きている。DNAメチル化、ヒストン修飾による半保存的に非ゲノム情報複製を行う体細胞とは対照的に、この再構築は減数分裂直前にむしろその構造を解消するように働くと推定される。本研究では、減数分裂期のクロマチン構造の解析を通して、生殖細胞系列と体細胞系列の非ゲノム情報複製に関わる様式の違いを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

最近我々は、体細胞分裂から減数分裂の切替えに決定的な役割を担う新規のマスター転写因子MEIOSINを同定した。MEIOSINの制御下に置かれている遺伝子群の中には、減数分裂を特徴付ける遺伝子が含まれることが、直接制御される標的遺伝子には多くの未解析のhypothetical geneが含まれることが判明している。これらの未解析の遺伝子には、減数第一分裂に必要とされる未開拓の因子や体細胞型の細胞周期を積極的に抑制するものが含まれる可能性がある。まず、これらhypothetical geneについて、発現パターンの組織特異性を検討して精巣と卵巣に発現が限定される遺伝子を絞り込み、それらについて受精卵へのCRISPR-Cas9導入による遺伝子破壊を行い、8週齢F0個体の精巣が委縮を示すか否かを指標に表現型を解析した。なお効率良くスクリーニングを進める必要があるため、alleleの塩基配列の確認の手間を省くことができるように標的遺伝子座を大きく欠失させるssODN法を用いた。このスクリーニングにより選抜された複数の遺伝子についてさらに機能解析を進めた。
MEIOSIN標的遺伝子の一つであるZFP541は減数分裂の際に転写抑制複合体を形成してクロマチン・エピジェネティクスの制御に関連する遺伝子群の発現を抑制することを明らかにした。この研究はこれまでに先行研究が少ない減数分裂の遺伝子発現プログラムの終結について一石を投じる可能性が期待される。またMEIOSIN標的遺伝子の一つであるFbxo47は減数分裂時の相同染色体の対合を安定に維持する役割があることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

MEIOSINの制御下に置かれている未解析の遺伝子について、発現パターンの組織特異性を検討して精巣と卵巣に発現が限定される遺伝子を絞り込み、それらについてノックアウトマウスの作製を行い8週齢F0個体の精巣が委縮を示すか否かを指標に表現型を解析した。MEIOSIN標的遺伝子の一つであるZFP541 について解析を行ったところ、ZFP541はmeiotic prophaseの後半から半数体のround spermatidで発現するZinc fingerドメインを持つタンパク質であることが判明した。Zfp541を欠損させると減数第一分裂以降のステージへの進行が見られず不妊を示すことが明らかになり、減数第一分裂をexitする過程で何らかの役割を担っていることが推定された。またIPと質量分析を駆使した解析から、ZFP541がKctd19やHDAC1と相互作用することを見いだした。Kctd19も同様にmeiotic prophaseの後半から半数体のround spermatidで発現することが明らかとなり、その遺伝子を欠損させると減数第一分裂以降のステージへの進行が見られず不妊を示すことが判明した。ノックアウトマウスの表現型解析とタンパク精製-質量分析法を駆使した解析の結果、精母細胞の減数第一分裂時にZFP541が Kctd19やHDAC1とともに転写抑制複合体を形成してクロマチン・エピジェネティクスの制御に関連する遺伝子群の発現を抑制することを明らかにした。
またFbxo47もMEIOSIN標的遺伝子の一つして同定された。Fbxo47を欠損させると減数第一分裂以降のステージへの進行が見られず不妊を示すことが明らかになった。Fbxo47は相同染色体の対合を安定に維持する役割があることが明らかとなった。

Strategy for Future Research Activity

MEIOSINに直接制御される未解析の標的遺伝子には、減数第一分裂のクロマチン構造の形成に必要とされる未開拓の因子が含まれる可能性がある。引き続き、これらMEIOSINに直接制御される標的遺伝子について、発現パターンの組織特異性を検討して精巣と卵巣に発現が限定される遺伝子を絞り込み、それらについて受精卵へのCRISPR-Cas9導入による遺伝子破壊を行い、8週齢F0個体の精巣が委縮を示すか否かを指標に表現型を解析する。またコヒーシンの減数第一分裂前期におけるTAD形成への寄与についてHi-C解析を行って、体細胞型から減数分裂型への染色体高次構造の形成過程について検討を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UC Davis(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Gothenburg(スウェーデン)
• [Journal Article] MEIOSIN directs initiation of meiosis and subsequent meiotic prophase program during spermatogenesis (2022)
  • Author(s): Ishiguro K, Shimada R.
