着床前胚に由来する幹細胞を用いた全能性の再構築

• Project Area: Program of totipotency: From decoding to designing
• Project/Area Number: 19H05757
• 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 (2022-2023); Tohoku University (2019-2021)
• Principal Investigator: 岡江 寛明 熊本大学, 発生医学研究所, 教授 (10582695)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大日向 康秀 千葉大学, 大学院医学研究院, 講師 (70415107)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥124,800,000 (Direct Cost: ¥96,000,000、Indirect Cost: ¥28,800,000); Fiscal Year 2023: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2022: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2021: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2020: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2019: ¥31,200,000 (Direct Cost: ¥24,000,000、Indirect Cost: ¥7,200,000)
• Keywords: 全能性 / 胚体外性幹細胞 / 栄養膜幹細胞 / 原始内胚葉幹細胞 / 幹細胞 / 人工胚盤胞 / 人工胎盤

Outline of Research at the Start

唯一全能性を保持する受精卵は、卵割を繰り返し、胚盤胞と呼ばれる初期胚を形成する。胚盤胞はエピブラスト、栄養膜、原始内胚葉の3種類、数10個の細胞で構成されるが、何故、この単純な構造から個体生命を形成できるのか、その機構は謎に包まれている。本研究では、個々の細胞に全能性を誘導するのではなく、胚盤胞に由来する幹細胞を組み合わせることで、胚発生能を有するマウス人工胚盤胞を作製する。さらに、ヒト胚盤胞を構成する全系列の幹細胞化、ヒトTS細胞の3次元培養技術の確立、ヒト人工栄養膜幹細胞の作製を実施する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、独自の幹細胞培養技術を駆使し、マウスにおいて試験管内で胚発生能を幹細胞のみで再構成する。また、ヒトにおいても胚盤胞を構成する全細胞系譜の幹細胞化を行い、それぞれの特性を解析する。本年度は、マウス原始内胚葉幹細胞(PrES細胞)の樹立に成功し、論文を発表した。また、ヒトTS細胞およびナイーブ型ES/iPS細胞におけるC19MCの機能に関する研究成果を論文として発表した。成果の概要を以下に示す。
1.マウスにおいて、胚盤胞を構成するエピブラスト、栄養膜、原始内胚葉の3つの細胞系譜の内、これまで報告がなかった原始内胚葉幹細胞(PrES細胞)の樹立に成功し、発表した(Science 2022)。PrES細胞は胚盤胞への注入によって、高効率に原始内胚葉に寄与し、原始内胚葉を欠いた胚の補完も可能だった。ES細胞、TS細胞、PrES細胞を組み合わせ作製した胚オルガノイドは、偽妊娠マウス子宮に高効率に着床し、卵黄嚢様組織に囲まれた胚様構造を派生した。
2.ナイーブ型ヒトES/iPS細胞はTS細胞へと分化できるが、プライム型ES/iPS細胞は分化できなことを見出した。このような表現型の違いの原因を探るため、WGBS、RNA-seq、miRNA-seqを行った。その結果、プライム型ES/iPS細胞では19番染色体上のmiRNAクラスター(C19MC)がDNAメチル化によって抑制されていることを明らかにした。一方、ナイーブ型ES/iPS細胞ではC19MCは脱メチル化されていた。さらに、C19MCのプロモーター領域のゲノム・エピゲノム編集を行うことで、C19MCがTS細胞の維持および分化に必須であることを明らかにした。以上の成果を論文として発表した（Nat Commun 2022）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マウスにおいては、PrES細胞の樹立に成功し、子宮内で胚様構造を派生させることにも成功した。それらについての成果を論文として発表した。ヒトにおいては、C19MCがTS細胞の維持およびES/iPS細胞からTS細胞への分化に必須であることを突き止め、成果を論文として発表した。以上のように、着実に研究成果が得られていることから、研究は順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

マウスにおいては、現在の胚オルガノイドが発生能を保持しない原因の一つはTS細胞が胚盤胞の栄養外胚葉の性質を捕捉できていないことにあると考えている。そこで、来年度は、新規TS細胞の樹立を行い、樹立した株の胚への寄与能を解析する。また、マウスおよびブタでの研究成果をもとに、ヒトでいまだ樹立されていない原始内胚葉幹（PrES）細胞の樹立を検討する。さらに、ヒトTS細胞、ES/iPS細胞、子宮内膜オルガノイド等を活用して独自のヒト着床モデルを立ち上げ、着床期の胚発生を模倣可能かどうか検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Kansas Medical Center(米国)
• [Int'l Joint Research] CBI Toulouse/Universite de Nantes(フランス)
• [Int'l Joint Research] McGill University/University of Western Ontario(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Kansas Medical Center(米国)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Journal Article] CITED2 is a conserved regulator of the uterine-placental interface. (2023)
  • Author(s): Kuna Marija、Dhakal Pramod、Iqbal Khursheed、Dominguez Esteban M.、Kent Lindsey N.、Muto Masanaga、Moreno-Irusta Ayelen、Kozai Keisuke、Varberg Kaela M.、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Sucov Henry M.、Soares Michael J.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 3 Pages: 120-123
