Mechanism and Reconstitution In VItro of Human Germ Cell Development

• Project/Area Number: 17H06098
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 斎藤 通紀 京都大学, 高等研究院, 教授 (80373306)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 築山 智之 滋賀医科大学, 動物生命科学研究センター, 特任准教授 (60612132) ; 中村 紳一朗 滋賀医科大学, 動物生命科学研究センター, 准教授 (50307980)
• Project Period (FY): 2017-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥565,890,000 (Direct Cost: ¥435,300,000、Indirect Cost: ¥130,590,000); Fiscal Year 2021: ¥111,800,000 (Direct Cost: ¥86,000,000、Indirect Cost: ¥25,800,000); Fiscal Year 2020: ¥121,680,000 (Direct Cost: ¥93,600,000、Indirect Cost: ¥28,080,000); Fiscal Year 2019: ¥111,410,000 (Direct Cost: ¥85,700,000、Indirect Cost: ¥25,710,000); Fiscal Year 2018: ¥143,000,000 (Direct Cost: ¥110,000,000、Indirect Cost: ¥33,000,000); Fiscal Year 2017: ¥78,000,000 (Direct Cost: ¥60,000,000、Indirect Cost: ¥18,000,000)
• Keywords: 発生・分化 / 再生医学 / ゲノム / 発現制御 / 進化 / 生殖細胞 / ヒト / 発生 / 試験管内再構成 / エピゲノムリプログラミング / 減数分裂 / 霊長類 / マウス

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヒト生殖細胞発生過程の試験管内再構成を発展させ、ヒト生殖細胞の発生機構とその異常に関する特段の知見を得る基盤を形成する。具体的には、マウス・カニクイザルをモデル生物とし、またヒト細胞を用い、1) 規定条件に基づくマウス始原生殖細胞様細胞 (primordial germ cell-like cells: PGCLCs) の雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、2) カニクイザルPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、3) ヒトPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、4) ヒトiPSCsからのヒト生殖巣体細胞系譜の誘導法の開発、の4つの研究を統合的に推進する。本研究により、マウス・サル・ヒトにおいて、生殖細胞発生過程に伴う顕著な現象（エピゲノムリプログラミングと雌雄分化）が試験管内で再
現可能となると期待される。
1) では、マウスPGCLCs増殖培養法の改善、雌性分化を誘導する転写制御機構の解明、雄性分化因子のスクリーニング、2) では、カニクイザルESCs安定培養法とPGCLCs誘導法の確立、カニクイザル胚におけるX染色体動態の解明、カニクイザル・マウス異種間再構成卵巣法によるカニクイザルPGCLCsの卵原細胞への分化・成熟法の開発、カニクイザル卵原細胞を原始卵胞に分化させる方法論の開発、3) では、多数の雌雄ヒトiPSCsのエピゲノムプロファイルの検証、ヒトPGCLCsを誘導する転写制御機構の解明、ヒトPGCLCs増殖法の開発、ヒト・マウス異種間再構成卵巣によるヒトPGCLCsの卵原細胞への分化・成熟法の開発、4) では、マウス・カニクイザル・ヒト試料を用いて生殖巣体細胞発生に至る経路の解析、ヒト生殖巣体細胞系譜分化のレポーターシステムの確立、を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、上述したように、1) 規定条件に基づくマウスPGCLCsの雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、2) カニクイザルPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、3) ヒトPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、4) ヒトiPSCsからのヒト生殖巣体細胞系譜の誘導法の開発、の4つの研究を統合的に推進中である。
1) に関しては、確立したマウスPGCLCs雌性分化誘導法に基づき、その転写制御機構を解明した。また、雄性分化機構を検証系を確立し、雄性分化因子の探索を推進しつつある。2) に関しては、カニクイザル胚におけるX染色体動態を解明し、カニクイザルESCs安定培養法とPGCLCs誘導法、PGCLCsの卵原細胞への分化・成熟法を開発した。3) に関しては、ヒトPGCLCs増殖法を開発し、ヒトPGCLCsを卵原細胞に分化させることに成功、ヒト卵原細胞を原始卵胞に誘導する研究を開始しつつある。4) に関しては、これまで不明であった、生殖巣体細胞の分化経路を明らかに出来つつあり、またヒト生殖巣体細胞系譜分化のレポーターシステムも確立出来た。これら成果を基盤に、本研究の目標達成に向け着実に研究を推進しつつある。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、上述したように、1) 規定条件に基づくマウスPGCLCsの雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、2) カニクイザルPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、3) ヒトPGCLCsのエピゲノムリプログラミング誘導法・雌雄生殖細胞への分化制御法の開発、4) ヒトiPSCsからのヒト生殖巣体細胞系譜の誘導法の開発、の4つの研究を統合的に推進中である。
1) に関しては、マウスPGCLCsの雌性化過程、特に減数分裂誘導に付随する染色体動態のライブイメージング系の確立、再構成精巣法の改善・雄性化誘導機構の解明、試験管内再構成系を用いた生殖系列の核内構造の解明、2) に関しては、カニクイザル・マウス異種間再構成卵巣法によるカニクイザルPGCLCsの卵原細胞への分化・成熟法の確立とその分子機構の解明、カニクイザル卵原細胞を原始卵胞に分化させる方法論の開発、3) に関しては、ヒトPGCLCs試験管内増殖法のさらなる検証、ヒトPGCLC由来卵原細胞を卵母細胞に分化させ、減数分裂を誘導する方法論の開発、4) に関しては、明らかとなりつつある生殖巣体細胞の分化経路に基づき、カニクイザル雌性ES細胞を生殖巣体細胞に誘導する研究を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California/University of Hawaii(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Montpellier(フランス)
• [Int'l Joint Research] Crick Institute/University of Cambridge/University of Oxford(イギリス)
• [Int'l Joint Research] Curie Institute(フランス)
