Mechanisms of constructing totipotent nuclei

• Project Area: Program of totipotency: From decoding to designing
• Project/Area Number: 19H05751
• 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: Kindai University
• Principal Investigator: 宮本 圭 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (40740684)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 島本 勇太 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 准教授 (80409656)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥106,860,000 (Direct Cost: ¥82,200,000、Indirect Cost: ¥24,660,000); Fiscal Year 2021: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000); Fiscal Year 2020: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000); Fiscal Year 2019: ¥24,700,000 (Direct Cost: ¥19,000,000、Indirect Cost: ¥5,700,000)
• Keywords: 全能性 / 核形成 / 核アクチン / 物性 / 再プログラム化 / 核構造 / 核骨格 / リプログラミング / 転写 / マウス

Outline of Research at the Start

受精卵の全能性を支える核、即ち「全能性核」は、初期発生の特定の時期のみ存在する。全能性核の構築機構の解明は、全能性獲得の本質を理解する上で重要で、さらには全能性を有する核の再構築へとつながる。しかし、全能性核のどのような性質が他の分化した核と異なるかについての知見は極めて乏しい。そこで本研究では、①全能性核の形成過程を詳細に調べ、核形成に必要な因子を同定する。さらに、②全能性核のみが有する機械的特性を明らかにする。③これらの解析を通じ、最終的には全能性核の再構築を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

精子核や体細胞核は卵細胞内で再プログラム化され、全ての細胞へと分化する全能性を獲得する。全能性獲得過程で、これらの核は急激に膨化し、脱凝縮したクロマチンを有する特徴的な形態を示す。このようにして胚の全能性を支える核、即ち「全能性核」がつくり上げられるが、その核内構造や核形成にかかわる因子が全能性のプログラムといかに関連しているかについてはほとんど分かっていない。さらに近年、核の機能がその機械的性質と相関することを示唆する研究結果が数多く報告されているが、全能性核についての知見は極めて乏しい。そこで本研究では、全能性を有するマウス受精卵や初期胚期における核の機能に着目し、少数細胞解析技術や生物物理解析手法を駆使し、核形成や機能維持に関わる因子やその作用機序解明を目指す。
マウス受精卵の前核内構造を明らかにするため、核骨格タンパク質に着目した。核骨格タンパク質として核アクチンタンパク質が知られているが、特異的プローブによってその挙動を調べたところ、雌雄前核内に重合化アクチンの網目状構造が作られることを発見した。これは、体細胞の核内でG1初期に観察される重合化アクチンと異なり、1細胞期を通じて前核の核骨格を形作ることがわかった。また、この受精卵特異的に形成される核アクチンの重合化を人為的に操作する方法を発展させ、胚発生における役割を明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和元年度の実験においては、当初の計画通り、受精卵特異的に形成される重合化核アクチン構造を人為的に制御する方法を発展させた。これを利用し、受精卵特異的重合化核アクチンの役割を様々な視点から明らかにした。例えば、核サイズの調節やDNA損傷修復において、核アクチンの重合化が必要であることがわかった。また、受精卵特異的核アクチンの重合化は、2細胞期における胚性ゲノムの活性にも影響を与えることも明らかにした。以上の結果を通じて、受精卵前核内の核骨格が、全能性の獲得過程における役割を示した。加えて、胚性ゲノム活性化の制御機構の一つに、母性PIASyタンパク質の分解が重要な役割を果たすことも報告した。また、マウス受精卵前核の機械的性質の解析に生物物理解析手法の導入に成功し、前核が有する特殊な物性を示唆する結果も得ている。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度は、以下に示す3つの方向性で研究を進める
(1)受精卵特異的核骨格構造の発生生物学的意義の解明 令和元年度の実験により、受精卵特異的重合化核アクチンの役割の多くが明らかとなった。これらの細胞生物学的役割を統合し、受精卵の前核内にのみ何故重合化核アクチンが必要となるのかモデルを提唱し、論文として発表することを計画している。
(2)マウス初期胚における核の硬さや粘弾性の変化 令和元年度の実験から、ガラスマイクロニードルを使った顕微力学操作と細胞生物学の分子操作を組み合わせて、前核の機械特性を計測可能であること示した。この実験系を用い、受精卵から胚盤胞期胚までの各ステージにおける核の機械特性を決定する。また、発生の各ステージ間、あるいは体細胞核や幹細胞核から得られたデータとの比較解析により、全能期の核に特徴的な機械特性を同定する。また、同定した機械特性と各ステージの発生能力の相関を調べ、核の物性と胚の発生能力の関係という新たな視点で研究を進めていく。
