2020 Fiscal Year Annual Research Report
全能性プログラムにおけるエピゲノム再編成の理解とその人為的制御
| Project Area | Program of totipotency: From decoding to designing |
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| Project/Area Number |
19H05756
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
石内 崇士 九州大学, 生体防御医学研究所, 助教 (80612100)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 全能性 / エピゲノム / 転写 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、受精卵に特有の全能性の理解のために、受精卵の有するエピゲノム状態およびそれと連動する転写状態を明らかにすることを重視している。このために、微量エピゲノム解析法であるultra-low-input ChIP-seq法やCUT&RUN法を確立し、受精卵へと適用することに成功している。特に本研究では、受精卵ではクロマチン脱凝縮が顕著であることから、クロマチンを脱凝縮させる活性を示すヒストンH3バリアントのH3.3のゲノム上の分布を調べた。その結果、成熟卵子および受精後の１細胞期胚においては、H3.3の分布が他の細胞では見られない非典型パターンを示すこと、さらにそのパターンは2細胞期になると典型パターンへと即座に移行することが明らかとなった。また、そのH3.3の分布パターンの変化には2細胞期で生じる胚性ゲノム活性化（Zygotic genome activation）は不要であるものの、2細胞期でのDNA複製と共役したH3.1/H3.2の取り込みが重要であることが明らかとなった。さらに、ES細胞を用いた解析から、ES細胞においてH3.1/H3.2の取り込みを抑制することで、非典型パターンに類似した状態を誘導できることを見出し、これによって受精卵に特有のH3.3の分布は受精後に特有の転写状態の形成に重要であることを示唆する結果を得た。
以上に加え、本研究では受精後発生における転写パターンの変化を正確に捉えるための手法の開発にも取り組んだ。新規に合成されたRNA（nascent RNA）のみを網羅的に検出することのできる方法を開発し、１００個のES細胞で質の高いデータを得ることができている。
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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
H3.3に対する微量ChIP-seq法を適用することで、目的としていたヒストンバリアントH3.3の受精後発生におけるダイナミクスを明らかにした。これにより受精直後の胚では非典型なH3.3の分布様式（非典型パターン）が存在することを見出した。また、この分布様式は卵子の成長と成熟過程で徐々に形成されていくこと、さらに、受精後の2細胞期においてはH3.3の分布が典型パターンへと変化することが明らかとなった。さらに、培養下のES細胞において、このクロマチン構築経路に対し人為的な操作を加えることで、ES細胞のH3.3のパターンを1細胞期胚のパターンに類似させることができることも見出した。これらの成果は論文として発表した（Ishiuchi et al., Nat Struct Mol Biol 2021）。本成果は、本領域の目指す全能性のデコーディングとデザインに対して重要な知見となるものである。また、微量エピゲノム解析法、微量nascent RNA解析法開発の取り組みも順調に進んでおり、すでに100細胞で可能なMNase-seq法（ヌクレオソーム位置決定技術）と微量nascent RNA解析法の確立に成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
受精後発生におけるヒストンバリアントH3.3のダイナミクスについては、受精前後で大きな変化を見出し、さらにその背景にある分子機構を明らかにすることができたため論文として発表した。一方で、H3.3の形成する非典型パターンの生物学的意義についてはまだ詳細な解析が必要であるため、遺伝子改変マウスを作製することによりさらなる解析をすすめる。また、H3.3の分布のダイナミックな変化がクロマチン構造変化に寄与することが考えられるため、微量MNase-seq法を用い、受精後胚におけるヌクレオソーム位置の解析をすすめる。これについては必要なデータは得られており、早期の論文発表を目指す。微量nascent RNA-seq法については、ES細胞でのバリデーションが完了しており、受精後胚にその手法を適用する。このデータを詳細に解析することによって、恒常的に発現すると考えられてきた遺伝子や発現に時期特異性のある遺伝子について、実際にどの時期にそれほどの量で転写されるのかを明確にし、受精後発生における転写ダイナミクスの正確な理解につなげる。さらには、受精胚に特有の転写状態を形成するためのエピゲノム要素や、受精後胚に特有の転写物が有する機能を解明することで、全能性の分子レベルでの理解を目指す。
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