内在性レトロウイルスによる宿主ゲノムのクロマチン再構築機構

• Project Area: Mechanisms underlying replication of non-genomic codes that mediate plasticity and robustness for cellular inheritance
• Project/Area Number: 22H04700
• 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: Keio University
• Principal Investigator: 坂下 陽彦 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 助教 (60893873)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 全能性制御 / 初期発生 / 内在性レトロウイルス / クロマチン構造変化 / トランスクリプトーム / エピゲノム制御 / クロマチンポテンシャル / 細胞分化 / クロマチン / MERVL

Outline of Research at the Start

全能性とは、あるひとつの細胞がいかなる細胞種にも分化できる能力を指し、我々ヒトを含む哺乳動物においては、その後個体になる受精卵のみが唯一全能性を発揮できる。しかしながら、その性質や機能を担保する分子機構は現在まで全く明らかにされておらず、どのように哺乳動物胚が発生を開始し、多様な細胞系譜によって構成される「個体」を形成するか未解明である。本課題で私は、生物進化の過程で感染した内在性レトロウイルス (ERVs) による宿主ゲノム制御という新たな観点から、受精卵特有の全能性制御機構の解明を目指す。特に、全能性期特異的に発現するERVsの一種であるMERVLの機能的意義に着目し、研究を展開する。

