全能性プログラムにおけるエピゲノム再編成の理解とその人為的制御

• 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: 19H05756
• 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: 山梨大学 (2021-2023); 九州大学 (2019-2020)
• 研究代表者: 石内 崇士 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (80612100)
• 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: 91,780千円 (直接経費: 70,600千円、間接経費: 21,180千円); 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: 24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円)
• キーワード: 全能性 / 受精卵 / ZGA / エピゲノム / 遺伝子発現 / 転写 / エピゲノム再プログラム化 / エピジェネティクス

研究開始時の研究の概要

精子と卵子の融合により形成される受精卵や、体細胞核移植胚においては、大幅なエピゲノムの書き換え、すなわち「エピゲノム再プログラム化」を介して全能性が獲得されると考えられている。しかしながら、技術的問題から、その分子機構は未解明のままとなっている。本研究では、最新の技術の応用と新規技術の開発によって、その分子実体に迫り、全能期のエピゲノム制御機構を詳細に理解する。さらに、それらの結果を基盤として、全能性の人為的制御へと発展させる。これらの研究から得られる成果は、生命の始まりの基礎的理解にとどまらず、近年ますます増加傾向にある生殖補助医療にとっても重要な知見となることが期待される。

研究成果の概要

精子と卵子の融合により形成される受精卵は全能性を有する。受精卵において生じる胚性ゲノム活性化（ZGA）は受精卵特有の転写プログラムであり、その開始には大幅なエピゲノムの書き換え、すなわち「エピゲノム再プログラム化」が重要であることが強く示唆されており、本研究では、受精卵のエピゲノム制御機構とZGAの詳細な理解を目指した。そして、(1)ヒストンバリアントH3.3は全能期において通常見られない非典型的な分布を示すこと、(2)ゲノムワイドなヌクレオソームポジショニングは受精後の胚発生過程で定まっていくこと、(3)ZGA期には動的な転写リプログラミングが生じること等を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

胚性幹細胞(ES細胞)やiPS細胞の研究により、多能性がいかにして獲得されるのかという点については現在多くのことがわかっていると言える。しかし、多能性の上位にあるとも言える全能性についての理解は乏しい。これは全能性を理解するには実験材料として希少な受精卵を必要とするためである。そこで我々は、極めて微量の細胞に対しても解析可能な技術を開発することでこの問題の解決を試みた。そして、エピゲノム解析手法としてlow-input(li)ChIP-seqやliMNase-seq法を、受精卵の転写プログラムの解析手法としてLET-seq法を開発し、全能性細胞である受精卵の特徴を見出すことに成功した。

