Regulation of gene expression program in the pluripotent embryos

• Project Area: Program of totipotency: From decoding to designing
• Project/Area Number: 19H05752
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 青木 不学 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 客員共同研究員 (20175160)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥107,380,000 (Direct Cost: ¥82,600,000、Indirect Cost: ¥24,780,000); Fiscal Year 2023: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000); Fiscal Year 2022: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000); Fiscal Year 2021: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000); Fiscal Year 2020: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000); Fiscal Year 2019: ¥21,320,000 (Direct Cost: ¥16,400,000、Indirect Cost: ¥4,920,000)
• Keywords: 遺伝子発現プログラム / 着床前初期胚 / 胚性遺伝子活性化 / 初期発生 / 全能性 / リプログラミング / 初期胚 / クロマチン構造 / 転写因子 / zygotic gene activation / DNA複製 / ヒストン変異体 / 着床前初期発生

Outline of Research at the Start

受精により全能性を有する1細胞期胚が生み出されるが、その際にそれまでの親世代の遺伝子発現プログラムが刷新され、新たに新世代のプログラムがスタートする。このプログラムは、発生を順調に進行させるために厳密に調節されていることが考えられるが、その実態はほとんど明らかにされていない。そこで、受精後に全能性を獲得した1細胞期胚からスタートする発生プログラムの完全理解に向けて、その基盤となる遺伝子発現プログラムの調節機構を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

受精後の1から2細胞期にかけて著しい遺伝子発現パターンの変化が起こるが、その調節機構として緩んだクロマチン構造から締まったものへの変化の関与が考えられる。また、クロマチンを構成するヒストンには多種の変異体が存在し、これらがクロマチン構造に関わっていることが知られている。これまでの研究で、リンカーH1については一部の変異体（H1foo、H1a）のみが卵および受精直後の胚で多く発現していることを明らかにした。さらに、H1fooをノックダウン(KD)することにより、1細胞期胚ではクロマチン構造が締まり、遺伝子発現に異常が生じることを明らかにした。しかし、一方で受精前の卵でもすでにクロマチン構造が緩んでいることが分かった。すなわち、受精前の段階ですでに受精後の遺伝子発現に備えてクロマチン構造を変化させていることが考えられた。そこで、本年度は卵におけるH1fooの機能解析を行った。まず、成長卵でH1fooをKDして、代わりに卵および1細胞期胚でその発現がほとんど見られない体細胞型のH1変異体を発現させると卵成熟に異常が起こりその後の発生に影響が見られた。しかし、H1aを発現させた場合はこれらの異常は生じなかった。以上の結果は、受精後の発生に必要な緩んだクロマチン構造がH1fooおよびH1aにより受精前に準備されていることを示唆するものである。
また、1から2細胞期にかけての遺伝子発現パターンの変化には、転写因子も関わっていることが考えられ、その1つとしてDUXが重要な働きをしていることが示唆されている。しかし、DUXをノックアウトしても発生にほとんど影響しないことが報告されている。そこで、DUXにその構造が類似したタンパク質がDUXの機能を相補していることを考え、その候補を探索したところDUXBLが見つかり、その発現を1細胞期で調べたところ高いレベルでの発現が見られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、遺伝子発現の調節に関わるクロマチン構造と転写因子の両面からそれらの候補となる因子についての解析を行った。
その結果、概要の欄で記したように、クロマチン構造に関しては、その緩みに関わっていると考えられ、卵および1細胞期胚で多く発現しているH1fooが卵形成の過程で機能してそれが受精後の発生に影響を与えることが明らかとなった。これにより受精直後の特異的な遺伝子発現のための準備が受精前の卵で進行しているという新たな可能性が示されたという点で、研究上の大きな進捗があったと考えられる。
また、転写因子による調節に関しては、DUXの機能を相補している因子の候補としてDUXBLを発見できたことで今後の研究の発展が期待できるものと考えられる。すなわち、大きく注目されてきたDUXについて、近年、そのノックアウトが発生に影響を及ぼさなかったという報告があったことから、1細胞期から2細胞期への遺伝子発現プログラムの進行を調節するメカニズムの解明が暗礁に乗り上げていた。しかし、DUXを相補する因子としてDUXBLの関与を調べることで、今後の研究の進展が期待される。
したがって、本研究プロジェクトは、全体としてはここまでおおむね順調に進展しているものと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