(3)全能性核の特性を模倣した核の再構築系の探索 上記2つの到達目標が達成された際、全能性核に特異的な核内構造と物性が明らかとなる。これらの評価基準をもとに、様々な方法で全能性核の特性を模倣した核を体細胞核から人為的に作出する方法を試す。我々が独自に開発した核移植法を用い、核骨格、クロマチン構造そして物性といった核の性質を出来るだけ全能核様に模倣できる条件の検討を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Freiburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Int'l Joint Research] KAUST(サウジアラビア)
• [Journal Article] The Actin-Family Protein Arp4 Is a Novel Suppressor for the Formation and Functions of Nuclear F-Actin (2020)
  • Author(s): Yamazaki Shota、Gerhold Christian、Yamamoto Koji、Ueno Yuya、Grosse Robert、Miyamoto Kei、Harata Masahiko
  • Journal Title: Cells Volume: 9 Pages: 758-758
  • DOI: 10.3390/cells9030758
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Perturbation of maternal PIASy abundance disrupts zygotic genome activation and embryonic development via SUMOylation pathway (2019)
  • Author(s): Higuchi Chika、Yamamoto Mari、Shin Seung-Wook、Miyamoto Kei、Matsumoto Kazuya
  • Journal Title: Biology Open Volume: 8
  • DOI: 10.1242/bio.048652
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Active Fluctuations of the Nuclear Envelope Shape the Transcriptional Dynamics in Oocytes (2019)
  • Author(s): Almonacid Maria、Al Jord Adel、El-Hayek Stephany、Othmani Alice、Coulpier Fanny、Lemoine Sophie、Miyamoto Kei、Grosse Robert、Klein Christophe、Piolot Tristan、Mailly Philippe、Voituriez Raphaell、Genovesio Auguste、Verlhac Marie-Helene
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 51 Pages: 145-157
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2019.09.010
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel roles of nuclear actin polymerization in establishing nuclear structures and in embryonic development (2019)
  • Author(s): 宮本圭
  • Organizer: 19th HFSP Awardees Meeting and 30th anniversary celebration
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 受精卵の発生能を予測するシステムの開発について (2019)
  • Author(s): 山本真理, Nicole Cheung, 塚口智将, 小林久人, 神尾明日香, 奥野智美, 神谷拓磨, 越智浩介, 井橋俊也, 辻本佳加理, 坂本裕子, 笠原善斗, 眞銅大暉, 河野友宏, 松本和也, 宮本圭
  • Organizer: 第３回日本胚移植技術研究会大会（和歌山大会）
• [Presentation] 受精後の母性タンパク質PIASyの分解は母性から胚性への移行に重要である (2019)
  • Author(s): 樋口 智香, 山本 真理, 奥野 智美, 神谷 拓磨, 越智 浩介, 宮本 圭, 松本 和也
  • Organizer: 第112回 日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] 3種類の化合物の組み合わせがブタ核移植胚の発生能に及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 岩元 正樹, 矢崎 智子, 井橋 俊哉, 山田 雅保, 宮本 圭
  • Organizer: 第112回 日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] 受精卵の発生能を予測するシステムの開発 (2019)
  • Author(s): 山本 真理, Nicole CHEUNG, 塚口 智将, 小林 久人, 神尾 明日香, 奥野 智美, 神谷 拓磨, 越智 浩介, 井橋 俊也, 辻本 佳加理, 坂本 裕子, 笠原 善斗, 眞銅 大暉, 河野 友宏, 松本 和也, 宮本 圭
  • Organizer: 第112回 日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] 核移植における体細胞核の全能性獲得に関与する遺伝子の探索 (2019)
