核の再プログラム化のin vitro再構成

• 研究領域: 全能性プログラム：デコーディングからデザインへ
• 研究課題/領域番号: 19H05755
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 新冨 圭史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (60462694)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 93,600千円 (直接経費: 72,000千円、間接経費: 21,600千円); 2023年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2022年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2021年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2020年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2019年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円)
• キーワード: 受精 / 核移植 / 染色体 / カエル卵抽出液 / 再構成 / 核の再プログラム化 / 細胞周期 / 再プログラム化 / 無細胞系 / 卵割周期 / 胚性遺伝子活性化

研究開始時の研究の概要

受精卵では核の構造が大きく変化します。こうして核が再プログラム化されると、細胞があらゆる組織へと分化するポテンシャル「全能性」が得られます。これまで、私たちはカエル卵の抽出液を使って、核の再プログラム化を試験管内で再現する方法を開発し、そのしくみを分子レベルで理解する準備を整えてきました。この研究では、独自の方法を使って、卵に存在するどのタンパク質が、どのような化学反応を通じて、再プログラム化をもたらすのかを明らかにします。さらに、得られた知見をもとにして、さまざまな組織に由来する細胞の核を再プログラム化し、人為的に全能性を与えることにも挑戦します。

研究成果の概要

動物の受精卵では、核ゲノムの制御様式が初期胚特異的なものへと変換され、あらゆる細胞に分化する準備が整う。本研究では、卵細胞質由来のタンパク質が、どのようにして核の再プログラム化を促進するのかを検討した。まず、カエル卵抽出液を用いた無細胞系を改変して初期胚での転写活性化や体細胞移植胚での核の動態を再現することにより、それぞれの過程において中心的な役割を果たすタンパク質の役割を明らかにした。さらに、精製タンパク質を用いて、核の再プログラム化に不可欠な素過程を試験管内で再構成するための技術基盤を確立した。これらの結果は、全能性獲得過程の生化学的理解を大きく前進させるものである。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年のゲノム科学的手法の飛躍的な進展により、核の再プログラム化に伴うエピゲノム変化への理解は飛躍的に進んだ一方で、再プログラム化を実行する卵由来のタンパク質の同定やその機能解析は大きく遅れている。また、体細胞核移植によるクローン作出が実用化されているにもかかわらず、その成功率は依然として低いままである。本研究で得られた成果は、これらの未解決の課題に対して、生化学的視点から解答をもたらすものである。

研究成果

• [国際共同研究] UC Berkeley(米国)
• [国際共同研究] MRC London Institute of Medical Sciences(英国)
• [国際共同研究] UC Berkeley(米国)
• [国際共同研究] MRC London Institute of Medical Sciences(英国)
• [雑誌論文] Recombinant cyclin B-Cdk1-Suc1 capable of multi-site mitotic phosphorylation in vitro (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Shintomi, Y. Masahara-Negishi, Masami Shima, Shoji Tane, and T. Hirano
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 19 号: 3 ページ: e0299003-e0299003
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0299003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of condensin II by self-suppression and release mechanisms (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Makoto M.、Kinoshita Kazuhisa、Shintomi Keishi、Aizawa Yuuki、Hirano Tatsuya
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 35 号: 2
  • DOI: 10.1091/mbc.e23-10-0392
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Monitering the compaction of single DNA molecules in Xenopus egg extract in real time (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Sun, H. Amiri, A. B. Tong, K. Shintomi, T. Hirano, C. Bustamante, and R. Heald.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 巻: 120 号: 12
  • DOI: 10.1073/pnas.2221309120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cell cycle-specific loading of condensin I is regulated by the N-terminal tail of its kleisin subunit (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Tane, K. Shintomi, K. Kinoshita, Y. Tsubota, M. M. Yoshida, T. Nishiyama, and T. Hirano
  • 雑誌名: eLife 巻: 11 ページ: 1-23
  • DOI: 10.7554/elife.84694
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solubilization of Mouse Sperm Chromatin for Sequencing Analyses Using a Chaperon Protein (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuko Fukuda, Keishi Shintomi, Kosuke Yamaguchi, Yasuhiro Fujiwara, Yuki Okada
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2577 ページ: 161-173
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2724-2_11
  • ISBN: 9781071627235, 9781071627242
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular dissection of condensin II-mediated chromosome assembly using in vitro assays (2022)
  • 著者名/発表者名: M. M. Yoshida, K. Kinoshita, Y. Aizawa, S. Tane, D. Yamashita, K. Shintomi, and T. Hirano
  • 雑誌名: eLife 巻: 11
  • DOI: 10.7554/elife.78984
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Making Mitotic Chromosomes in a Test Tube (2022)
  • 著者名/発表者名: Shintomi Keishi
  • 雑誌名: Epigenomes 巻: 6 号: 3 ページ: 20-20
  • DOI: 10.3390/epigenomes6030020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A loop extrusion-independent mechanism contributes to condensin I-mediated chromosome shaping (2022)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Kazuhisa、Tsubota Yuko、Tane Shoji、Aizawa Yuuki、Sakata Ryota、Takeuchi Kozo、Shintomi Keishi、Nishiyama Tomoko、Hirano Tatsuya
  • 雑誌名: Journal of Cell Biology 巻: 221 号: 3
  • DOI: 10.1083/jcb.202109016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Guiding functions of the C-terminal domain of topoisomerase IIα advance mitotic chromosome assembly (2021)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi and Tatsuya Hirano
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: - 号: 1 ページ: 2917-2917
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23205-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] An unexpected role of nucleosomes in mitotic chromosome assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 全能性獲得過程を試験管内で再現する (2023)
  • 著者名/発表者名: 新冨 圭史
  • 学会等名: 新学術領域「全能性プログラム」公開シンポジウム
• [学会発表] 染色体をつくる：物理化学的特性の理解を目指して (2022)
  • 著者名/発表者名: 新冨圭史
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年
  • 招待講演
• [学会発表] Biochemical dissection of nuclear reprogramming on somatic cell nuclear transfer (2022)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi
  • 学会等名: The International Symposium "Totipotency and Germ Cell Development"（
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] カエル卵を使って見えてきた染色体の構築メカニズム (2022)
  • 著者名/発表者名: 新冨圭史
  • 学会等名: 第93回日本動物学会大会 サテライトシンポジウ
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞周期の再構成は可能か？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 新冨圭史
  • 学会等名: 細胞分裂研究会
  • 招待講演
• [学会発表] カエル卵抽出液を使った体細胞核の再プログラム化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新冨圭史
  • 学会等名: 第74回日本細胞生物学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] カエル卵抽出液をつかって染色体構築におけるヌクレオソームの役割に迫る (2021)
  • 著者名/発表者名: 新冨圭史
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Reprogramming somatic cell nuclei in Xenopus egg extracts (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Topoisomerase IIa utilizes its C-terminal domain to work in crowded environments of mitotic chromosome assembly (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Shintomi and Tatsuya Hirano
  • 学会等名: 第43回 日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [備考] Research Map
  • URL: https://researchmap.jp/k_shintomi/presentations/38977698
• [備考] 研究成果に関するプレスリリース
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210518_4/index.html