Outline of Annual Research Achievements

全能性とは、あるひとつの細胞がいかなる細胞種へも分化でき、自律的に個体を形成できる能力であり、哺乳動物においては、受精卵のみが全能性を発揮できる唯一の細胞である。興味深いことに、生物進化の過程で宿主ゲノムに感染し組み込まれた内在性レトロウイルス (Endogenous Retroviruses : ERVs) の一種であるMERVLが、全能性期特異的に一過的に発現する。この特性からMERVLはその発現細胞が全能性を保有するかどうか識別するためのマーカーとして多くの研究で繁用されてきた一方で、ゲノム中に数百~数千コピー存在するERVsを標的することの困難さにより、MERVLはあくまで単なる『全能性マーカー』に過ぎないと結論付けられ、その機能的意義の追求はほとんど行われてこなかった。本研究では、ゲノム中に散在するMERVLを含む転移因子を高効率に標的する多コピー遺伝子解析技術を開発し、MERVL ノックダウン (KD) 胚における表現型解析およびトランスクリプトーム・エピゲノム解析を実施した。その結果、(1) MERVL-KD胚では、初期発生過程において細胞分化やゲノム安定性の維持に異常が観られ、胚盤胞期より以前に胚性致死を呈すこと、(2) さらにRNA-seqおよびATAC-seqによる統合的オミクス解析を通じて、MERVL-KD胚では、本来厳密に制御を受けているはずの全能性期特異的遺伝子の発現やその転写開始点近傍のオープンクロマチン状態が発生の進行を経ても異所的に維持され続けていることが明らかになった。本研究で打ち出したERVsによる個体発生制御という新たな観点が、発生生物学分野でのさらなる発見に寄与することが期待できる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The EZH2?PRC2?H3K27me3 axis governs the endometrial cell cycle and differentiation for blastocyst invasion (2023)
  • Author(s): Fukui Yamato、Hirota Yasushi、Aikawa Shizu、Sakashita Akihiko、Shimizu-Hirota Ryoko、Takeda Norihiko、Ishizawa Chihiro、Iida Rei、Kaku Tetsuaki、Hirata Tomoyuki、Hiraoka Takehiro、Akaeda Shun、Matsuo Mitsunori、Osuga Yutaka
  • Journal Title: Cell Death & Disease Volume: 14 Issue: 5 Pages: 320-320
  • DOI: 10.1038/s41419-023-05832-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PRC1 suppresses a female gene regulatory network to ensure testicular differentiation (2023)
  • Author(s): Maezawa So、Yukawa Masashi、Hasegawa Kazuteru、Sugiyama Ryo、Iizuka Mizuho、Hu Mengwen、Sakashita Akihiko、Vidal Miguel、Koseki Haruhiko、Barski Artem、DeFalco Tony、Namekawa Satoshi H.
  • Journal Title: Cell Death & Disease Volume: 14 Issue: 8
  • DOI: 10.1038/s41419-023-05996-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polycomb protein SCML2 mediates paternal epigenetic inheritance through sperm chromatin (2023)
  • Author(s): Sakashita Akihiko、Ooga Masatoshi、Otsuka Kai、Maezawa So、Takeuchi Chikara、Wakayama Sayaka、Wakayama Teruhiko、Namekawa Satoshi?H
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 51 Issue: 13 Pages: 6668-6683
  • DOI: 10.1093/nar/gkad479
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] KRAB-zinc-finger proteins regulate endogenous retroviruses to sculpt germline transcriptomes and genome evolution (2023)
  • Author(s): Otsuka Kai、Sakashita Akihiko、Maezawa So、Schultz Richard M.、Namekawa Satoshi H.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.06.24.546405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CTCF-mediated 3D chromatin predetermines the gene expression program in the male germline (2023)
  • Author(s): Kitamura Yuka、Takahashi Kazuki、Maezawa So、Munakata Yasuhisa、Sakashita Akihiko、Kaplan Noam、Namekawa Satoshi H.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2023.11.30.569508
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcription of MERVL retrotransposons is required for preimplantation embryo development (2023)
  • Author(s): Sakashita Akihiko、Kitano Tomohiro、Ishizu Hirotsugu、Guo Youjia、Masuda Harumi、Ariura Masaru、Murano Kensaku、Siomi Haruhiko
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 55 Issue: 3 Pages: 484-495
  • DOI: 10.1038/s41588-023-01324-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mouse embryonic development requires transposable element expression (2023)
  • Author(s): Akihiko Sakashita、Haruhiko Siomi
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 55 Issue: 3 Pages: 367-368
  • DOI: 10.1038/s41588-023-01326-w
• [Journal Article] Bioinformatics Pipelines for Identification of Super-Enhancers and 3D Chromatin Contacts (2022)
  • Author(s): Sakashita Akihiko、Takeuchi Chikara、Maezawa So、Namekawa Satoshi H.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 2577 Pages: 123-146
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2724-2_9
  • ISBN: 9781071627235, 9781071627242
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of endogenous retroviral enhancers in mouse embryos derived from somatic cell nuclear transfer (2022)
  • Author(s): Shikata Daiki、Matoba Shogo、Hada Masashi、Sakashita Akihiko、Inoue Kimiko、Ogura Atsuo
  • Journal Title: Frontiers in Genetics Volume: 13 Pages: 1032760-1032760
  • DOI: 10.3389/fgene.2022.1032760
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PRC1-mediated epigenetic programming is required to generate the ovarian reserve (2022)
  • Author(s): Hu Mengwen、Yeh Yu-Han、Munakata Yasuhisa、Abe Hironori、Sakashita Akihiko、Maezawa So、Vidal Miguel、Koseki Haruhiko、Hunter Neil、Schultz Richard M.、Namekawa Satoshi H.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31759-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 種固有の個体発生制御を担う内在性レトロウイルス機能の探索 (2023)
  • Author(s): 坂下陽彦
  • Organizer: 第46回 分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 転移因子が駆動する哺乳動物の個体発生 (2023)
  • Author(s): 坂下 陽彦
  • Organizer: 東海医学会
  • Invited
• [Presentation] Regulation of host gene expression and cell fate by endogenous retrovirus during early stage of embryonic development (2022)
  • Author(s): Akihiko Sakashita
  • Organizer: The 1st international symposium of Non-Genome Replication
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マウス初期発生胚における内在性レトロウイルスを介した宿主ゲノム制御機構 (2022)
  • Author(s): 坂下 陽彦
  • Organizer: 第94回 日本遺伝学会大会シンポジウム
  • Invited
• [Book] 実験医学2023年9月号 (2023)
  • Author(s): 坂下陽彦、石津大嗣
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758125710
• [Book] in vitroにおける個体発生の再構成をめざして (2023)
  • Author(s): 坂下陽彦
  • Total Pages: 1
  • Publisher: ファルマシア 2023 年 59 巻 6 号