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 97 Issue: 1 Pages: 27-39
  • DOI: 10.1266/ggs.21-00054
  • NAID: 130008134280
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2022-02-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] FBXO47 is essential for preventing the synaptonemal complex from premature disassembly in mouse male meiosis (2022)
  • Author(s): Tanno N, Takemoto K, Takada-Horisawa Y, Shimada R., Fujimura S, Tani N., Takeda N., Araki K, Ishiguro K
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 4 Pages: 104008-104008
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sexually dimorphic properties in meiotic chromosome (2022)
  • Author(s): Ishiguro K.
  • Journal Title: Sexual Development Volume: - Issue: 5-6 Pages: 423-434
  • DOI: 10.1159/000520682
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Meiosis-specific ZFP541 repressor complex promotes developmental progression of meiotic prophase towards completion during mouse spermatogenesis (2021)
  • Author(s): Horisawa-Takada Yuki et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3184-3184
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23378-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KCTD19 and its associated protein ZFP541 are independently essential for meiosis in male mice (2021)
  • Author(s): Oura S, Koyano T, Kodera C, Takada Y, Matsuyama M, Ishiguro K, Ikawa M.
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 17 Issue: 5 Pages: e1009412-e1009412
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1009412
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Meiotic cohesins mediate initial loading of HORMAD1 to the chromosomes and coordinate SC formation during meiotic prophase (2020)
  • Author(s): Fujiwara Yasuhiro、Horisawa-Takada Yuki、Inoue Erina、Tani Naoki、Shibuya Hiroki、Fujimura Sayoko、Kariyazono Ryo、Sakata Toyonori、Ohta Kunihiro、Araki Kimi、Okada Yuki、Ishiguro Kei-ichiro
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 16 Issue: 9 Pages: e1009048-e1009048
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1009048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phosphorylation of the Anaphase Promoting Complex activator FZR1/CDH1 is required for Meiosis II entry in mouse male germ cell (2020)
  • Author(s): Tanno Nobuhiro、Kuninaka Shinji、Fujimura Sayoko、Takemoto Kazumasa、Okamura Kaho、Takeda Naoki、Araki Kimi、Araki Masatake、Saya Hideyuki、Ishiguro Kei-ichiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 10094-10094
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67116-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Meiosis-Specific C19orf57/4930432K21Rik/BRME1 Modulates Localization of RAD51 and DMC1 to DSBs in Mouse Meiotic Recombination (2020)
  • Author(s): Takemoto Kazumasa、Tani Naoki、Takada-Horisawa Yuki、Fujimura Sayoko、Tanno Nobuhiro、Yamane Mariko、Okamura Kaho、Sugimoto Michihiko、Araki Kimi、Ishiguro Kei-ichiro
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 31 Issue: 8 Pages: 107686-107686
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107686
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MEIOSIN directs the switch from mitosis to meiosis in mammalian germ cells (2020)
  • Author(s): Ishiguro K* (Corresponding), Matsuura K, Tani N, Takeda N, Usuki S, Yamane M, Sugimoto M, Fujimura S, Hosokawa M, Chuma S, Ko S.H.M, Araki K, Niwa H
  • Journal Title: Dev. Cell Volume: 52 Issue: 4 Pages: 429-445
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2020.01.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sycp2 is essential for synaptonemal complex assembly, early meiotic recombination and homologous pairing in zebrafish spermatocytes (2020)
  • Author(s): Takemoto Kazumasa*、Imai Yukiko*、Saito Kenji、Kawasaki Toshihiro、Carlton Peter M.、Ishiguro Kei-ichiro、Sakai Noriyoshi (*co-first authors)
