Omics approaches towards elucidation of the molecular network regulating the developmental capacity of the mammalian oocyte

• Project/Area Number: 18H05214
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 佐々木 裕之 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (30183825)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 丸山 修 九州大学, 芸術工学研究院, 准教授 (20282519)
• Project Period (FY): 2018-04-23 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥508,560,000 (Direct Cost: ¥391,200,000、Indirect Cost: ¥117,360,000); Fiscal Year 2020: ¥88,790,000 (Direct Cost: ¥68,300,000、Indirect Cost: ¥20,490,000); Fiscal Year 2019: ¥145,340,000 (Direct Cost: ¥111,800,000、Indirect Cost: ¥33,540,000); Fiscal Year 2018: ¥118,300,000 (Direct Cost: ¥91,000,000、Indirect Cost: ¥27,300,000)
• Keywords: 卵子 / オミックス / ゲノム編集 / 機械学習 / 発生

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではゲノム編集、多階層オミックス解析、機械学習などの手法を駆使し、マウスの卵子形成と受精後の発生を支えるプログラム、特に抑制型の遺伝子制御プログラムを確立・維持する分子ネットワークを明らかにする。初年度は、従来から進めていたマウス卵子で発現するヒストンH3K9メチル化酵素G9aの研究を完了して論文化した（Cell Rep. 2019）。その成果として、ヒストンH3K9me2が卵子のヘテロクロマチン再構成と受精後の染色体分配に必須であること、また、定説とは異なり、H3K9me2はDNAメチル化の保護因子ではない（体細胞の制御ネットワークとは異なる）ことを明らかにした。また、共同研究者によるヒト人工多能性幹細胞から卵原細胞を誘導する研究を支援し、その過程におけるDNAメチル化の動態を明らかにした（Science 2018）。すなわち、ゲノムワイドなDNA脱メチル化、インプリント消去、X染色体の再活性化など生体内の卵子で生じる変化が、培養皿内の卵子誘導過程において再現されていることを示した。以上に加え、ヒストンH3K36メチル化酵素Setd2の卵子特異的ノックアウトを完成させ、ゲノム編集によりDNAメチル化酵素Dnmt3a及びメチル化維持因子Uhrf1のヒストン修飾認識ドメイン及び触媒ドメインの変異マウスを作成した。これらの変異マウスから高品質の細胞を分離するためセルソーターを購入し、エピゲノムやトランスクリプトーム解析を効率よく実施するため最新鋭の次世代シーケンサーを導入した（部局経費などとの合算によるリース契約）。また、卵子・胚盤胞のDNAメチル化データを利用して、機械学習に関する予備的解析を実施した。最後に、本研究で取り上げているゲノム刷り込みの生理的な過程について、国際的な共著チームに参加して現状のまとめと展望を行なった（Cell 2019）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ゲノム編集による抑制型プログラムを確立・維持する因子の変異マウスの作成、表現型解析、多階層オミックス解析は当初計画どおり進捗した。しかし、この研究分野にも多くの研究者が参入しつつあり、体細胞におけるDNAメチル化酵素Dnmt3aのPWWPドメイン（ヒストンH3K36me3を認識すると推測される）の変異が小人症を起こすという我々の未発表データと同じ結果が最近Nat. Genet.誌に報告された。本来の目的である卵子における研究も競争状態にある可能性が高く、早期の論文化を目指す。また、卵子特異的なヒストンH3K36メチル化酵素Setd2の変異についても競合相手がいる可能性があり、現在情報を収集している。機械学習によるエピジェネティック伝達の予測については、決定木などを用いた予備的解析を当初の計画どおり実施した。その過程で、既存データの厚み（データサイズ）不足が明らかになり、全ゲノムDNAメチル化解析を追加実施する必要が判明した。全体としておおむね順調に進展しているが、今後は研究をさらに加速したい。

