Predictive analysis of oocyte integrity with chromosome imaging

• Project Area: Ensuring integrity in gametogenesis
• Project/Area Number: 18H05549
• 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: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 北島 智也 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00376641)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥68,120,000 (Direct Cost: ¥52,400,000、Indirect Cost: ¥15,720,000); Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2021: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2020: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2019: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2018: ¥25,090,000 (Direct Cost: ¥19,300,000、Indirect Cost: ¥5,790,000)
• Keywords: 卵子 / 染色体 / イメージング / 紡錘体 / ライブイメージング / 動原体 / 卵母細胞 / 染色体分配 / in vitro gametogenesis / インテグリティ

Outline of Annual Research Achievements

卵子のインテグリティの予見を目指し、卵子における染色体イメージングを中心的に用いた細胞生物学的な解析を行った。特に、卵子のインテグリティにとって最も重要な要素の一つが染色体数の正常性であることから、卵子の染色体分配エラーの原因となる要素の特定を目指した。
昨年度までに、老化卵子において顕著に量が減少する染色体因子を同定していた。この因子について遺伝学的に操作できる遺伝子改変マウスを作成し、卵子特異的なCreリコンビナーゼを用いることで、卵子特異的に標的の染色体因子の量を減少させた。この卵子について、染色体マーカーや紡錘体マーカーを用いたライブイメージング解析を行った。現在、定量的な解析を行うための大量データ取得が進行中である。また、染色体因子を特異的かつ定量的に検出するための抗体染色プロトコルの最適化を行い、信頼性の高い解析の系を確立した。これを用い、老化とともに減少することが知られる染色体因子コヒーシンについて、遺伝学的に減少させたときの影響について調べた。
また、昨年度までに動原体因子Ndc80-Nuf2とPrc1の相互作用が紡錘体形成に重要であることを見出していた。in vitroにおいてNdc80-Nuf2とPrc1の相互作用を検証する系を確立し、その相互作用に必要なタンパク質修飾についての解析を行った。
さらに、卵子染色体の新規ライブイメージング手法の開発を行った。染色体に固有な動態を解析可能なプローブを開発し、その条件検討を行った。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

老化卵子で量が減少する染色体因子を同定し、その解析が順調に進んでいる。この過程において老化卵子のトランスクリプトーム解析を行い論文を発表するとともに(Mishina et al, Aging Cell 2022)、カロリー制限による影響についても予期せぬ情報が得られた。紡錘体形成機構の解析や、新規イメージング手法の開発も進展している。

Strategy for Future Research Activity

老化卵子で量が減少する染色体因子について解析を継続して行う。特に、遺伝学的に減少させたときに老化を模倣した染色体分配エラーが見られるか、その機序について重点的な解析を行う。紡錘体形成機構についてはin vitro再構成系を活用した解析を進める。新規イメージング手法の開発を進め、大規模なデータ取得を開始する。また、トランスクリプトーム解析から得られた情報をもとに候補因子の解析を行う。