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 16 Issue: 2 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1008640
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 体細胞分裂型から減数分裂型の細胞周期への切り替え機構 (2022)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 先端モデル動物支援プラットフォーム令和3年度成果発表会 (大津)
  • Invited
• [Presentation] Sexually different mechanisms of meiotic cell cycle in mammalian germ cells (2021)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 44th Annual meeting of Molecular Biology Society of Japan, Symposium (Yokohama)
  • Invited
• [Presentation] STRA8 plays multiple roles in gonadal development and meiotic cell cycle in mouse female germ cells (2021)
  • Author(s): Ryuki Shimada, Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: International Symposium on the Biology of Vertebrate Sex Determination
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 減数分裂開始の性差 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 第93回日本遺伝学会大会 ワークショップ「非ゲノム情報複製機構による生命現象の制御」
  • Invited
• [Presentation] 減数分裂の開始機構 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 第39回日本受精着床学会 シンポジウム「遺伝」(神戸)
  • Invited
• [Presentation] 体細胞分裂から減数分裂への細胞周期の切り替え (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
• [Presentation] Fbxo47 is essential for stability of the synaptonemal complex in male meiosis (2021)
  • Author(s): Nobuhiro Tanno, Kazumasa Takemoto, Sayoko Fujimura, Kimi Araki, Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 第54回 日本発生生物学会年会
• [Presentation] The coordination of meiotic gene activation and pre-meiotic S phase entry ensure the reproductive life span in murine female (2021)
  • Author(s): Ryuki Shimada, Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 第54回 日本発生生物学会年会
• [Presentation] FBXO47はマウス雄性減数分裂においてシナプトネマ複合体の安定化に働く (2021)
  • Author(s): 丹野 修宏, 竹本 一政, 高田 幸, 島田 龍輝, 藤村 幸代子, 谷 直紀, 竹田 直樹, 荒木 喜美, 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第39回 染色体ワークショップ・第19回 核ダイナミクス研究会
• [Presentation] 生殖細胞特異的ZFP541複合体は減数分裂前期脱出の転写制御に働く (2021)
  • Author(s): 高田幸, 小寺千聡, 竹本一政, 坂下陽彦, 前田亮, 島田龍輝, 立花 誠, 行川 賢, 荒木喜美, 石黒啓一郎
  • Organizer: 日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] 生殖細胞における体細胞分裂から減数分裂への切り替え機構と性差 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会
  • Invited
• [Presentation] 胎児期メス生殖細胞における減数分裂開始と細胞周期G1/S期の同調のメカニズム (2020)
  • Author(s): 島田龍輝, 石黑 啓一郎
  • Organizer: 第 38 回 染色体ワークショップ 第 19 回 核ダイナミクス研究会
• [Presentation] 減数分裂開始に必須の役割を果たすMEIOSINおよび STRA8のタンパク質ドメイン (2020)
  • Author(s): 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第43回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] MEIOSINによる減数分裂のコントロール (2020)
  • Author(s): 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第65回日本生殖医学会学術講演会・総会 教育講演
  • Invited
• [Presentation] SWITCHING FROM MITOSIS TO MEIOSIS IS REGULATED BY SEXUALLY DIFFERENT MECHANISM IN MAMMALIAN GERM CELLS (2020)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting 2020 GERM CELLS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MEIOSIN directs the switch from mitosis to meiosis in mammalian germ cells (2020)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 53rd Annual Meeting of JSDB (Online meeting)
  • Invited
• [Presentation] Phosphorylation of the Anaphase Promoting Complex activator Cdh1 regulates transition from Meiosis I to Meiosis II in mouse male germ cell (2020)
  • Author(s): Nobuhiro Tanno, Shinji Kuninaka, Sayoko Fujimura, Kaho Okamura, Kimi Araki, Masatake Araki, Hideyuki Saya, Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 53rd Annual Meeting of JSDB (Online meeting)
• [Presentation] FBXO47は雄の減数第一分裂前期において相同染色体対合の安定化に働く (2020)
  • Author(s): 丹野 修宏, 竹本 一政, 藤村 幸代子, 荒木 喜美, 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第 38 回 染色体ワークショップ 第 19 回 核ダイナミクス研究会