  • DOI: 10.1073/pnas.2213622120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genomic imprinting in human placentation (2022)
  • Author(s): Kobayashi Eri H.、Shibata Shun、Oike Akira、Kobayashi Norio、Hamada Hirotaka、Okae Hiroaki、Arima Takahiro
  • Journal Title: Reproductive Medicine and Biology Volume: 21 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/rmb2.12490
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The multifaceted role of GCM1 during trophoblast differentiation in the human placenta (2022)
  • Author(s): Jeyarajah Mariyan J.、Jaju Bhattad Gargi、Kelly Rachel D.、Baines Kelly J.、Jaremek Adam、Yang Fei-Hung P.、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Dumeaux Vanessa、Renaud Stephen J.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 49
  • DOI: 10.1073/pnas.2203071119
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The microRNA cluster C19MC confers differentiation potential into trophoblast lineages upon human pluripotent stem cells (2022)
  • Author(s): Kobayashi Norio、Okae Hiroaki、Hiura Hitoshi、Kubota Naoto、Kobayashi Eri H.、Shibata Shun、Oike Akira、Hori Takeshi、Kikutake Chie、Hamada Hirotaka、Kaji Hirokazu、Suyama Mikita、Bortolin-Cavaill? Marie-Line、Cavaill? J?r?me、Arima Takahiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 3071-3071
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30775-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic, Genomic, and Imaging Approaches to Dissect the Role of Polycomb Group Epigenetic Regulators in Mice (2022)
  • Author(s): Yakushiji-Kaminatsui Nayuta、Kondo Takashi、Ohinata Yasuhide、Takano Junichiro、Koseki Haruhiko
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: - Pages: 207-228
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2481-4_10
  • ISBN: 9781071624807, 9781071624814
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intersection of regulatory pathways controlling hemostasis and hemochorial placentation (2021)
  • Author(s): Muto Masanaga、Chakraborty Damayanti、Varberg Kaela M.、Moreno-Irusta Ayelen、Iqbal Khursheed、Scott Regan L.、McNally Ross P.、Choudhury Ruhul H.、Aplin John D.、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Matsumoto Shoma、Ema Masatsugu、Mast Alan E.、Grundberg Elin、Soares Michael J.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 50
  • DOI: 10.1073/pnas.2111267118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ASCL2 reciprocally controls key trophoblast lineage decisions during hemochorial placenta development (2021)
  • Author(s): Varberg Kaela M.、Iqbal Khursheed、Muto Masanaga、Simon Mikaela E.、Scott Regan L.、Kozai Keisuke、Choudhury Ruhul H.、Aplin John D.、Biswell Rebecca、Gibson Margaret、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Vivian Jay L.、Grundberg Elin、Soares Michael J.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 10
  • DOI: 10.1073/pnas.2016517118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Naive Human Embryonic Stem Cells Can Give Rise to Cells with a Trophoblast-like Transcriptome and Methylome (2020)
  • Author(s): Cinkornpumin Jessica K.、Kwon Sin Young、Guo Yixin、Hossain Ishtiaque、Sirois Jacinthe、Russett Colleen S.、Tseng Hsin-Wei、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Duchaine Thomas F.、Liu Wanlu、Pastor William A.
