個体発生における生殖細胞集団のレパートリー動態の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 配偶子インテグリティの構築
• 研究課題/領域番号: 18H05551
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 吉田 松生 基礎生物学研究所, 生殖細胞研究部門, 教授 (60294138)
• 研究分担者: 中村 隼明 広島大学, 統合生命科学研究科(生), 助教 (30613723)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 生殖細胞 / レパートリー / 細胞系譜 / バーコーディング

研究実績の概要

2020年度は以下のような研究を遂行し、生殖細胞の発生様式の異なる哺乳類と鳥類における配偶子インテグリティ成立プロセスの解析を進めた。まず、2019年度までに確立した、マウス生殖細胞特異的に多数の異なる配列（バーコード）を導入する実験系を用いて、胎児生殖細胞にバーコードを導入し、発生の進んだ段階の生殖細胞および精子を介して次世代に伝わったバーコードのデータ取得を進めた。また、本解析に必要な情報である、胎児期の生殖細胞数を、３次元顕微鏡画像より計測するアルゴリズムを共同開発した。これらのデータを用いて、海外研究協力者とともに解析手法を開発しながら、クローンレパートリー数の動態解析を行った。さらに、2019年度までにマウス精巣を異なる温度で培養することで明らかにした、深部体温程度の温度上昇によって、精子形成、とくに減数分裂の進行が障害を受ける分子メカニズムの解明を進め、DNA二重鎖切断の修復および相同染色体の対合が障害されること、障害を受けた細胞は減数分裂チェックポイントによって除去されることを明らかにした（以上は、研究代表者吉田が行った）。鳥類においては、ニワトリ生殖細胞の培養条件を改善し、遺伝子導入の条件の検討を進めた (以上は、研究分担者中村が行った)。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

上記のように本研究は進行している。2019年度にコロナウイルス感染症の影響などで、計画以上に時間を要したバーコード導入や培養条件の最適化については、最適化した実験条件を用いて信頼できるデータを網羅的に取得することができた。以上から、概ね順調に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

基本的には、現在進行している研究を推進することで、本研究の目的の達成を目指す。それを通して、本研究領域の研究の進展に貢献する。マウス生殖細胞のレパートリー動態については、本年度までに取得したバーコード頻度についてのデータの取得を完了する。海外研究協力者とともに数理統計解析を行い、個体に含まれる生殖細胞レパートリーの変遷を高い精度で推定することを実現する。レパートリーが減少する段階が同定されれば、その時期の生殖細胞の不均一性を検討する。さらに、細胞系譜と遺伝子発現の情報を紐づけて解析する実験系を導入する。マウス精子形成の高温感受性については、高温で障害を受ける減数分裂のステップと分子マシナリーを絞り込む。深部体温程度の温度上昇に感応するメカニズムの解明を目指して、候補分子の各種変異体の解析を行う。鳥類では、ニワトリ生殖細胞への遺伝子導入効率とその培養効率を改善することで、遺伝子改変した安定細胞株樹立の効率化を図る。また、Brainbow 2.1ならびにdead end MCMが導入された遺伝子改変ニワトリの作出を進め、生殖細胞を複数の蛍光タンパク質でランダムにパルス標識することで、生殖細胞系譜の運命を追跡する。