• [Presentation] Cell cycle switching from mitosis to meiosis in mammals (2019)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: Gordon Research Conferences Germinal Stem Cell Biology (Hong Kong)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cell cycle switching from mitosis to meiosis (2019)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: Wellcome-MRC Cambridge stem cell institute, Japan exchange mini-symposium (Cambridge UK)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 減数分裂型の細胞周期プログラムへの切替え (2019)
  • Author(s): 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会 (新潟県新発田市)
• [Presentation] 体細胞分裂から減数分裂への切替え機構 (2019)
  • Author(s): 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会 ワークショップ (福岡)
  • Invited
• [Presentation] 体細胞分裂から減数分裂への細胞周期の切替え機構 (2019)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Organizer: 日本遺伝学会 第91回大会 (福井)
• [Presentation] The MEIOSIN-STRA8 complex directs cell cycle switching from mitosis to meiosis to establish the meiotic chromatin (2019)
  • Author(s): Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 第13回エピジェネティクス研究会 (横浜）
  • Invited
• [Presentation] 減数分裂組み換え中間体の新規プロセシング因子 (2019)
  • Author(s): 竹本一政、高田幸、杉本道彦、荒木喜美、石黒啓一郎
  • Organizer: 第２５回DNA複製・組換え・修復ワークショップ (奈良)
• [Presentation] The novel factor that process meiotic recombination intermediates (2019)
  • Author(s): Kazumasa Takemoto, Yuki Takada, Michihiko Sugimoto, Kimi Araki, Kei-ichiro Ishiguro
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会(福岡)
• [Presentation] 生殖細胞特異的ジンクフィンガータンパク質は減数分裂前期パキテン脱出の転写制御に働く (2019)
  • Author(s): 高田幸, 小寺千聡, 竹本一政, 前田亮, 坂下陽彦, 松浦公美, 丹羽仁史, 立花誠, 行川賢, 荒木喜美, 石黒 啓一郎
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会(福岡)
• [Book] 遺伝学の百科事典 継承と多様性の源 (2022)
  • Author(s): 石黒啓一郎 - 分担執筆
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621306604
• [Book] Hormone Frontier in Gynecology 2022年3月号(Vol.29 No.1)【特集 受精と胚発生をめぐる話題】 (2022)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Publisher: メディカルレビュー社
  • ISBN: 9784779225871
• [Book] 日本受精着床学会誌 (2022)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Publisher: 日本受精着床学会
• [Book] Precision Medicine7月臨時増刊号 シングルセル解析の新たな可能性 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Publisher: 北隆館
• [Book] BIO Clinica 5月号 疾患ゲノム研究の最前線 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Publisher: 北隆館
• [Book] マウス・ラットモデル作製・解析プロフェッショナル (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758121125
• [Book] ヒトゲノム事典 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎 - 分担執筆
  • Publisher: 一色出版
  • ISBN: 9784910389127
• [Book] BIO Clinica 2021年 2月号 不妊診療UPDATE 減数分裂開始因子MEIOSINとその標的遺伝子の変異による不妊 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Total Pages: 94
  • Publisher: 北隆館
• [Book] 週刊医学のあゆみ 275(7) (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 医歯薬出版社
• [Book] 「細 胞」8月号 特集「非ゲノム情報の複製機構 体細胞分裂から減数分裂へのスイッチ機構 (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Total Pages: 7
  • Publisher: ニューサイエンス社
• [Book] 「細胞」5月増刊号 体細胞分裂と減数分裂における染色体・クロマチン構造の違い (2021)
  • Author(s): 石黒啓一郎
  • Total Pages: 7
  • Publisher: ニューサイエンス社
• [Book] 実験医学2020年4月号 カレントトピックス 生殖細胞の運命決定 ― 体細胞分裂から減数分裂への細胞周期の切替え (2020)
  • Author(s): 石黒啓一郎 (小川佳宏、伊東宏晃編)
  • Total Pages: 145
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758125307
• [Remarks] research map
  • URL: https://researchmap.jp/read0123107/
• [Remarks] 熊本大学発生医学研究所 染色体制御分野HP
  • URL: http://www.imeg.kumamoto-u.ac.jp/bunya_top/chromosome-biology/
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0123107
• [Remarks] 熊本大学発生医学研究所染色体制御分野HP
  • URL: http://www.imeg.kumamoto-u.ac.jp/bunya_top/chromosome-biology/
• [Remarks] 新学術領域研究 多様かつ堅牢な細胞形質を支える 非ゲノム情報複製機構 HP
  • URL: https://non-genome.com/theme_04/
• [Remarks] 熊本大学発生医学研究所 染色体制御分野
  • URL: http://www.imeg.kumamoto-u.ac.jp/bunya_top/chromosome-biology/