Omics approaches towards elucidation of the molecular network regulating the developmental capacity of the mammalian oocyte

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H05214
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 佐々木 裕之 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (30183825)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 丸山 修 九州大学, 芸術工学研究院, 准教授 (20282519)
• Project Period (FY): 2018-04-23 – 2023-03-31
• Keywords: 卵子 / オミックス / ゲノム編集 / 機械学習 / 発生

Outline of Annual Research Achievements

令和元年度（２年目）は、まずヒストンH3K9メチル化酵素G9a及びSetdb1が触媒するヒストンH3K9me2/3修飾が卵子クロマチンの高次構造の形成に必要であるとの仮説のもと、これらの酵素を欠損した卵子を提供して、清華大学を中心とする国際共同研究を行った。その結果、H3K9me2/3ではなくポリコム複合体2が触媒するH3K27me3が重要であることが判明し、その結果を共著論文として発表した（Mol. Cell 2020）。一方、ヒストンH3K36メチル化酵素Setd2欠損卵子の解析を開始したが、上述の清華大学のグループが我々の作業仮説「H3K36me3がDNAメチル化パターンの確立に必須である」を証明したため、次の課題である「H3K36me3の読み取り」に注力することとした。
Dnmt3aのPWWPドメイン（H3K36me3読み取り）及びADDドメイン（非修飾H3K4の認識）の変異マウス、メチル化維持因子Uhrf1の各ドメインの変異マウスの解析を実施した。PWWP変異マウスは小人症を呈し、卵子では異所性DNA高メチル化が見られることを発見し、詰めの解析を急いでいる。これらの因子の解析に加えて、推定上のリプログラミング因子Stellaの欠損卵子について、発生学的な表現型解析と多階層のオミックス解析を実施した。また、エピゲノム研究に有用な微量ChIP-seq法の現状を紹介する和文の総説を発表した（臨床免疫・アレルギー科 2019）。
エピジェネティック伝達の予測については、データの厚み不足を補うため全ゲノムDNAメチル化解析を追加実施した。メチル化の標的配列から計算される種々の特徴量を設計し、特徴ベクトルを入力とするメチル化・非メチル化の分類モデルの学習と評価を行った。
上記の研究に、購入したオールインワン蛍光顕微鏡、及びリース契約している高速シーケンサーを活用した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新型コロナウイルス感染の影響により、マウスを用いる研究に一部遅滞が生じているが、ゲノム編集による抑制型プログラムを確立・維持する因子の変異マウスの作成、表現型解析、多階層オミックス解析についてほぼ当初計画どおり進めることができた。ヒストンH3K36メチル化酵素Setd2の欠損卵子については、清華大学のグループが先行して我々の作業仮説である「H3K36me3がDNAメチル化パターンの確立に必須である」を証明したため、この結果の再現を試みるより、次の課題である「DNAメチル化酵素Dnmt3aは如何にしてH3K36me3を読み取るか（Dnmt3aのPWWPドメインの解析）」に注力すべきと判断した。また、高速シーケンサー消耗品の品質不良により、エピゲノム解析の物品費の一部を繰り越したが、計画通り令和2年度中に解析を終えることができた。全体として、Setd2の研究中止はあるものの、ほぼ当初計画どおり進捗したといえる。

Strategy for Future Research Activity

当初計画に従って研究を進めるが、特にDnmt3aのPWWPドメイン変異マウスの早期論文化を優先する。新型コロナ感染については、教員・学生・スタッフの健康に最大限配慮しつつ、可能な限りマウス系統を維持して研究を進める。Setd2の研究中止によって生まれる余力を他の計画に振り向けることで、全体計画の更なる加速を試みる。また、令和2年度中に行われる中間評価の結果を、次年度以降の計画に反映させる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of British Columbia(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of British Columbia
• [Int'l Joint Research] 清華大学/北京大学/中国科学院(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 清華大学/北京大学/中国科学院
• [Int'l Joint Research] Friedrich Miescher Institute/University of Basel(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Friedrich Miescher Institute/University of Basel
• [Int'l Joint Research] Vienna Biocenter(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: Vienna Biocenter
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute of Biochemistry(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute of Biochemistry
• [Journal Article] Polycomb group proteins regulate chromatin architecture in mouse oocytes and early embryos. (2020)
  • Author(s): Du, Z., Zheng, H., Kawamura, Y.K., Zhang, K., Gassler, J., Powell, S., Xu, Q., Lin, Z., Xu, K., Zhou, Q., Ozonov, E.A., Veron, N., Huang, B., Li, L., Yu, G., Liu, L., Au Yeung, W.K., Wang, P., Chang, L., Wang, Q., He, A., Sun, Y., Na, J., Sun, Q., Sasaki, H., Tachibana, K., Peters, A.H.F.M. & Xie, W.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 77 Pages: 825-839
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2019.11.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Histone H3K9 methyltransferase G9a in oocytes is essential for preimplantation development but dispensable for CG methylation protection. (2019)
  • Author(s): Au Yeung, W.K., Brind’Amour, J., Hatano, Y., Yamagata, K., Feil, R., Lorincz, M.C., Tachibana, M., Shinkai, Y. & Sasaki, H.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 27 Pages: 282-293
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.03.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of genetic-origin-dependent monoallelic expression in mouse embryonic stem cells. (2019)
  • Author(s): Ohishi, H., Au Yeung, W.K., Unoki, M., Ichiyanagi, K., Fukuda, K., Maenohara, S., Shirane, K., Chiba, H., Sado, T. & Sasaki, H.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 25 Pages: 54-64
  • DOI: 10.1111/gtc.12736
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Low-input ChlP-seqの現状. (2019)
  • Author(s): 1.石内崇士, 榊原祐樹, 佐々木裕之.
  • Journal Title: 臨床免疫・アレルギー科 Volume: 72 Pages: 283-286
• [Presentation] Molecular network regulating the epigenetic programs of mammalian oocytes. (2019)
  • Author(s): Sasaki, H.
  • Organizer: 第13回日本エピジェネティクス研究会年会
  • Invited
• [Presentation] マウス卵子のエピゲノム制御ネットワーク. (2019)
  • Author(s): 佐々木裕之.
  • Organizer: 2019遺伝研研究会
  • Invited
• [Presentation] DNAメチル化と疾患. (2019)
  • Author(s): 佐々木裕之.
  • Organizer: 第78回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic program of mammalian oocytes. (2019)
  • Author(s): Hiroyuki Sasaki
  • Organizer: 理化学研究所エピゲノム操作プロジェクトセミナー
  • Invited
• [Presentation] エピジェネティクスと細胞記憶と疾患. (2019)
  • Author(s): 佐々木裕之
  • Organizer: 大阪大学微生物病研究所セミナー学術講演会
  • Invited
• [Remarks] 九州大学生体防御医学研究所エピゲノム制御学分野
  • URL: https://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/epigenome/
• [Remarks] 九州大学芸術工学研究院丸山研究室
  • URL: http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~maruyama/