Research Products

• [Journal Article] 卵子の染色体数異常の原因 (2022)
  • Author(s): 北島 智也
  • Journal Title: Farumashia Volume: 58 Issue: 1 Pages: 24-28
  • DOI: 10.14894/faruawpsj.58.1_24
  • NAID: 130008138928
  • ISSN: 0014-8601, 2189-7026
• [Journal Article] Stable kinetochore-microtubule attachments restrict MTOC position and spindle elongation in oocytes (2021)
  • Author(s): Courtois Aurelien、Yoshida Shuhei、Takenouchi Osamu、Asai Kohei、Kitajima Tomoya S
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 22 Issue: 4
  • DOI: 10.15252/embr.202051400
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single‐oocyte transcriptome analysis reveals aging‐associated effects influenced by life stage and calorie restriction (2021)
  • Author(s): Mishina Tappei、Tabata Namine、Hayashi Tetsutaro、Yoshimura Mika、Umeda Mana、Mori Masashi、Ikawa Yayoi、Hamada Hiroshi、Nikaido Itoshi、Kitajima Tomoya S.
  • Journal Title: Aging Cell Volume: 20 Issue: 8
  • DOI: 10.1111/acel.13428
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RanGTP and the actin cytoskeleton keep paternal and maternal chromosomes apart during fertilization (2021)
  • Author(s): Mori Masashi、Yao Tatsuma、Mishina Tappei、Endoh Hiromi、Tanaka Masahito、Yonezawa Nao、Shimamoto Yuta、Yonemura Shigenobu、Yamagata Kazuo、Kitajima Tomoya S.、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 220 Issue: 10
  • DOI: 10.1083/jcb.202012001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reconstitution of the oocyte transcriptional network with transcription factors (2021)
  • Author(s): Hamazaki N, Kyogoku H, Araki H, Miura F, Horikawa C, Hamada N, Shimamoto S, Hikabe O, Nakashima K, Kitajima TS, Ito T, Leitch HG, Katsuhiko Hayashi.
  • Journal Title: Nature Volume: 589 Issue: 7841 Pages: 883-897
  • DOI: 10.1038/s41586-020-3027-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prc1-rich kinetochores are required for error-free acentrosomal spindle bipolarization during meiosis I in mouse oocytes (2020)
  • Author(s): Shuhei Yoshida, Sui Nishiyama, Lisa Lister, Shu Hashimoto, Tappei Mishina, Aurélien Courtois, Hirohisa Kyogoku, Takaya Abe, Aki Shiraishi, Meenakshi Choudhary, Yoshiharu Nakaoka, Mary Herbert & Tomoya S. Kitajima
  • Journal Title: Nature communications Volume: － Issue: 1 Pages: 2652-2652
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16488-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cdk1 negatively regulates the spindle localization of Prc1 in mouse oocytes (2020)
  • Author(s): Nishiyama Sui、Yoshida Shuhei、Kitajima Tomoya S.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 25 Issue: 10 Pages: 685-694
  • DOI: 10.1111/gtc.12803
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Post-metaphase correction of aberrant kinetochore-microtubule attachments in mammalian eggs. (2019)
  • Author(s): Anna Kouznetsova, Tomoya S. Kitajima, Hjalmar Brismar and Christer Hoog
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 20 Issue: 8
  • DOI: 10.15252/embr.201947905
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of autophagic activity by Rubicon is a signature of aging. (2019)
  • Author(s): Nakamura S, Oba M, Suzuki M, Takahashi A, Yamamuro T, Fujiwara M, Ikenaka K, Minami S, Tabata N, Yamamoto K, Kubo S, Tokumura A, Akamatsu K, Miyazaki Y, Kawabata T, Hamasaki M, Fukui K, Sango K, Watanabe Y, Takabatake Y, Kitajima T, Okada Y, Mochizuki H, Isaka Y, Antebi A, Yoshimori T.
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 10 Issue: 1 Pages: 847-847
  • DOI: 10.1038/s41467-019-08729-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Post-anaphase SUMO Pathway Ensures the Maintenance of Centromeric Cohesion through Meiosis I-II Transition in Mammalian Oocytes (2018)
  • Author(s): Ding Yi、Kaido Masako、Llano Elena、Pendas Alberto M.、Kitajima Tomoya S.
  • Journal Title: Current Biology Volume: - Issue: 10 Pages: 1661-1669
  • DOI: 10.1016/j.cub.2018.04.019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single nucleolus precursor body formation in the pronucleus of mouse zygotes and SCNT embryos (2018)
  • Author(s): Kyogoku Hirohisa、Wakayama Teruhiko、Kitajima Tomoya S.、Miyano Takashi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 13 Issue: 8 Pages: e0202663-e0202663
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0202663