リンカーヒストンH1fooによるクロマチン構造の調節に関しては、H1fooをノックダウンしても特に異常が見られなかったことから、H1fooと同様にクロマチン構造を緩める働きがあり、かつ卵と1細胞期胚で多く発現しているH1aがその機能を相補することが考えられる。そこで、H1aのノックアウトマウスを作成し、そこから得られた卵あるいは1細胞期胚でH1fooをノックダウンして両者が欠損することによるクロマチン構造および遺伝子発現への影響を調べる。
また、転写因子に関しては、DUXBLが実際に受精後のプログラムの進行に関わっているかどうかを調べるために、DUXBLの過剰発現およびノックアウト胚におけるトランスクリプトーム解析およびクロマチン構造に関する解析（FRAP、Hi-Cなど）を行う。また今後、DUXとDUXBLのダブルノックアウト胚における上記の解析も試みる予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Pennsylvania(米国)
• [Journal Article] Zygotic gene activation in mice: profile and regulation (2022)
  • Author(s): AOKI Fugaku
  • Journal Title: Journal of Reproduction and Development Volume: 68 Issue: 2 Pages: 79-84
  • DOI: 10.1262/jrd.2021-129
  • NAID: 130008141670
  • ISSN: 0916-8818, 1348-4400
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Asymmetrical deposition and modification of histone H3 variants are essential for zygote development (2021)
  • Author(s): Kawamura Machika、Funaya Satoshi、Sugie Kenta、Suzuki Masataka G、Aoki Fugaku
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 4 Issue: 8 Pages: e202101102-e202101102
  • DOI: 10.26508/lsa.202101102
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] dmrt11E ortholog is a crucial factor for oogenesis of the domesticated silkworm, Bombyx mori. Insect Biochem (2021)
  • Author(s): 1.Kasahara R, Yuzawa T, Fujii T, Aoki F, Suzuki MG.
  • Journal Title: Insect Biochem Mol Biol Volume: 129 Pages: 103517-103517
  • DOI: 10.1016/j.ibmb.2020.103517
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression of Dux family genes in early preimplantation embryos (2020)
  • Author(s): 2.Sugie K, Funaya S, Kawamura M, Nakamura T, Suzuki MG, Aoki F
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 10 Issue: 1 Pages: 19396-19396
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76538-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transgenic and knockout analyses of Masculinizer and doublesex illuminated the unique functions of doublesex in germ cell sexual development of the silkworm, Bombyx mori (2020)
  • Author(s): 3.Yuzawa T, Matsuoka M, Sumitani M, Aoki F, Sezutsu H, Suzuki MG
  • Journal Title: BMC Dev Volume: 20 Issue: 1 Pages: 19-19
  • DOI: 10.1186/s12861-020-00224-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of H3K9me3 during preimplantation development† (2019)
  • Author(s): Aoki Fugaku
  • Journal Title: Biology of Reproduction Volume: 100 Issue: 1 Pages: 13-14
  • DOI: 10.1093/biolre/ioy201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マウス発生におけるH2A変異体の関与 (2021)
  • Author(s): 青木不学
  • Organizer: 全能性プログラム：デコーディングからデザインへ
  • Invited
• [Presentation] 受精前後における遺伝子発現リプログラミングに関する研究 (2021)
  • Author(s): 青木不学
  • Organizer: 第114回日本繁殖生物学会
  • Invited
• [Presentation] マウス受精後における遺伝子発現リプログラミングへのH3.1/3.2の関与 (2021)
  • Author(s): 船屋智史，青木不学
  • Organizer: 第114回日本繁殖生物学会
• [Presentation] Cell-cycle phase dependent radiosensitivity of zygotes (2021)
  • Author(s): Yuan WANG, Fugaku AOKI
  • Organizer: 第114回日本繁殖生物学会
• [Presentation] マウス着床前初期発生における遺伝子発現プログラムへのヒストン変異体H3.1/3.2の関与 (2020)
  • Author(s): 船屋智史、青木不学
  • Organizer: 第113回 日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] 全能期における遺伝子発現プログラムの調節機構の解明 (2019)
  • Author(s): 青木不学
  • Organizer: キックオフシンポジウム「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」
• [Presentation] 着床前初期胚におけるDux familyの発現とその機能 (2019)
  • Author(s): 杉江拳太、青木不学
  • Organizer: 第112回日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] マウス1細胞期胚のクロマチン構造へのリンカーヒストン変異体への関与 (2019)
  • Author(s): 船屋智史、青木不学
  • Organizer: 第112回日本繁殖生物学会大会
• [Presentation] Cell-cycle dependent response to DNA damage in mouse zygotes (2019)
  • Author(s): Yuan Wang、青木不学
  • Organizer: 第112回日本繁殖生物学会大会