研究成果

• [国際共同研究] ドイツがん研究センター（DKFZ）/ハイデルベルク大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ドイツがん研究センター（DKFZ）/ハイデルベルク大学
• [国際共同研究] ロスリン研究所/ケンブリッジ大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ロスリン研究所/ケンブリッジ大学
• [国際共同研究] シンシナティ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: シンシナティ大学
• [国際共同研究] ミナス・ジェライス連邦大学(ブラジル)
  • 国名: ブラジル
  • 外国機関名: ミナス・ジェライス連邦大学
• [雑誌論文] Regulation of spermatogenic stem cell homeostasis by mitogen competition in an open niche microenvironment (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitadate Yu、Yoshida Shosei
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 97 ページ: 15～25
  • DOI: 10.1266/ggs.21-00062
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A multistate stem cell dynamics maintains homeostasis in mouse spermatogenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Toshinori、Jorg David J.、Watanabe Hitomi、Mizuno Seiya、Han Seungmin、Ikeda Tatsuro、Omatsu Yoshiki、Nishimura Keiko、Fujita Miyako、Takahashi Satoru、Kondoh Gen、Simons Benjamin D.、Yoshida Shosei、Nagasawa Takashi
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 37 ページ: 109875～109875
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109875
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transient suppression of transplanted spermatogonial stem cell differentiation restores fertility in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Yoshiaki、Jorg David J.、Kon Yayoi、Simons Benjamin D.、Yoshida Shosei
  • 雑誌名: Cell Stem Cell 巻: 28 ページ: 1443～1456.e7
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.03.016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mapping of Quantitative Trait Loci Controlling Egg-Quality and -Production Traits in Japanese Quail (Coturnix japonica) Using Restriction-Site Associated DNA Sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Haqani Mohammad Ibrahim、Nomura Shigeru、Nakano Michiharu、Goto Tatsuhiko、Nagano Atsushi J.、Takenouchi Atsushi、Nakamura Yoshiaki、Ishikawa Akira、Tsudzuki Masaoki
  • 雑誌名: Genes 巻: 12 ページ: 735～735
  • DOI: 10.3390/genes12050735
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative trait loci for growth-related traits in Japanese quail (Coturnix japonica) using restriction-site associated DNA sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Haqani Mohammad Ibrahim、Nomura Shigeru、Nakano Michiharu、Goto Tatsuhiko、Nagano Atsushi J.、Takenouchi Atsushi、Nakamura Yoshiaki、Ishikawa Akira、Tsudzuki Masaoki
  • 雑誌名: Molecular Genetics and Genomics 巻: 296 ページ: 1147～1159
  • DOI: 10.1007/s00438-021-01806-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] EXOC1 plays an integral role in spermatogonia pseudopod elongation and spermatocyte stable syncytium formation in mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Osawa Yuki, Murata Kazuya, Usui Miho, Kuba Yumeno, Le H Thu, Mikami Natsuki, Nakagawa Toshinori, Daitoku Yoko, Kato Kanako, Shawki H Hassan, Ikeda Yoshihisa, Kuno Akihiro, Morimoto Kento, Tanimoto Yoko, Dinh T T Huong, Yagami Ken-ichi, Ema Masatsugu, Yoshida Shosei, Takahashi Satoru, Mizuno Seiya, Sugiyama Fumihiro
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.7554/eLife.59759
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Stem Cell Populations as Self-Renewing Many-Particle Systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Jorg David J.、Kitadate Yu、Yoshida Shosei、Simons Benjamin D.
  • 雑誌名: Annual Review of Condensed Matter Physics 巻: 12 ページ: 135～153
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-041720-125707
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isolation of Murine Spermatogenic Cells using a Violet-Excited Cell-Permeable DNA Binding Dye (2021)
  • 著者名/発表者名: Yeh Yu-Han、Hu Mengwen、Nakagawa Toshinori、Sakashita Akihiko、Yoshida Shosei、Maezawa So、Namekawa Satoshi H.
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.3791/61666
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 精子幹細胞研究の展開：見えてきた個のランダム性と集団の安定性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田松生
  • 雑誌名: 生化学 巻: - ページ: -
• [雑誌論文] 精子幹細胞のランダムな挙動からニッチの役割を考える (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田 松生
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 72 ページ: 100～104
  • DOI: 10.11477/mf.2425201322
• [雑誌論文] A Growth Performance and Nonlinear Growth Curve Functions of Large- and Normal-Sized Japanese Quail (2021)
  • 著者名/発表者名: Haqani Mohammad I.、Kawamura Kensuke、Takenouchi Atsushi、Kabir Mohammad H.、Nakamura Yoshiaki、Ishikawa Akira、Tsudzuki Masaoki
  • 雑誌名: The Journal of Poultry Science 巻: 58 ページ: 88～96
  • DOI: 10.2141/jpsa.0200020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spermatogonial asynchrony in Tex14 mutant mice lacking intercellular bridges (2020)
  • 著者名/発表者名: Rezende-Melo C A、Caldeira-Brant A L、Drumond-Bock A L、Buchold G M、Shetty G、Almeida F R C L、Matzuk M M、Hara K、Yoshida S、Meistrich M L、Chiarini-Garcia H
  • 雑誌名: Reproduction 巻: 160 ページ: 205～215
  • DOI: 10.1530/Rep-20-0118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tracing the cellular basis of islet specification in mouse pancreas (2020)