Strategy for Future Research Activity

当初計画に従って研究を進めるが、Dnmt3aのPWWPドメイン変異マウスの早期論文化を優先する。また、Setd2変異マウスについては、競合相手からの情報収集の結果に基づいて今後の方針を再検討する。受精後の卵割や染色体分配の異常は多くの変異マウスで共通に見られる表現型であるため、リアルタイム解析を効率よく実施できるオールインワン顕微鏡を導入する予定である。また、機械学習のためのデータの厚み（データサイズ）不足を解消するため、胚盤胞の全ゲノムDNAメチル化解析を早期に追加実施する。この実験には初年度にリースで導入した最新鋭の次世代シーケンサーを活用し、安価で効率よくデータを追加できる予定である。また、マウスの発生プログラムやエピゲノム解析の経験があり、機械学習・数理モデリングの素養のある博士研究員1名を雇用できる見込みが立ったため、この方面の研究を一段と加速する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Molecular Genetics/CNRS/University of Montpellier(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of British Columbia(カナダ)
• [Journal Article] Histone H3K9 Methyltransferase G9a in Oocytes Is Essential for Preimplantation Development but Dispensable for CG Methylation Protection (2019)
  • Author(s): Au Yueng, W.K., Brind’Amour, J., Hatano, Y., Yamagata, K., Feil, R., Lorincz, M.C., Tachibana, M., Shinkai, Y. & Sasaki, H.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 27 Pages: 282-283
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.03.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genomic imprinting and physiological processes in mammals (2019)
  • Author(s): Tucci, V., Isles, A.R., Kelsey, G., Ferguson-Smith, A.C., Bartolomei, M.S, Benvenisty, N., Bourc’his, D., Charalambous, M., Dulac, C., Feil, R., Glaser, J., Huelsmann, L., John, R.M., McNamara, G.I., Moorwood, K., Muscatelli, F., Sasaki, H., Strassmann, B.I., Vincenz, C., Wilkins, J.
  • Journal Title: Cell Volume: 176 Pages: 952-965
  • DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.043
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of human oogonia from induced pluripotent stem cells in vitro (2018)
  • Author(s): 30.Yamashiro C, Sasaki K, Yabuta Y, Kojima Y, Nakamura T, Okamoto I, Yokobayashi S, Murase Y, Ishikura Y, Shirane K, Sasaki H, Yamamoto T, Saitou M.
  • Journal Title: Science Volume: 362(6412) Pages: 356-360
  • DOI: 10.1126/science.aat1674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] エピジェネティクスと蛋白質生合成の制御. (2018)
  • Author(s): 阿部周策，佐々木裕之
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 267 Pages: 893-897
• [Presentation] Role of UHRF1 in de novo DNA methylation in oocytes and maintenance methylation in preimplantation embryos. (2018)
  • Author(s): Sasaki, H.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference: Chromatine, Epigenetics & Transcription 2018 (Suzhou)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] エピジェネティクスと細胞記憶と疾患 (2018)
  • Author(s): 佐々木裕之
  • Organizer: 平成30年度日本生化学会九州支部例会（福岡）
  • Invited
• [Presentation] エピジェネティクスと細胞記憶と疾患 (2018)
  • Author(s): 佐々木裕之
  • Organizer: 第60回歯科基礎医学会学術大会（福岡）
  • Invited
• [Presentation] Distinct roles of epigenetic regulators in mouse oocytes and somatic sells. (2018)
  • Author(s): Sasaki, H.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Meeting: Epigenetics & Chromatin (New York)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Histone H3K9 methyltransferase G9a in oocyte is essential for preimplantation development but dispensable for CG methylation protection. (2018)
  • Author(s): Au Yeung, W.K., Brind'Amour, J., Hatano, Y., Yamagata, K., Feil, R., Lorincz, M.C., Tachibana, M., Shinkai, Y., Sasaki, H.
  • Organizer: International Human Epigenome Consortium Annual Meeting 2018 (Hong Kong)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 九州大学生体防御医学研究所エピゲノム制御学分野
  • URL: http://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/epigenome/
• [Remarks] 九州大学芸術工学研究院丸山研究室
  • URL: http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~maruyama/