2019 Fiscal Year Annual Research Report
Regulation of gene expression program in the pluripotent embryos
| Project Area | Program of totipotency: From decoding to designing |
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| Project/Area Number |
19H05752
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
青木 不学 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20175160)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 遺伝子発現プログラム / 着床前初期胚 / DNA複製 / ヒストン変異体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
受精後の胚は遺伝子発現パターンをダイナミックに変化させながら発生を進めていくが、この発現パターンの変化はあらかじめプログラムされたものと考えられている。本研究は、そのプログラムの調節機構を明らかにすることを目的とするものであり、当該年度では特に１細胞期から2細胞期にかけての遺伝子発現の変化を調節するメカニズムの解明を試みた。これまでに、１細胞期胚では、トランスポゾンなど遺伝子間領域を含む広範な領域から転写が起こっており、2細胞期の後期では遺伝子間領域からの転写が激減し特定の遺伝子のみが多く発現していることが明らかとなっている。そしてこのような変化に2細胞期のDNA複製が関与していることが示されている。しかし、DNA複製がどのようなメカニズムでその変化を引き起こしているのかは明らかとなっていなかった。
本研究では、ヒストンH3の変異体であるH3.1/3.2に着目した。すなわち、H3.1/3.2は遺伝子発現の調節に関わっており（転写に抑制的に働く）、さらにDNA複製依存的にクロマチンに取り込まれることが知られている。また、報告者の他の研究プロジェクトにより、H3.1/3.2は1細胞期胚ではほとんど核局在が検出されないが2細胞期では顕著にみられることが明らかとなっている。そこで、2細胞期のDNA複製を抑制したところ、H3.1/3.2の核局在は1細胞期胚と同様に非常に低いレベルのままであった。次に、siRNAを用いてH3.1/3.2をノックダウンし、その遺伝子発現への影響を調べたところ、1細胞期胚で発現し2細胞後期で発現が減少するLINE１が2細胞後期でも依然としてその発現レベルを維持していた。したがって、１から2細胞期にかけての遺伝子発現プログラムの進行に、DNA複製依存的にクロマチンに取り込まれるH3.1/3.2が関与していることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の計画は、研究実績の項で記したように、1細胞期から2細胞期にかけての著しい遺伝子発現パターンの変化に関わるDNA複製依存のメカニズムを解明することであった。H3.1/3.2は遺伝子発現パターンに関与し、更にDNA複製依存的にクロマチンに取り込まれることから、これらをターゲットとして解析を行った。その結果、H3.1/3.2が2細胞期にクロマチンに取り込まれることにより、1細胞期で特徴的に見られるトランスポゾンの一過的な発現が抑制されていることが示唆された。このように、1から2細胞期にかけての遺伝子発現の変化が、DNA複製を介してH.1/3.2によるクロマチン構造の変化によって引き起こされるという知見は、受精後の遺伝子発現プログラムの調節機構の一端を解明したものと言える。
したがって、本研究プロジェクトは、ここまでの結果で十分な進展があったものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度に、H3.1/3/2がDNA複製依存的にクロマチンに取り込まれ、それがトランスポゾンの発現を抑制することが示されたが、この結果はRT-PCRによって得られたものであり、ゲノム全体の遺伝子発現状態を解析したものではなかった。しかし、研究実績の欄に記したように1細胞期胚の遺伝子発現の特徴は、ゲノムの広範な領域からのいわゆる無分別な転写であることから、網羅的な遺伝子発現解析が求められる。したがって、H3.1/3.2をノックダウンした胚でのRNAseq解析を行うことが重要と考えられる。さらに、そこで得られた網羅的な遺伝子発現パターンの情報とH3.1/3.2のゲノム上の局在を突き合わせることで、初めてH3.1/3.2の遺伝子発現プログラムへの関与の実態が明確になるものと考えられる。そこでH3.1/3.2について、CUT&RUNによる解析を行う。CUT&RUNはChIPに代わるものとして最近開発された手法であり、より少量のサンプルを用いてノイズの少ないデータを得ることができるものである。現在、初期胚を用いたCUT&RUNのシステムを当研究室で立ち上げているところである。
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