  • 著者名/発表者名: Sznurkowska Magdalena K.、Hannezo Edouard、Azzarelli Roberta、Chatzeli Lemonia、Ikeda Tatsuro、Yoshida Shosei、Philpott Anna、Simons Benjamin D.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 5037
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18837-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mouse Spermatogenesis Reflects the Unity and Diversity of Tissue Stem Cell Niche Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Shosei
  • 雑誌名: Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 巻: 12 ページ: a036186～a036186
  • DOI: 10.1101/cshperspect.a036186
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ジメチルスルホキシドを用いたニワトリ始原生殖細胞の凍結保存液の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 濵井奈津子，丹所祐貴，大岡雪乃，平野茉葉，都築政起，中村隼明
  • 学会等名: 日本家禽学会2022年度春季大会
• [学会発表] Live-imaging the stem cells and spatiotemporal pattern of spermatogenesis in the mouse testis (2022)
  • 著者名/発表者名: Shosei Yoshida
  • 学会等名: ISSCR webinar series, Understanding Stem Cells & Cellular Processes Through Imaging
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マウス精子形成における減数分裂の温度感受性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田松生
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 生殖細胞・減数分裂研究の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] 精子形成の周期と波の可視化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田松生
  • 学会等名: 認識と形成2022 冬の討論会
• [学会発表] Dynamics and regulation of sperm stem cells in the mouse testis (2021)
  • 著者名/発表者名: Shosei Yoshida
  • 学会等名: RIMS Workshop "Biofluid Mechanics of Reproduction"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Restoration of fertility by tuning the post-transplantation fate of mouse spermatogonial stem cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura
  • 学会等名: 第18回幹細胞シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 精子幹細胞: そのランダムな挙動と移植による妊孕性の回復 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田松生
  • 学会等名: 第109回日本泌尿器科学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 機能的にヘテロジーニアスなマウス精子幹細胞集団を維持する、確率的な状態の転移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中川俊徳、吉田松生
  • 学会等名: 第114回日本繁殖生物学会
• [学会発表] Clonal dynamics of developing germ cells in murine testes (2021)
  • 著者名/発表者名: Tatsuro Ikeda, Langhinrichs Maurice, Nizharadze Tamar, Hofer Thomas, Rodewald Hans-Reimer, Shosei Yoshida
  • 学会等名: 92nd Annual Meeting of the ZSJ
  • 国際学会
• [学会発表] Regulation of Spermatogonial Stem Cell Dynamics in the Testis (2021)
  • 著者名/発表者名: Shosei Yoshida
  • 学会等名: CRH Reproduction Seminar, virtual seminar series on Germline Development and Function
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fertility restoration by tuning the stochastic fate of transplanted spermatogonial stem cells in mouse (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura, David Jorg, Yayoi Kon, Benjamin Simons, and Shosei Yoshida
  • 学会等名: 21st European Testis Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multistate dynamics of stem cells in steady-state mouse spermatogenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Nakagawa, David Jorg, Benjamin Simons, and Shosei Yoshida
  • 学会等名: 第18回幹細胞シンポジウム
• [学会発表] ニワトリ始原生殖細胞の培養と凍結保存 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隼明
  • 学会等名: 第5回HiHA Young Researchers Workshop (広島大学健康長寿拠点) NBRPオンラインワークショップ バイオリソースの先端技術まるわかり
  • 招待講演
• [学会発表] 精子幹細胞移植の進展と畜産への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隼明
  • 学会等名: 第130回日本畜産学会大会 パラレルシンポジウムII
  • 招待講演
• [学会発表] Cryobanking of chicken through manipulation of primordial gem cells (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村隼明
  • 学会等名: Workshop on Avian Biodiversity (The East Asia Science and Innovation Area Joint Research Program)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Manipulation of primordial germ cells for conservation and breeding of endangered birds (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Nakamura
  • 学会等名: Avian Genetic Rescue Meeting (Revive & Restore)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Maintenace of homeostasis and highjack by non-neutral stem cell clones in mouse spermatogenesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Shosei Yoshida
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting on Germ Cells
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sperm production with minimal mutations. S4: Developmental mechanisms underlying sexual reproduction (2020)
  • 著者名/発表者名: Shosei Yoshida
  • 学会等名: JSDB Online Trial Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 遺伝学の百科事典 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田松生 日本遺伝学会編
  • 総ページ数: 690
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 978-4-621-30660-4
• [図書] SDGsに向けた生物生産学入門 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三本木 至宏、上田 晃弘、杉野 利久、鈴木 卓弥、冨山 毅、船戸 耕一
  • 総ページ数: 256
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320058316
• [備考] 基礎生物学研究所 吉田研究室
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/germcell/