多階層オミックスによる卵子の発生能制御分子ネットワークの解明

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05214
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 佐々木 裕之 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (30183825)
• 研究分担者: 丸山 修 九州大学, 芸術工学研究院, 准教授 (20282519)
• 研究期間 (年度): 2018-04-23 – 2023-03-31
• キーワード: 卵子 / オミックス / ゲノム編集 / 機械学習 / 発生

研究実績の概要

本研究ではゲノム編集、多階層オミックス解析、機械学習などの手法を駆使し、マウスの卵子形成と受精後の発生を支えるプログラム、特に抑制型の遺伝子制御プログラムを確立・維持する分子ネットワークを明らかにする。初年度は、従来から進めていたマウス卵子で発現するヒストンH3K9メチル化酵素G9aの研究を完了して論文化した（Cell Rep. 2019）。その成果として、ヒストンH3K9me2が卵子のヘテロクロマチン再構成と受精後の染色体分配に必須であること、また、定説とは異なり、H3K9me2はDNAメチル化の保護因子ではない（体細胞の制御ネットワークとは異なる）ことを明らかにした。また、共同研究者によるヒト人工多能性幹細胞から卵原細胞を誘導する研究を支援し、その過程におけるDNAメチル化の動態を明らかにした（Science 2018）。すなわち、ゲノムワイドなDNA脱メチル化、インプリント消去、X染色体の再活性化など生体内の卵子で生じる変化が、培養皿内の卵子誘導過程において再現されていることを示した。以上に加え、ヒストンH3K36メチル化酵素Setd2の卵子特異的ノックアウトを完成させ、ゲノム編集によりDNAメチル化酵素Dnmt3a及びメチル化維持因子Uhrf1のヒストン修飾認識ドメイン及び触媒ドメインの変異マウスを作成した。これらの変異マウスから高品質の細胞を分離するためセルソーターを購入し、エピゲノムやトランスクリプトーム解析を効率よく実施するため最新鋭の次世代シーケンサーを導入した（部局経費などとの合算によるリース契約）。また、卵子・胚盤胞のDNAメチル化データを利用して、機械学習に関する予備的解析を実施した。最後に、本研究で取り上げているゲノム刷り込みの生理的な過程について、国際的な共著チームに参加して現状のまとめと展望を行なった（Cell 2019）。

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

ゲノム編集による抑制型プログラムを確立・維持する因子の変異マウスの作成、表現型解析、多階層オミックス解析は当初計画どおり進捗した。しかし、この研究分野にも多くの研究者が参入しつつあり、体細胞におけるDNAメチル化酵素Dnmt3aのPWWPドメイン（ヒストンH3K36me3を認識すると推測される）の変異が小人症を起こすという我々の未発表データと同じ結果が最近Nat. Genet.誌に報告された。本来の目的である卵子における研究も競争状態にある可能性が高く、早期の論文化を目指す。また、卵子特異的なヒストンH3K36メチル化酵素Setd2の変異についても競合相手がいる可能性があり、現在情報を収集している。機械学習によるエピジェネティック伝達の予測については、決定木などを用いた予備的解析を当初の計画どおり実施した。その過程で、既存データの厚み（データサイズ）不足が明らかになり、全ゲノムDNAメチル化解析を追加実施する必要が判明した。全体としておおむね順調に進展しているが、今後は研究をさらに加速したい。

今後の研究の推進方策

当初計画に従って研究を進めるが、Dnmt3aのPWWPドメイン変異マウスの早期論文化を優先する。また、Setd2変異マウスについては、競合相手からの情報収集の結果に基づいて今後の方針を再検討する。受精後の卵割や染色体分配の異常は多くの変異マウスで共通に見られる表現型であるため、リアルタイム解析を効率よく実施できるオールインワン顕微鏡を導入する予定である。また、機械学習のためのデータの厚み（データサイズ）不足を解消するため、胚盤胞の全ゲノムDNAメチル化解析を早期に追加実施する。この実験には初年度にリースで導入した最新鋭の次世代シーケンサーを活用し、安価で効率よくデータを追加できる予定である。また、マウスの発生プログラムやエピゲノム解析の経験があり、機械学習・数理モデリングの素養のある博士研究員1名を雇用できる見込みが立ったため、この方面の研究を一段と加速する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Institute of Molecular Genetics/CNRS/University of Montpellier(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institute of Molecular Genetics/CNRS/University of Montpellier
• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of British Columbia
• [雑誌論文] Histone H3K9 methyltransferase G9a in oocytes is essential for preimplantation development but dispensable for CG methylation protection. (2019)
  • 著者名/発表者名: Au Yeung, W.K., Brind’Amour, J., Hatano, Y., Yamagata, K., Feil, R., Lorincz, M.C., Tachibana, M., Shinkai, Y. & Sasaki, H.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 27 ページ: 282-293
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2019.03.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genomic imprinting and physiological processes in mammals (2019)
  • 著者名/発表者名: Tucci, V., Isles, A.R., Kelsey, G., Ferguson-Smith, A.C., Bartolomei, M.S, Benvenisty, N., Bourc’his, D., Charalambous, M., Dulac, C., Feil, R., Glaser, J., Huelsmann, L., John, R.M., McNamara, G.I., Moorwood, K., Muscatelli, F., Sasaki, H., Strassmann, B.I., Vincenz, C., Wilkins, J.
  • 雑誌名: Cell 巻: 176 ページ: 952-965
  • DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.043
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of human oogonia from induced pluripotent stem cells in vitro. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamashiro, C., Sasaki, K., Yabuta, Y., Kojima, Y., Nakamura, T., Okamoto, I., Yokobayashi, S., Murase, Y., Ishikura, I., Shirane, K., Sasaki, H., Yamamoto, T. & Saitou, M.
  • 雑誌名: Science 巻: 362 ページ: 356-360
  • DOI: 10.1126/science.aat1674
  • 査読あり
• [雑誌論文] エピジェネティクスと蛋白質生合成の制御. (2018)
  • 著者名/発表者名: 阿部周策，佐々木裕之
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 267 ページ: 893-897
• [学会発表] Role of UHRF1 in de novo DNA methylation in oocytes and maintenance methylation in preimplantation embryos. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sasaki, H.
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia Conference: Chromatine, Epigenetics & Transcription 2018 (Suzhou)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] エピジェネティクスと細胞記憶と疾患 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐々木裕之
  • 学会等名: 平成30年度日本生化学会九州支部例会（福岡）
  • 招待講演
• [学会発表] エピジェネティクスと細胞記憶と疾患 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐々木裕之
  • 学会等名: 第60回歯科基礎医学会学術大会（福岡）
  • 招待講演
• [学会発表] Distinct roles of epigenetic regulators in mouse oocytes and somatic sells. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sasaki, H.
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Meeting: Epigenetics & Chromatin (New York)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Histone H3K9 methyltransferase G9a in oocyte is essential for preimplantation development but dispensable for CG methylation protection. (2018)
  • 著者名/発表者名: Au Yeung, W.K., Brind'Amour, J., Hatano, Y., Yamagata, K., Feil, R., Lorincz, M.C., Tachibana, M., Shinkai, Y., Sasaki, H.
  • 学会等名: International Human Epigenome Consortium Annual Meeting 2018 (Hong Kong)
  • 国際学会
• [備考] 九州大学芸術工学研究院丸山研究室
  • URL: http://www.design.kyushu-u.ac.jp/~maruyama/
• [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: http://www.bioreg.kyushu-u.ac.jp/labo/epigenome/