• [Journal Article] Epigenome regulation during germ cell specification and development from pluripotent stem cells (2018)
  • Author(s): Kurimoto K, Saitou M
  • Journal Title: Curr Opin Genet Dev Volume: 52 Pages: 57-64
  • DOI: 10.1016/j.gde.2018.06.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of human oogonia from induced pluripotent stem cells in vitro. (2018)
  • Author(s): 30.Yamashiro C, Sasaki K, Yabuta Y, Kojima Y, Nakamura T, Okamoto I, Yokobayashi S, Murase Y, Ishikura Y, Shirane K, Sasaki H, Yamamoto T, Saitou M.
  • Journal Title: Science Volume: 362(6412) Pages: 356-360
  • DOI: 10.1126/science.aat1674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] mDia1/3 generate cortical F-actin meshwork in Sertoli cells that is continuous with contractile F-actin bundles and indispensable for spermatogenesis and male fertility. (2018)
  • Author(s): S. Sakamoto, D. Thumkeo, H. Ohta, Z. Zhang, S.R. Huang, P. Kanchenawong, T. Fuu, S. Watanabe, K. Shimada, Y. Fujihara, S. Yoshida, M. Ikawa, N. Watanabe, M. Saitou and S. Narumiya
  • Journal Title: PLoS Biol Volume: 16
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.2004874
  • NAID: 120006531249
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Segregation of mitochondrial DNA heteroplasmy through a development genetic bottleneck in human embryos (2018)
  • Author(s): Floros, V. I., Pyle, A., Dietmann, S., Wei, W., Tang, W. W. C., Irie, N., Payne, B. A. I., Capalbo, A., Noli, L., Coxhead, J., Hudson, G., Crosier, M., Strahl, H., Khalaf, Y., Saitou, M., Ilic, D., Surani, M. A., Chinnery, P. F.
  • Journal Title: Nature Cell Biology Volume: 20(2) Pages: 144-151
  • DOI: 10.1038/s41556-017-0017-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Induction of fetal primary oocytes and the meiotic prophase from mouse pluripotent stem cells. (2018)
  • Author(s): Miyauchi H, Ohta H, Saitou M.
  • Journal Title: Methods in Cell Biology Volume: 144 Pages: 409-429
  • DOI: 10.1016/bs.mcb.2018.03.035
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconstitution of germ cell development in vitro (2018)
  • Author(s): Yokobayashi, Y. and Saitou, M.
  • Journal Title: Cell Biology of the Ovary - Stem Cells, Development, and Clinical Aspects Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Vitro Spermatogenesis (2018)
  • Author(s): Ishikura, Y. and Saitou, M.
  • Journal Title: Encyclopedia of Reproduction, Second Edition Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flexible adaptation of male germ cells from female iPSCs of endangered Tokudaia osimensis (2017)
  • Author(s): Arata Honda, Narantsog Choijookhuu, Haruna Izu, Yoshihiro Kawano, Mizuho Inokuchi, Kimiko Honsho, Ah-Reum Lee, Hiroki Nabekura, Hiroshi Ohta, Tomoyuki Tsukiyama, Yasuhide Ohinata, Asato Kuroiwa, Yoshitaka Hishikawa, Mitinori Saitou, Takamichi Jogahara, Chihiro Koshimoto
  • Journal Title: Sci Adv. Volume: -
  • DOI: 10.1126/sciadv.1602179
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Clonal variation of human induced pluripotent stem cells for induction into the germ cell fate† (2017)
  • Author(s): Yokobayashi Shihori、Okita Keisuke、Nakagawa Masato、Nakamura Tomonori、Yabuta Yukihiro、Yamamoto Takuya、Saitou Mitinori
  • Journal Title: Biology of Reproduction Volume: 96 Pages: 1154-1166
  • DOI: 10.1093/biolre/iox038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-cell transcriptome of early embryos and cultured embryonic stem cells of cynomolgus monkeys. (2017)
  • Author(s): Nakamura, T., Yabuta, Y., Okamoto, I., Sasaki, K., Iwatani, C., Tsuchiya, H., and Saitou, M.
