Comparative imprintome analysis between mammalian species reveals functional diversity of genomic imprinting

• Project/Area Number: 23K21282
• Project/Area Number (Other): 21H02382 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 42030:Animal life science-related
• Research Institution: Nara Medical University
• Principal Investigator: 小林 久人 奈良県立医科大学, 医学部, 准教授 (70632727)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: ゲノム刷り込み / エピゲノム / DNAメチル化 / 種間比較 / 胎盤 / 胚発生 / ラット

Outline of Research at the Start

ラット・ウサギ・霊長動物の包括的な生殖エピゲノムおよびゲノム刷り込み機構の解明を目指す。各動物種のインプリントーム（刷り込みを受ける遺伝子座・領域の全容）比較により、種特異的なインプリント遺伝子の同定とそれらの生物学的意義を明らかにし、種多様性をもたらすゲノム的要因の特定を目標とする

Outline of Annual Research Achievements

ネズミ目間の刷り込み（インプリント）遺伝子の全容を明らかにするため、ラット（BN×WKY/NCrlおよびBN×F344/N交雑）およびマウス（C57BL/6N×JF1交雑）の二系統交雑F1ハイブリット原腸胚より胚盤葉上層（エピブラスト）と胎盤外円錐（胚体外組織の一部）をそれぞれ単離し、父・母由来を区別化した対立遺伝子（アレル）特異的なトランスクリプトーム・DNAメチローム解析を実行した。作製したラット・マウスのインプリント遺伝子全容（インプリントーム）マップの比較により、ラット・マウス間でよく保存されたインプリント遺伝子を複数同定するとともに、ラット特異的にインプリントを受ける８遺伝子を同定した。これらの遺伝子はすべて胚体外組織特異的に父由来アレル特異的な発現を示すことから、進化の過程における刷り込み機構の胎盤での機能的多様性との関わりを彷彿させるものであった。また卵子のエピゲノム解析および胎盤外円錐のDNAメチローム解析結果より、これらの新規インプリント遺伝子は卵子のヒストン修飾H3K27me3の制御下（non-canonical imprinting）にあることが明らかとなった。このように、世界初のラットインプリントーム解析により、ネズミ目間のインプリンティングの保存性と多様性を明らかにし、特に多様性についてはゲノムおよび卵子エピゲノムの種間差に起因することが示された。これらの成果はゲノムワイドなインプリント遺伝子の解析を現時点で明らかにされているマウス・ラット・ハムスターなどをまとめ、論文として発表した（Richard Albert J et al., Genome BIology 2023）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

採択より２年間の間に、齧歯類（マウス、ラット、ハムスターなど）におけるインプリント遺伝子についてまとめた総説論文（Kobayashi H, Front. Cell. Dev. Biol. 2021）、共同研究でトランスクリプトーム解析を担当した、ラットの試験管内生殖細胞再構築系の確立についての論文（Oikawa M et al., Science 2022）、ラットのインプリントームマップ解析結果の論文（Richard Albert J et al., Genome BIology 2023）が掲載されるなど、ラットをベースとした種横断的な解析が高く評価されている。想定より速いペースで研究業績を挙げており、予想以上の研究成果が上がることが期待される。