  • Journal Title: Stem Cell Reports Volume: 15 Issue: 1 Pages: 198-213
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2020.06.003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Histone deacetylase 1 and 2 drive differentiation and fusion of progenitor cells in human placental trophoblasts (2020)
  • Author(s): Jaju Bhattad Gargi、Jeyarajah Mariyan J.、McGill Megan G.、Dumeaux Vanessa、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Lajoie Patrick、B?rub? Nathalie G.、Renaud Stephen J.
  • Journal Title: Cell Death & Disease Volume: 11 Issue: 5 Pages: 311-327
  • DOI: 10.1038/s41419-020-2500-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atypical protein kinase C iota (PKCλ/ι) ensures mammalian development by establishing the maternal?fetal exchange interface (2020)
  • Author(s): Bhattacharya Bhaswati、Home Pratik、Ganguly Avishek、Ray Soma、Ghosh Ananya、Islam Md. Rashedul、French Valerie、Marsh Courtney、Gunewardena Sumedha、Okae Hiroaki、Arima Takahiro、Paul Soumen
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 25 Pages: 14280-14291
  • DOI: 10.1073/pnas.1920201117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unique features and emerging in vitro models of human placental development. (2020)
  • Author(s): Shun Shibata, Eri H Kobayashi, Norio Kobayashi, Akira Oike, Hiroaki Okae, Takahiro Arima.
  • Journal Title: Reprod Med Biol . Volume: 12 Issue: 4 Pages: 301-313
  • DOI: 10.1002/rmb2.12347
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Induction of Human Trophoblast Stem Cells from Somatic Cells and Pluripotent Stem Cells (2020)
  • Author(s): Castel G, Meistermann D, Bretin B, Firmin J, Blin J, Loubersac S, Bruneau A, Chevolleau S, Kilens S, Chariau C, Gaignerie A, Francheteau Q, Kagawa H, Charpentier E, Flippe L, Francois-Campion V, Haider S, Dietrich B, Knofler M, Arima T, Bourdon J, Rivron N, Masson D, Fournier T, Okae H, Freour T, David L
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 33 Issue: 8 Pages: 108419-108419
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.108419
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] G protein subunit β1 is an important mediator of the late stage of endochondral ossification (2020)
  • Author(s): Ruengsinpinya Lerdluck、Murakami Tomohiko、Nakamura Eriko、Takahata Yoshifumi、Hata Kenji、Nakaminami Yuri、Okae Hiroaki、Nishimura Riko
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 533 Issue: 1 Pages: 90-96
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.08.119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Loss of p57KIP2expression confers resistance to contact inhibition in human androgenetic trophoblast stem cells (2019)
  • Author(s): Takahashi Sota、Okae Hiroaki、Kobayashi Norio、Kitamura Akane、Kumada Kanako、Yaegashi Nobuo、Arima Takahiro
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 116 Issue: 52 Pages: 26606-26613
  • DOI: 10.1073/pnas.1916019116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Unlocking the mysteries of pregnancy with stem cells (2023)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 熊本大学発生医学研究所セミナー
  • Invited
• [Presentation] The microRNA cluster C19MC confers differentiation potential into trophoblast lineages upon human PSCs (2023)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: IRCMS seminar "New Horizons in Developmental Biology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] C19MC confers differentiation potential into trophoblast lineages upon human PSCs (2023)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 熊本大学発生医学研究所セミナー
  • Invited
• [Presentation] C19MC is essential for the differentiation potential of hPSCs into trophoblast lineages (2022)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: The 55th annual meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
• [Presentation] Critical role of genomic imprinting in human placental development (2022)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 新学術・全能性 The International Symposium “Totipotency and Germ Cell Development”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト胚着床モデル-母胎アセンブロイド-の開発 (2021)
  • Author(s): 柴田峻、岡江寛明、有馬隆博
  • Organizer: ART FORUM’21 生殖の分子機構への新たなアプローチ
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生殖医学研究の最前線 進歩し続ける基礎研究 (2021)
  • Author(s): 岡江寛明、有馬隆博.