  • Journal Title: Scientific Data Volume: 4 Pages: 170067-170067
  • DOI: 10.1038/sdata.2017.67
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expansion of mouse primordial germ cell-like cells in culture reconstitutes an epigenetic blank slate. (2017)
  • Author(s): Ohta H, Kurimoto K, Okamoto I, Nakamura T, Yabuta Y, Miyauchi H, Yamamoto T, Okuno Y, and Hagiwara M, Shirane K, Sasaki H, Saitou M.
  • Journal Title: EMBO J. Volume: 36 Issue: 13 Pages: 1888-1907
  • DOI: 10.15252/embj.201695862
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reconstitution of the oocyte nucleolus in mice through a single nucleolar protein, NPM2 (2017)
  • Author(s): Ogushi Sugako、Yamagata Kazuo、Obuse Chikashi、Furuta Keiko、Wakayama Teruhiko、Matzuk Martin M.、Saitou Mitinori
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 130 Pages: 2416-2429
  • DOI: 10.1242/jcs.195875
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differential epigenetic memory states and reactivation kinetics of the inactive X chromosome in the inner cell mass (2017)
  • Author(s): Borensztein, M., Okamoto, I., Syx, L., Guilbaud, G., Christel, P., Ancelin, K., Diabangouaya, P., Servant, N., Barillot, E., Surani, A., Saitou, M., Chen, C-J., Anastassiadis, K., and Heard, E.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Pages: 1297-1297
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01415-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fertile offspring from sterile sex chromosome trisomic mice (2017)
  • Author(s): Hirota Takayuki、Ohta Hiroshi、Powell Benjamin E.、Mahadevaiah Shantha K.、Ojarikre Obah A.、Saitou Mitinori、Turner James M. A.
  • Journal Title: Science Volume: 357 Pages: 932-935
  • DOI: 10.1126/science.aam9046
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Principles for the regulation of multiple developmental pathways by a versatile transcriptional factor, BLIMP1. (2017)
  • Author(s): Mitani T, Yabuta Y, Ohta H, Nakamura T, Yamashiro C, Yamamoto T, Saitou M, Kurimoto K
  • Journal Title: Nucleic Acids Res Volume: 45 Pages: 12152-12169
  • DOI: 10.1093/nar/gkx798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bone morphogenetic protein and retinoic acid synergistically specify female germ‐cell fate in mice (2017)
  • Author(s): Miyauchi Hidetaka、Ohta Hiroshi、Nagaoka So、Nakaki Fumio、Sasaki Kotaro、Hayashi Katsuhiko、Yabuta Yukihiro、Nakamura Tomonori、Yamamoto Takuya、Saitou Mitinori
  • Journal Title: EMBO Journal Volume: 36 Pages: 3100-3119
  • DOI: 10.15252/embj.201796875
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Klf5 maintains the balance of primitive endoderm versus epiblast specification during mouse embryonic development by suppression of Fgf4 (2017)
  • Author(s): Azami Takuya、Waku Tsuyoshi、Matsumoto Ken、Jeon Hyojung、Muratani Masafumi、Kawashima Akihiro、Yanagisawa Jun、Manabe Ichiro、Nagai Ryozo、Kunath Tilo、Nakamura Tomonori、Kurimoto Kazuki、Saitou Mitinori、Takahashi Satoru、Ema Masatsugu
  • Journal Title: Development Volume: 144 Pages: 3706-3718
  • DOI: 10.1242/dev.150755
  • NAID: 120006364176
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolutionarily Distinctive Transcriptional and Signaling Programs Drive Human Germ Cell Lineage Specification from Pluripotent Stem Cells (2017)
  • Author(s): Kojima Yoji、Sasaki Kotaro、Yokobayashi Shihori、Sakai Yoshitake、Nakamura Tomonori、Yabuta Yukihiro、Nakaki Fumio、Nagaoka So、Woltjen Knut、Hotta Akitsu、Yamamoto Takuya、Saitou Mitinori
  • Journal Title: Cell Stem Cell Volume: 21 Pages: 517-532
  • DOI: 10.1016/j.stem.2017.09.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Promoting In Vitro Gametogenesis Research with a Social Understanding. (2017)
  • Author(s): Ishii T, Saitou M.
  • Journal Title: Trends in Molecular Medicine Volume: 23 Pages: 985-988
  • DOI: 10.1016/j.molmed.2017.09.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstitution of Female Germ Cell Fate Determination and Meiotic Initiation in Mammals. (2017)
  • Author(s): Nagaoka, S. and Saitou, M.