  • Author(s): 井橋 俊哉, 森 美樹, 今里 佑馬, 日下部 春奈, 梶栗 尚明, 松澤 由佳, 神谷 拓磨, 奥野 智美, 山本 真理, 越智 浩介, 坂本 裕子, 辻本 佳加理, 笠原 善斗, 松橋 珠子, 松本 和也, 宮本 圭
  • Organizer: 第112回 日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] A novel nucleoskeleton structure in mouse zygotes and its developmental functions (2019)
  • Author(s): 宮本圭
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Examining the meiotic spindle micromechanics using cell-free extracts and quantitative micromanipulation (2019)
  • Author(s): Yuta Shimamoto
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] 受精卵特異的重合化核アクチンの機能解析 (2019)
  • Author(s): 奥野智美, Wayne Yang Li, 波多野裕, 鷹巣篤志, 山本真理, 池田善喜, Matthias Plessner, 坂本裕子, 守田昂太郎, 松本和也, 山縣一夫, Robert Grosse, 宮本圭
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] 光遺伝学ツールを用いた核アクチン重合化の促進と転写リプログラミングにおけるHP1ファミリータンパク質の動態 (2019)
  • Author(s): 辻本佳加理, 白水宗, 小林智輝, 西満里奈, 辻村翔子, 神谷拓磨, 奥野智美, 山本真理, 越智浩介, 井橋俊哉, 坂本裕子, 笠原喜斗, 松橋珠子, 松本和也, Robert Grosse, 宮本圭
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] 分子マーカーを用いた受精卵の発生能予測 (2019)
  • Author(s): 宮本圭
  • Organizer: 第64回 日本生殖医学会学術講演会・総会
  • Invited
• [Presentation] 核内アクチン重合化は受精卵前核の機能維持と初期胚発生に必要である (2019)
  • Author(s): 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
  • Invited
• [Presentation] 直接計測から見えてきた核の力学特性制御の仕組み (2019)
  • Author(s): 島本勇太
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] 受精卵の全能性に関する母性転写産物の探索 (2019)
  • Author(s): 山本真理, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] マウス前核期胚における重合化核アクチンの機能解明に向けて (2019)
  • Author(s): 奥野智美, Wayne Yang Li, 波多野裕, 鷹巣篤志, 山本真理, 池田善貴, Matthias Plessner, 坂本裕子, 守田昂太郎, 松本和也, 山縣一夫, Robert Grosse, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] 細胞分裂及びDNA複製非依存的新規核移植法による転写リプログラミング (2019)
  • Author(s): 神谷拓磨, Christopher A. Penfold, 奥野智美, 山本真理, 越智浩介, 井橋俊哉, 辻本佳加理, 坂本裕子, 松橋珠子, 松本和也, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] 核移植における全能性獲得に関与する遺伝子の機能解析 (2019)
  • Author(s): 井橋 俊哉, 濱中瑞斗, 加地正弥, 森美樹, 今里佑馬, 日下部春奈, 梶栗尚明, 松澤由佳, 神谷拓磨, 奥野智美, 山本真理, 越智浩介, 坂本裕子, 辻本佳加理, 笠原喜斗, 松橋珠子, 松本和也, 伊川正人, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] マウス初期胚における核内アクチンタンパク質と初期細胞分裂の関係性 (2019)
  • Author(s): 坂本裕子, 奥野智美, Wayne Yang Li, 眞銅太暉, 鷹巣篤志, 山本真理, 波多野裕, 池田善貴, Matthias Plessner, 守田昂太郎, 松本和也, 山縣一夫, Robert Grosse, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] 光遺伝学ツールを用いた核アクチン重合化の促進と転写リプログラミングにおけるクロマチンタンパク質の動態 (2019)
  • Author(s): 辻本佳加理, 白水宗, 小林智輝, 西満里奈, 辻村翔子, 守屋朱香, 國富瑞生, 松橋珠子, 松本和也, Robert Grosse, 宮本圭
  • Organizer: 新学術領域研究「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」若手勉強会2019
• [Presentation] マウス受精卵を用いた内在性核内繊維状アクチンの可視化法の検討 (2019)