  • Organizer: 66th生殖医学会学術講演会・総会：シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒトES細胞からTS細胞への分化転換を阻害するエピジェネティックバリアの同定 (2021)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: AMED研究開発交流会
  • Invited
• [Presentation] Modeling human placental development and disease with stem cells (2021)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 第9回東北大学スマート・エイジング学際重点研究センター シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 分化全能性の消失に関わるインプリント遺伝子の同定 (2020)
  • Author(s): 岡江寛明、小林記緒、有馬隆博
  • Organizer: 日本繁殖生物学会第113回大会
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic restriction of human pluripotency by silencing of the chromosome 19 miRNA cluster (2020)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 着床前胚に由来する幹細胞を用いた全能性の再構築 (2020)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム」Webinar
  • Invited
• [Presentation] Identification of an epigenetic barrier between human embryonic and trophoblast stem cells (2020)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] ヒトES細胞からTS細胞への運命転換 (2020)
  • Author(s): 岡江寛明
  • Organizer: 新学術領域研究「配偶子インテグリティの構築」「全能性プログラム」合同公開シンポジウム2020
  • Invited
• [Presentation] なぜ絨毛癌は稀なのか？ヒト栄養膜幹細胞を用いた胎盤の腫瘍化抑制機構の解析 (2019)
  • Author(s): 岡江 寛明
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト胚性幹細胞の栄養膜幹細胞への分化転換 (2019)
  • Author(s): 小林 記緒
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 雄核発生胚に由来するヒトTS細胞の樹立 (2019)
  • Author(s): 岡江 寛明
  • Organizer: 新学術領域キックオフシンポジウム
• [Presentation] Disease modeling with human trophoblast stem cells (2019)
  • Author(s): 岡江 寛明
  • Organizer: 幹細胞・再生医学イノベーション創出プログラム 事業内交流会
• [Presentation] ヒト胎盤異常のエピゲノム～全胞状奇胎の細胞特性の解析～ (2019)
  • Author(s): 有馬 隆博
  • Organizer: 日本人類遺伝学会第64回大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 再生医療等に用いるヒト胎盤由来幹細胞の細胞特性の解明 (2019)
  • Author(s): 岡江 寛明
  • Organizer: 令和元年度AMED再生医療研究交流会
• [Book] ヒト胎盤発生と幹細胞 (2021)
  • Author(s): 柴田峻、岡江寛明、有馬隆博
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 医学書院(金原出版）
• [Book] ヒト初期発生におけるエピジェネティクス (2021)
  • Author(s): 岡江寛明、有馬隆博
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 羊土社
• [Book] トロホブラスト幹細胞と展開 (2021)
  • Author(s): 小林枝里、岡江寛明、有馬隆博
  • Total Pages: 6
  • Publisher: メディカルレビュー社
• [Book] ヒトTS細胞を用いた胎盤疾患モデルの構築 (2021)
  • Author(s): 大池 輝, 小林 枝里, 小林 記緒, 柴田 峻, 岡江 寛明, 北村 茜, 宮内 尚子, 有馬 隆博
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 北隆館／ニューサイエンス社