  • Journal Title: Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology Volume: 80 Pages: 033803-033803
  • DOI: 10.1101/sqb.2017.82.033803
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2019)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第15回日本A-PART学術講演会2019
  • Invited
• [Presentation] Epigenetic Reprogramming, Female Sex Determination and Meiotic Entry of Mouse Germ Cells In Vitro (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 117th From oocyte to embryo ? illuminating the origins of life, Titisee conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Epigenetic Reprogramming, Female Sex Determination and Meiotic Entry of Mouse Germ Cells In Vitro (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: BSDB Annual Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanism and Reconstitution In Vitro of Germ Cell Development in Mice, Monkeys, and Humans (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: Weinstein Cardiovascular Development & Regeneration Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第59 回日本卵子学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 精子と卵子を創る科学：生命継承機構の探求 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第5回バイオ・フロンティア・プラットフォームシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Mechanism and Reconstitution In Vitro of Germ Cell Development in Mice, Monkeys, and Humans (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: The ISSCR annual meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞の発生機構の解明とその試験管内再構成 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第36回日本受精着床学会総会
  • Invited
• [Presentation] Mechanism and In Vitro Reconstitution of Germ Cell Development in Mice, Monkeys and Humans (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: AMGEN Program 床学会総会
  • Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 高遠シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第63回日本生殖医学会
  • Invited
• [Presentation] Mechanism and In Vitro Reconstitution of Human germ cell development (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: From Stem Cells to Human Development
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 日本生殖工学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Mechanism and Reconstitution In Vitro of Germ Cell Development in Mice, Monkeys, and Humans (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: EPFL
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 日本生殖発生医学会第14回学術集会
  • Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2018)
  • Author(s): 斎藤通紀
  • Organizer: 第9回日本がん・生殖医療学会 学術集会
  • Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞の試験管内誘導に向けて：霊長類を用いた発生生物学の基盤形成 (2018)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 日本マーモセット研究会大会
  • Invited
• [Presentation] 精子と卵子を創る科学：生命継承機構の探求 (2018)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 第27回泌尿器科分子・細胞研究会
  • Invited
• [Presentation] 精子と卵子を創る科学：生命継承機構の探求 (2018)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 第50回神戸ラボ全体研究会議（神戸大学大学院医学研究科 病態シグナル学部門）
  • Invited
• [Presentation] 精子と卵子を創る科学：生命継承機構の探求 (2018)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 第5回 Medical Frontier Consortium Beyond the Organcentric Dogma
  • Invited
• [Presentation] ヒトiPS細胞からの生殖細胞の誘導 (2018)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 日本生殖発生医学会 第13回学術集会
  • Invited
• [Presentation] Female sex determination and meiotic entry of mouse germ cells in vitro (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 82nd Cold Spring Harbor Symposium on Quantiative Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanism and Reconstitution In Vitro of Germ Cell Developmentin in Mice, Monkeys, and Humans (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: ISSCR 2017 Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In Vitro Reconstitution of Germ Cell Development (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: Germinal Stem Cell Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Specification of the Germ Cell Fate in Mice, Monkeys and Humans (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: The International Symposium of Germ Cell Development in vivo and in vitro
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Epigenetic Reprogramming, Female Sex Determination and Meiotic Entry of Mouse Germ Cells In Vitro (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: EMBL, Mammalian Genetics and Genomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Epigenetic Reprogramming, Female Sex Determination and Meiotic Entry of Mouse Germ Cells In Vitro (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: CiRA 2017 International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヒト生殖細胞試験管内誘導研究の現状と展望 (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 第35回日本受精着床学会総会・学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 精子と卵子を創る科学：生命継承機構の探求 (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 京都大学 東京フォーラム
• [Presentation] 精子・卵子を創る研究とは (2017)
  • Author(s): 斎藤 通紀
  • Organizer: 市民ワークショップ「考えよう再生医療」
  • Invited
• [Remarks] 京都大学 医学研究科 生体構造医学講座 機能微細形態学
  • URL: http://anat.cell.med.kyoto-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 京都大学 高等研究院 ヒト生物学高等研究拠点
  • URL: http://ashbi.kyoto-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 始原生殖細胞／始原生殖細胞様細胞の維持増幅及び分化誘導方法 (2017)
  • Inventor(s): 斎藤通紀、大田浩、宮内英孝
  • Industrial Property Rights Holder: 斎藤通紀、大田浩、宮内英孝
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2017
• [Patent(Industrial Property Rights)] 多能性幹細胞から生殖系列幹細胞様細胞への分化誘導方法 (2017)
  • Inventor(s): 斎藤通紀、石藏友紀子
  • Industrial Property Rights Holder: 斎藤通紀、石藏友紀子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2017