2016 Fiscal Year Annual Research Report
生殖幹細胞の減数分裂移行を制御するゲノム-エピゲノムプログラム
| Project Area | Analyses and regulation of germline epigenome |
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| Project/Area Number |
25112004
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中馬 新一郎 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 准教授 (20378889)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 減数分裂 / ゲノム / エピゲノム / 遺伝情報 / 生殖 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生殖系列サイクルにおいて減数分裂期は積極的にゲノムDNAを組換えると共にクロマチン構造の大規模な変換が起こる。生殖細胞がゲノム恒常性の維持から減数分裂組換えへと遺伝情報の制御転換を行う分子基盤の理解は進んでいない。研究代表者らはマウス生殖幹(GS)細胞が体細胞型増殖から第１減数分裂前期に効率良く移行する培養条件を作出した。この樹立細胞株であるGS細胞の第１減数分裂誘導系は分子生化学解析の有用な実験対象となる。哺乳類生殖細胞の減数分裂誘導は古典的にはレチノイン酸(RA)経路を介する事が明らかになっているが、RAはpleiotropicな効果を示し、例えば生殖細胞への分化能を持つ胚性多能性幹（ES）細胞では神経分化等を誘導し減数分裂は惹起されない。このため生殖細胞は減数分裂開始を可能とする分子プログラム（meiosis priming) を予め存在していて、RAをトリガーとして同プログラムのスイッチが入るものと考えられるが、その分子メカニズムは殆ど明らかとなっていない。本研究では、GS細胞とES細胞の分化誘導系および体細胞（胎仔繊維芽細胞等）を用いてRNA発現、ChIP-seqや相対定量プロテオーム解析によるマルチオミクス解析および機能候補遺伝子群のgain-of-function、loss-of-function実験を行い、生殖系列サイクルにおけるmeiosis prmingの基本的な分子メカニズムの解明を進めている。
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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
GS細胞とES細胞の分化誘導系および体細胞（繊維芽細胞等）を用いたRNA発現およびプロテオーム解析から、GS細胞は未分化な生殖幹細胞として体細胞型増殖を行う一方で、初期減数分裂の機能遺伝子群のサブセット(減数分裂期コヒーシンなど、class 1 meiosis genesと定義）をRA非依存的に発現する事が明らかとなった。一方、初期減数分裂の機能遺伝子群の別のサブセット（stra8、rec8など、class 2 meiosis genesと定義）は、GS細胞が体細胞型増殖を行う過程ではRNAおよび蛋白質発現が低レベルに抑制される一方、RA添加に応答して速やかに発現上昇が観察された。ヒストンH3K4me3、K9me3、K27me3、RNA polI などのChIPseq解析により、未分化状態のGS細胞および減数分裂誘導後のいずれにおいても減数分裂期の機能遺伝子群class1、2プロモーターは抑制的修飾やbivalant修飾を持たず、H3K4me3＋、H3K9me3-、K27me3-である事が明らかとなった。RARおよびアセチル化ヒストン等のChIPseq解析により、未分化GS細胞においてRARはRA非存在下で減数分裂期の機能遺伝子群のサブセット（主にclass2 meiosis genes)に結合しており抑制性の転写制御に関わる事、およびRA添加によりRNA発現上昇と相関してヒストンアセチル化が明瞭に上昇する事を見出した。更にRAは減数分裂期の機能遺伝子群の抑制に関与するMAXおよびE2F6のプロモータ結合を制御する事が明らかとなった。これらの結果から、GS細胞は未分化生殖幹細胞として体細胞型増殖を行う一方、初期減数分裂へ移行するためのエピゲノムプログラムをRA非依存的に予め獲得しており、RA刺激に応答して速やかに減数分裂の開始を統合して制御する事が明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
減数分裂では相同染色体対合やDN A組換え、また配偶子成熟へ向けたクロマチン構造の転換が行われると共に、次世代の個体発生のための遺伝情報が継承される。これらゲノム・エピゲノム制御がどの様に生殖細胞の増 殖分化プログラムと連携してコントロールされるのか分子基盤の解明は進んでいない。本年度はin vitro培養系のGS細胞の初期減数分裂誘導を用いて得られた上述の知見を基に、in vivoにおけるmeiosis prmingの分子基盤を明らかにする事を目標とする。特に、初期胚、胎仔生殖細胞、精原細胞、精子形成過程を対象にRNA発現と転写因子ネットワークおよびエピゲノム動態の詳細な時系列解析を行い、生殖系列サイクルを通じた体細胞分裂と減数分裂の発生制御および体細胞系譜との相違を明確に理解する事を目指す。生殖系列サイクルでは遺伝情報を出来るだけ安定に保護するメカニズムが働くものと考えられるが、その中でゲノムを大規模に組換え、クロマチン構造の変換が起こる減数分裂がどの様に適切にプログラムされまたどの様に体細胞分裂と減数分裂が連携しつつ細胞周期の制御転換が行われるのか、遺伝情報の継承と再編の制御メカニズムの全体像の基本的な把握を完了する事を本計画研究の最終年度の目標とする。
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[Journal Article] Mouse D1Pas1, a DEAD-box RNA helicase, is required for the completion of first meiotic prophase in male germ cells2016
Author(s)
Inoue H, Ogonuki N, Hirose M, Hatanaka Y, Matoba S, Chuma S, Kobayashi K, Wakana S, Noguchi J, Inoue K, Tanemura K, *Ogura A
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Journal Title
Biochem Biophys Res Commun
Volume: 478
Pages: 592-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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