  • NAID: 120006529672
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 哺乳類卵母細胞における染色体分配―細胞の特異性に対する染色体分配の恒常性と破綻を理解する (2018)
  • Author(s): 北島智也
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 36 Pages: 157-162
• [Presentation] 卵母細胞における染色体分配 (2022)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • Invited
• [Presentation] 卵子における染色体分配と受精にともなう前核形成の機構 (2021)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第39回日本受精着床学会総会・学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 哺乳類受精卵における前核サイズの制御とその意味 (2021)
  • Author(s): 京極博久、多羅間充輔、柴田達夫、北島智也
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 受精卵における雌雄前核の意義 (2021)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第26回日本臨床エンブリオロジスト学会
  • Invited
• [Presentation] 卵子における染色体分配 (2020)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第54回HiHAセミナー
  • Invited
• [Presentation] Mechanisms of chromosome segregation errors in mammalian oocytes (2020)
  • Author(s): Tomoya Kitajima
  • Organizer: PCGI External Seminar
  • Invited
• [Presentation] 受精卵の核サイズとエピゲノム制御 (2020)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 日本人類遺伝学会第65回大会
  • Invited
• [Presentation] 卵子における老化依存的な染色体数異常の原因 (2020)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第20回日本抗加齢医学会総会
  • Invited
• [Presentation] 受精卵の核サイズとエビゲノム制御 (2020)
  • Author(s): 北島智也、京極博久
  • Organizer: 第38回日本受精着床学会総会・学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 受精卵における二つの前核形成の意義 (2020)
  • Author(s): 北島智也、京極博久
  • Organizer: 第65回日本生殖医学会学術講演会・総会
  • Invited
• [Presentation] Causes of aneuploidy in eggs (2019)
  • Author(s): Tomoya S. Kitajima
  • Organizer: The 15th Transgenic Technology Meeting (TT2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 卵子の染色体数異常の原因 (2019)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 東大理学部生物化学科設立60周年シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 卵母細胞に特有な染色体分配の機構 (2019)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 2019 遺伝研・熊大発生研共催シンポジウム「有性生殖における染色体・クロマチン・核動態」
  • Invited
• [Presentation] 卵子の染色体数異常の細胞生物学的な原因 (2019)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第26回 臨床細胞遺伝学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 卵子の染色体数異常の細胞生物学的な原因 (2019)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第15回東海ARTカンファレンス
  • Invited
• [Presentation] Roles of kinetochores in mammalian oocytes (2018)
  • Author(s): Tomoya S. Kitajima
  • Organizer: 117th International Titisee Conference From oocyte to embryo - illuminating the origins of life
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Causes of aneuploidy in eggs. (2018)
  • Author(s): Tomoya S. Kitajima
  • Organizer: Shanghai Jiao Tong University The School of Life Sciences and Biotechnology (SLSB) Seminar
  • Invited
• [Presentation] A unique role of kinetochores in mammalian oocytes (2018)
  • Author(s): Shuhei Yoshida and Tomoya S. Kitajima
  • Organizer: Meiosis Gordon Research Conference 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 卵、胚の細胞サイズと染色体安定性 (2018)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 文部科学省・科学研究費補助金・新学術領域研究成果取りまとめ公開シンポジウム「生殖細胞のエピゲノムダイナミクスとその制御」
  • Invited
• [Presentation] マルチカラー動画解析から迫る卵子の染色体分配のしくみ (2018)
  • Author(s): 北島智也
  • Organizer: 第36回日本染色体遺伝子検査学会総会・学術集会
  • Invited
• [Book] Methods in Cell Biology, Vol.144 Mitosis & Meiosis, Part A (2018)
  • Author(s): Hirohisa Kyogoku, Shuhei Yoshida and Tomoya S.Kitajima
  • Total Pages: 474
  • Publisher: Elsevier Inc
  • ISBN: 9780128141441
• [Book] Mouse Oocyte Development (2018)
  • Author(s): Aurelien Courtois, Petr Solc and Tomoya S Kitajima
  • Total Pages: 174
  • Publisher: Humana Press
  • ISBN: 9781493986026
• [Remarks] 理化学研究所 染色体分配研究チームHP
  • URL: http://chromosegr.riken.jp/index.html
• [Remarks] 理化学研究所生命機能科学研究センターHP 染色体分配研究チーム紹介ページ
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/ja/research/labs/kitajima-t/index.html
• [Remarks] 理化学研究HP 染色体分配研究チーム紹介ページ
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/bdr/chromo_segr/index.html
• [Remarks] 理化学研究所 染色体分配研究チーム HP
  • URL: http://chromosegr.riken.jp/index.html
• [Remarks] 理化学研究所生命機能科学研究センターHP 染色体分配研究チーム紹介ページ
  • URL: https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/kitajima-t/index.html
• [Remarks] 理化学研究所HP 染色体分配研究チーム紹介ページ
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/bdr/chromo_segr/index.html