Understanding the biological significance of epigenetic programming during spermiogenesis

• Project/Area Number: 18J00122
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Laboratory animal science
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 羽田 政司 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 胚対外組織 / 体細胞核移植法 / H3K9me3 / 高次クロマチン構造 / ヘテロクロマチン / ヒストンバリアント / TS細胞 / 一細胞遺伝子発現解析 / 精子 / エピジェネティクス / 円形精子細胞 / 胚発生 / 微量遺伝子発現解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、精子のエピゲノム情報が、精子核凝集の過程で次世代胚のためにプログラムされていることを示すことである。このために、未熟な精子細胞である円形精子細胞を顕微授精させ、未熟なエピゲノム情報のプログラムが及ぼす次世代胚発生への影響を解析する予定であった。しかし、2018年度の結果から、円形精子細胞の顕微授精による胚の発生効率は、成熟精子を用いた顕微授精によるものと大きな差がないことが分かり、円形精子細胞由来胚の低発生効率を指標とした解析が困難であることがわかった。そこで本研究課題の目的である精子エピゲノム情報、すなわち正常な配偶子のエピゲノム情報が次世代胚発生に重要であることを示すため、異常なエピゲノム情報に起因する胚発生異常モデルとして体細胞核移植胚の解析を行うこととした。
体細胞核移植技術とは分化した体細胞の核を未受精卵に導入することで、クローン個体を形成させる技術である。クローン胚の発生効率は核移植ドナーとして用いた体細胞の種類に依存することが知られているが、当研究室の未発表結果から胚体外組織系列の細胞を用いた場合、クローン胚の発生効率が特に低くなることがわかっている。そこで本年度はこの原因として、抑制的なエピゲノム情報であるH3K9me3に着目し、胚体外組織系列におけるその特殊性について解析した。胚体外組織系列の細胞として、栄養膜幹細胞 (TS細胞) をドナー細胞に用いた。胚盤胞期までの発生効率を検討したところ、TS細胞ではわずか4.3%であったが、H3K9me3の脱メチル化酵素を過剰発現させることにより、59.1%まで改善した。TS砂防を用いてChIPseq解析を行ったところ、TS細胞ではH3K9me3の大きなドメイン構造が形成されている事が分かりこれらが体細胞核移植後のリプログラミングに特に強い抵抗性を示すことが示唆された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Loss of H3K27me3 imprinting in the Sfmbt2 miRNA cluster causes enlargement of cloned mouse placentas (2020)
  • Author(s): Inoue Kimiko、Ogonuki Narumi、Kamimura Satoshi、Inoue Hiroki、Matoba Shogo、Hirose Michiko、Honda Arata、Miura Kento、Hada Masashi、Hasegawa Ayumi、Watanabe Naomi、Dodo Yukiko、Mochida Keiji、Ogura Atsuo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2150-2150
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16044-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Germ cell depletion in recipient testis has adverse effects on spermatogenesis in orthotopically transplanted testis pieces via retinoic acid insufficiency (2020)
  • Author(s): Tsuchimoto Akihiro、Tone Masaaki、Ogonuki Narumi、Hada Masashi、Ogura Atsuo、Takashima Seiji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 10796-10796
  • DOI: 10.1038/s41598-020-67595-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Aberrant imprinting in mouse trophoblast stem cells established from somatic cell nuclear transfer-derived embryos (2018)
  • Author(s): Hirose Michiko、Hada Masashi、Kamimura Satoshi、Matoba Shogo、Honda Arata、Motomura Kaori、Ogonuki Narumi、Shawki Hossam H.、Inoue Kimiko、Takahashi Satoru、Ogura Atsuo
  • Journal Title: Epigenetics Volume: 13 Issue: 7 Pages: 693-703
  • DOI: 10.1080/15592294.2018.1507199
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Re-evaluating the Localization of Sperm-Retained Histones Revealed the Modification-Dependent Accumulation in Specific Genome Regions. (2018)
  • Author(s): Yamaguchi K, Hada M, Fukuda Y, Inoue E, Makino Y, Katou Y, Shirahige K, Okada Y.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 23(13) Issue: 13 Pages: 3920-3932
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.05.094
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 胚体外組織におけるヒストンH3バリアントH3.1/2の機能解析 (2020)
  • Author(s): 1),羽田政司, 中戸隆一郎, 岡江寛明, 廣瀬美智子, 有馬隆博, 白髭克彦, 小倉淳郎
  • Organizer: 第113回日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] Analysis of the physiological role of histone variant H3.1/2 in extraembryonic lineage (2019)
  • Author(s): Masashi Hada, Ryuichiro Nakato, Michiko Hirose, Katsuhiko Shirahige, Atsuo Ogura
  • Organizer: Germinal Stem Cell Biology, Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of the physiological role of histone variant H3.1/2 in the extraembryonic lineage (2019)
  • Author(s): Masashi Hada, Ryuichiro Nakato, Michiko Hirose, Katsuhiko Shirahige, Atsuo Ogura
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 胚体外組織系列におけるヒストンH3.1/2の機能解析 (2019)
  • Author(s): 羽田政司、小倉淳郎
  • Organizer: 全能性プログラム：デコーディングからデザインへ 若手勉強会2019
• [Presentation] Analysis of the physiological role of histone variant H3.1/2 in extraembryonic lineage (2019)
  • Author(s): Masashi Hada, Ryuichiro Nakato, Michiko Hirose, Katsuhiko Shirahige, and Atsuo Ogura
  • Organizer: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
• [Presentation] Characterization of differentially expressed genes betweenIVF- and SCNT-derived TS cells by single cell RNA-seq analysis (2018)
  • Author(s): Masashi Hada, Michiko Hirose, Satoshi Kamimura, and Atsuo Ogura
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会