Strategy for Future Research Activity

現在、ラットに引き続き、ハイブリッドウサギのアレル特異的なトランスクリプトーム・DNAメチローム解析を進めている。さらにウサギ卵子のエピゲノム解析を合わせて、ウサギのインプリントームマップを作成し、エピゲノムの相違点とインプリント遺伝子との関わりについて調査する。また、霊長動物（具体的にはアカゲザル・チンパンジー）の胎盤に加え、ウシ・ブタ・オポッサムなどの多様な哺乳動物の胚体外組織を入手出来ており、それらのトランスクリプトームあるいはインプリントーム解析により、幅広い視野で種特異的な刷り込み遺伝子の成立機序について調査する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] パリ・シテ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] パリ大学(フランス)
• [Journal Article] Conservation and divergence of canonical and non-canonical imprinting in murids (2023)
  • Author(s): Richard Albert Julien、Kobayashi Toshihiro、Inoue Azusa、Monteagudo-S?nchez Ana、Kumamoto Soichiro、Takashima Tomoya、Miura Asuka、Oikawa Mami、Miura Fumihito、Takada Shuji、Hirabayashi Masumi、Korthauer Keegan、Kurimoto Kazuki、Greenberg Maxim V. C.、Lorincz Matthew、Kobayashi Hisato
  • Journal Title: Genome Biology Volume: 24 Issue: 1 Pages: 48-48
  • DOI: 10.1186/s13059-023-02869-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ADAD2 functions in spermiogenesis and piRNA biogenesis in mice (2023)
  • Author(s): Lu Yonggang、Nagamori Ippei、Kobayashi Hisato、Kojima‐Kita Kanako、Shirane Kenjiro、Chang Hsin‐Yi、Nishimura Toru、Koyano Takayuki、Yu Zhifeng、Casta?eda Julio M.、Matsuyama Makoto、Kuramochi‐Miyagawa Satomi、Matzuk Martin M.、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Andrology Volume: 11 Issue: 4 Pages: 698-709
  • DOI: 10.1111/andr.13400
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Upregulated Ribosomal Pathway Impairs Follicle Development in a Polycystic Ovary Syndrome Mouse Model: Differential Gene Expression Analysis of Oocytes (2023)
  • Author(s): Nakanishi N, Osuka S, Kono T, Kobayashi H, Ikeda S, Bayasula B, Sonehara R, Murakami M, Yoshita S, Miyake N, Muraoka A, Kasahara Y, Murase T, Nakamura T, Goto M, Iwase A, Kajiyama H.
  • Journal Title: Reprod Sci Volume: 30 Issue: 4 Pages: 1306-1315
  • DOI: 10.1007/s43032-022-01095-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Repeated translocation of a supergene underlying rapid sex chromosome turnover in <i>Takifugu</i> pufferfish (2022)
  • Author(s): Kabir Ahammad、Ieda Risa、Hosoya Sho、Fujikawa Daigaku、Atsumi Kazufumi、Tajima Shota、Nozawa Aoi、Koyama Takashi、Hirase Shotaro、Nakamura Osamu、Kadota Mitsutaka、Nishimura Osamu、Kuraku Shigehiro、Nakamura Yasukazu、Kobayashi Hisato、Toyoda Atsushi、Tasumi Satoshi、Kikuchi Kiyoshi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 23 Pages: 1901-1909
  • DOI: 10.1073/pnas.2121469119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional primordial germ cell?like cells from pluripotent stem cells in rats (2022)
  • Author(s): Oikawa Mami、Kobayashi Hisato、Sanbo Makoto、Mizuno Naoaki、Iwatsuki Kenyu、Takashima Tomoya、Yamauchi Keiko、Yoshida Fumika、Yamamoto Takuya、Shinohara Takashi、Nakauchi Hiromitsu、Kurimoto Kazuki、Hirabayashi Masumi、Kobayashi Toshihiro
  • Journal Title: Science Volume: 376 Issue: 6589 Pages: 176-179
  • DOI: 10.1126/science.abl4412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Frond and Flower Development and Identification of FT and FD Genes From Duckweed Lemna aequinoctialis Nd (2021)
  • Author(s): Yoshida Akiko、Taoka Ken-ichiro、Hosaka Aoi、Tanaka Keisuke、Kobayashi Hisato、Muranaka Tomoaki、Toyooka Kiminori、Oyama Tokitaka、Tsuji Hiroyuki
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 697206-697206
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.697206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deciphering two rounds of cell lineage segregations during bovine preimplantation development (2021)
  • Author(s): Akizawa Hiroki, Saito Shun, Kohri Nanami, Furukawa Eri, Hayashi Yoshihiro, Bai Hanako, Nagano Masashi, Yanagawa Yojiro, Tsukahara Hayato, Takahashi Masashi, Kagawa Shinjiro, Kawahara‐Miki Ryouka, Kobayashi Hisato、Kono Tomohiro、Kawahara Manabu
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 35 Issue: 10
  • DOI: 10.1096/fj.202002762rr
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Canonical and Non-canonical Genomic Imprinting in Rodents (2021)
  • Author(s): Kobayashi Hisato
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9 Pages: 713878-713878
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.713878
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dorso-ventral heterogeneity in tracheal basal stem cells. (2021)
  • Author(s): Tadokoro T, Tanaka K, Osakabe S, Kato M, Kobayashi H, Hogan BLM, Taniguchi H.
  • Journal Title: Biology Open Volume: 10 Issue: 9
  • DOI: 10.1242/bio.058676
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) and machine learning application for early pregnancy detection using bovine vaginal mucosal membrane (2021)
  • Author(s): Kunii Hiroki, Kubo Tomoaki, Asaoka Natsuki, Balboula Ahmed Z, Hamaguchi Yu, Shimasaki Tomoya, Bai Hanako, Kawahara Manabu, Kobayashi Hisato, Ogawa Hidehiko, Takahashi Masashi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 569 Pages: 179-186
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.07.015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] マウス・ラット間におけるカノニカル・非カノニカル型刷り込み機構の保存性と多様性 (2022)
  • Author(s): 小林久人
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会
• [Presentation] ラットのゲノムワイドなインプリントーム解析 (2022)
  • Author(s): 小林久人
  • Organizer: 第115回 日本繁殖生物学会大会