  • Author(s): 眞銅 大暉, 坂本 裕子, 奥野 智美, Li Yang, 山本 真理, 神谷 拓磨, 越智 浩介, 井橋 俊哉, 辻本 佳加理, 笠原 喜斗, 松 橋 珠子, 松本 和也, Robert Grosse, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウス受精卵前核の機能維持における核骨格タンパク質の役割 (2019)
  • Author(s): 宮本圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] カエル卵母細胞を用いた転写リプログラミング機構の解析 (2019)
  • Author(s): 辻本 佳加理, 白水 宗, 小林 智輝, 西 満里奈, 辻村 翔子, 神谷 拓磨, 奥野 智美, 山本 真理, 越智 浩介, 井橋 俊哉, 坂本 裕子, 笠原 喜斗, 眞銅 大暉, 松橋 珠子, 松本 和也, Grosse Robert, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 核内アクチンタンパク質の重合化がマウス初期胚の細胞分裂に及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 坂本 裕子, 奥野 智美, Li Yang, 山本 真理, 神谷 拓磨, 越智 浩介, 井橋 俊哉, 辻本 佳加理, 笠原 喜斗, 眞銅 大暉, 松 橋 珠子, 松本 和也, Robert Grosse, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウス初期胚発生における受精卵特異的重合化核アクチンの機能解析 (2019)
  • Author(s): 奥野 智美, Li Wayne Yang, 波多野 裕, 鷹巣 篤志, 山本 真理, 池田 善貴, Matthias Plessner, 坂本 裕子, 守田 昂太郎, 松本 和也, 山縣 一夫, Robert Grosse, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 細胞周期を停止したマウス初期胚による核リモデリング (2019)
  • Author(s): 神谷 拓磨, 西浦 伊織, 奥野 智美, 山本 真理, 越智 浩介, 井橋 俊哉, 辻本 佳加理, 坂本 裕子, 笠原 善斗, 眞銅 大暉, 松橋 珠子, 松本 和也, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マウス初期胚発生における受精卵特異的重合化核アクチンの機能解析 (2019)
  • Author(s): 奥野 智美, Li Wayne Yang, 波多野 裕, 鷹巣 篤志, 山本 真理, 池田 善貴, Plessner Matthias, 坂本 裕子, 守田 昂太, 郎, 松本 和也, 山縣 一夫, Grosse Robert, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 核移植における体細胞核の全能性獲得に関与する遺伝子の機能解析 (2019)
  • Author(s): 井橋 俊哉, 森 美樹, 今里 佑馬, 日下部 春奈, 梶栗 尚明, 松澤 由佳, 加地 正弥, 濱中 瑞斗, 神谷 拓磨, 奥野 智美, 山 本 真理, 越智 浩介, 坂本 裕子, 辻本 佳加理, 笠原 喜斗, 眞銅 大暉, 松橋 珠子, 伊川 正人, 松本 和也, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 受精卵の全能性を評価する方法の開発に向けて (2019)
  • Author(s): 山本 真理, Nicole Cheung, 塚口 智将, 小林 久人, 神尾 明日香, 奥野 智美, 神谷 拓磨, 越智 浩介, 井橋 俊哉, 辻本 佳加理, 坂本 裕子, 笠原 善斗, 眞銅 大暉, 河野 友宏, 松本 和也, 宮本 圭
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Probing the local mechanical architecture of the vertebrate metaphase spindle (2019)
  • Author(s): Yuta Shimamoto
  • Organizer: ASCB/EMBO 2019 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 紡錘体の構築原理と力学デザイン (2019)
  • Author(s): 島本勇太
  • Organizer: 第37回染色体ワークショップ・第18回核ダイナミクス研究会
• [Book] 医学のあゆみ「ラミンとクロマチンの連携による核構造の維持メカニズム」 (2020)
  • Author(s): 島本勇太、前島一博
  • Total Pages: 197
  • Publisher: 医歯薬出版株式会社
• [Book] 生体の科学 特集メカノバイオロジー「細胞内構造のメカノバイオロジー」 (2019)
  • Author(s): 島本勇太
  • Total Pages: 360
  • Publisher: 医学書院
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/KeiMiyamoto
• [Remarks] Researchgate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Kei_Miyamoto
• [Remarks] Research Outreach
  • URL: https://researchoutreach.org/tag/dr-kei-miyamoto/
• [Patent(Industrial Property Rights)] バイオマーカーを用いた哺乳動物胚の選別方法 (2019)
  • Inventor(s): 宮本圭
  • Industrial Property Rights Holder: 近畿大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019