研究成果

• [国際共同研究] Cincinnati Children's Hospital/University of California, Davis(米国)
• [国際共同研究] Cincinnati Children's Hospital(米国)
• [雑誌論文] YY1-dependent transcriptional regulation manifests at the morula stage (2024)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto Mizuki、Ishiuchi Takashi
  • 雑誌名: MicroPublication Biology 巻: eCollection 2024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular mechanisms underlying totipotency (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishiuchi Takashi、Sakamoto Mizuki
  • 雑誌名: Life Science Alliance 巻: 6 号: 11 ページ: e202302225-e202302225
  • DOI: 10.26508/lsa.202302225
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic nucleosome remodeling mediated by YY1 underlies early mouse development (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto Mizuki、Abe Shusaku、Miki Yuka、Miyanari Yusuke、Sasaki Hiroyuki、Ishiuchi Takashi
  • 雑誌名: Genes & Development 巻: 37 号: 13-14 ページ: 590-604
  • DOI: 10.1101/gad.350376.122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Paternally inherited H3K27me3 affects chromatin accessibility in mouse embryos produced by round spermatid injection (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Sakamoto、Daiyu Ito、Rei Inoue、Sayaka Wakayama、Yasuyuki Kikuchi、Li Yang、Erika Hayashi、Rina Emura、Hirosuke Shiura、Takashi Kohda、Satoshi H. Namekawa、Takashi Ishiuchi、Teruhiko Wakayama、Masatoshi Ooga
  • 雑誌名: Development 巻: 149(18) 号: 18 ページ: 18-18
  • DOI: 10.1242/dev.200696
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Histone H3K36me2 and H3K36me3 form a chromatin platform essential for DNMT3A-dependent DNA methylation in mouse oocytes (2022)
  • 著者名/発表者名: Yano Seiichi、Ishiuchi Takashi、Abe Shusaku、Namekawa Satoshi H.、Huang Gang、Ogawa Yoshihiro、Sasaki Hiroyuki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 4440-4440
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32141-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Healthy cloned offspring derived from freeze-dried somatic cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Wakayama Sayaka、Ito Daiyu、Hayashi Erika、Ishiuchi Takashi、Wakayama Teruhiko
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 3666-3666
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31216-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TFB2M and POLRMT are essential for mammalian mitochondrial DNA replication (2022)
  • 著者名/発表者名: Inatomi Teppei、Matsuda Shigeru、Ishiuchi Takashi、Do Yura、Nakayama Masunari、Abe Shusaku、Kasho Kazutoshi、Wanrooij Sjoerd、Nakada Kazuto、Ichiyanagi Kenji、Sasaki Hiroyuki、Yasukawa Takehiro、Kang Dongchon
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research 巻: 1869 号: 1 ページ: 119167-119167
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2021.119167
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reprogramming of the histone H3.3 landscape in the early mouse embryo. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishiuchi, T., Abe, S., Inoue, K., Au Yeung, W.K., Miki, Y., Ogura, A. & Sasaki, H.
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 28 号: 1 ページ: 38-49
  • DOI: 10.1038/s41594-020-00521-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A histone H3.3K36M mutation in mice causes an imbalance of histone modifications and defects in chondrocyte differentiation (2020)
  • 著者名/発表者名: Abe Shusaku、Nagatomo Hiroaki、Sasaki Hiroyuki、Ishiuchi Takashi
  • 雑誌名: Epigenetics 巻: Online ahead of print 号: 10 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1080/15592294.2020.1841873
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-input ChIP-seqの現状 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士, 榊原祐樹, 佐々木裕之
  • 雑誌名: 臨床免疫・アレルギー科 巻: 72 ページ: 283-286
• [学会発表] Mini-oocyte誘導系の確立と卵子研究への応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 阪野亜美、石内崇士
  • 学会等名: 第4回有性生殖研究会
• [学会発表] 全能性を支えるエピゲノム・転写リプログラミング (2023)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 新学術・全能性 公開シンポジウム
• [学会発表] マウス初期胚におけるヌクレオソームポジション (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂本瑞季、石内崇士
  • 学会等名: 新学術領域「全能性プログラム」若手勉強会
• [学会発表] Kdm4d遺伝子欠損マウスはオス不妊を示す (2023)
  • 著者名/発表者名: 徐卓然、石内崇士
  • 学会等名: 新学術領域「全能性プログラム」若手勉強会
• [学会発表] マウス初期胚におけるヌクレオソームポジション (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂本瑞季、石内崇士
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 卵子形成機構の包括的理解にむけた取り組み (2023)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第1回甲信生殖発生研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 受精後発生における転写ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第74回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] Nucleosome organization in the early mouse embryos (2022)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: The International Symposium "Totipotency and Germ Cell Development"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 受精後発生を支えるエピゲノム・転写ネットワーク解明にむけた試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: バイオDXシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 受精後発生における転写ダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第44回 日本分子生物学会
• [学会発表] マウス初期発生における転写ダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 幹細胞研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 哺乳類の初期発生の基盤となるエピゲノム制御機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第14回 日本エピジェネティクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] エピゲノムと転写からアプローチする全能性デコーディング・デザイン (2020)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 配偶子インテグリティの構築・全能性プログラム 合同公開シンポジウム
• [学会発表] Reprogramming of the histone H3.3 landscape in the early mouse embryo (2020)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第43回 日本分子生物学会
• [学会発表] マウス初期発生におけるヒストンバリアントH3.3の動態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] エピゲノム解析が明らかにする卵子・受精卵の特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 世界を先導するリプロダクションコアの形成研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 初期胚発生におけるヒストンH3バリアントの動態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 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」公開シンポジウム2019
  • 招待講演
• [学会発表] 初期胚発生におけるエピゲノム動態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石内崇士
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会
• [図書] クロマチン解析実践プロトコール (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川 恭行、宮成 悠介 編集
  • 総ページ数: 270
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122481
• [備考] 山梨大学プレスリリース 受精卵の遺伝子発現を同定 ― 全能性の解明に新たな知見
  • URL: https://www.yamanashi.ac.jp/wp-content/uploads/2024/04/20240418pr.pdf
• [備考] 山梨大学プレスリリース 新規技術の開発により受精卵のゲノム構造を解明
  • URL: https://www.yamanashi.ac.jp/wp-content/uploads/2023/08/20230808-pr2.pdf
• [備考] 新学術領域 全能性プログラム：デコーディングからデザインへ
  • URL: https://totipotency.biken.osaka-u.ac.jp/
• [備考] 九州大学生体防御医学研究所エピゲノム制御学分野
  • URL: https://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/epigenome/