鉄によるエピゲノム制御 -母体の鉄量変動は胎仔のエピゲノムを変えるのか？-

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K19221
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 立花 誠 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (80303915)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• キーワード: エピゲノム / 鉄 / 脱メチル化

研究実績の概要

DNAやヒストンの脱メチル化を触媒する酵素反応（酸化反応）には、酸化能力を有している二価鉄（Fe2+）が必須である。近年私たちは、マウスの胚性幹細胞を使った実験で、DNAのメチル化レベルとヒストンのメチル化レベルが培地中の鉄量に依存して変動することを見出した。この現象は、DNAの脱メチル化に関わるTetファミリー分子、およびヒストン脱メチル化酵素であるJmjCドメインファミリー分子の酵素活性が、培地に含まれる鉄量によって律速されることを意味する。この実験結果は、鉄の不足や過剰な状態が、生体内においても細胞のエピゲノムを変えうることを想起させた。胎仔（児）期におきる性決定やゲノムインプリントの消去には、上記のエピゲノム酵素群が深く関与する。このような知見に基づき、妊娠期の母体の鉄の代謝変動が胎仔エピゲノムに及ぼす影響を、マウスモデルで検証する。
2021年度には、鉄過剰症に対して一般的に処方されてる鉄キレート剤の効果について検証した。XYマウス胎仔の未分化生殖腺を摘出し、上記キレート剤の存在下で器官培養を行った。その結果、キレート剤を培地に添加することによって生殖腺体細胞のヒストンH3の9番目のリジンのメチル化が亢進していることが確認された。さらに2日間培養し、オス体細胞マーカーのSOX9とメス体細胞マーカーのFOXL2に対する抗体で二重染色を行った。その結果、鉄キレート剤の添加により、オス化した体細胞が減少するとともに、メス化した体細胞が著しく増加ていることが明らかになった。本研究成果は、細胞レベルでのみならず、器官のレベルでも、鉄の代謝がヒストンのメチル化エピゲノムに重要であることを示した。

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

胚発生期におきる性決定やゲノムインプリントの消去には、鉄要求性のDNA・ヒストン脱メチル化酵素群が密接に関与する。このため、妊娠期の鉄の過不足は胎仔（児）の成育に重大な影響を及ぼす可能性があった。このような知見に基づき、母体の鉄欠乏が胎仔エピゲノムに及ぼす影響について、マウスモデルで検証することが本研究の目的である。上記の研究概要で記載したように、マウスの生殖腺の性分化には鉄の代謝が極めて重要であることが2021年度に得た研究成果によって明らかになった。このため、本研究課題は当初の計画通りに順調に進捗していると判断した。

今後の研究の推進方策

2021年度に行った胎仔期マウスの生殖腺の器官培養実験により、マウスの生殖腺の性分化には鉄の代謝が極めて重要であることが明らかになった。2022年度は、この結果について、子宮内で成長しているマウス胎仔にも当てはまるのかどうかについて検証する。一過的な鉄欠乏状態マウスは、2細胞期胚を移植した母親マウスに、鉄キレート剤を腹腔内投与することによって作出する。鉄キレート剤の投与量は、ヒトの鉄過剰症患者へ投与する量に準じる。鉄キレート剤を投与した胎生14日の胎仔から生殖腺を摘出し、オス細胞のマーカーであるSox9とメス細胞マーカーであるFoxl2に対する抗体で二重染色を行う。この際に、XY胎仔の生殖腺にFoxl2陽性細胞が出現するかどうかに着目する。

次年度使用額が生じた理由

2021年度の研究が予想よりも順調に進展したため、上記の次年度使用額が生じた。この費用は、「エピゲノム制御における鉄代謝の役割について、マウスの個体レベルで検証する」との2022年度の研究課題にて使用する。

研究成果

• [国際共同研究] クイーンズランド大学(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: クイーンズランド大学
• [国際共同研究] カリフォルニア大学デービス校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カリフォルニア大学デービス校
• [雑誌論文] HP1 maintains protein stability of H3K9 methyltransferases and demethylases (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeda Ryo、Tachibana Makoto
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 23 ページ: e53581
  • DOI: 10.15252/embr.202153581
  • 査読あり
• [雑誌論文] マウス性決定遺伝子Sryの「隠れたエキソン」の発見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 立花誠
  • 雑誌名: ファルマシア 巻: 58 ページ: 34, 38
• [雑誌論文] Dynamic erectile responses of a novel penile organ model utilizing two photon excitation microscopy (TPEM)† (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiki Hashimoto, Tsuyoshi Hirashima, Hisao Yamamura, Tomoya Kataoka, Kota Fujimoto, Taiju Hyuga, Atsushi Yoshiki, Kazunori Kimura, Shunsuke Kuroki, Makoto Tachibana, Kentaro Suzuki, Nobuhiko Yamamoto, Shin Morioka, Takehiko Sasaki, Gen Yamada
  • 雑誌名: Biology of Reproduction 巻: 104 ページ: 875, 886
  • DOI: 10.1093/biolre/ioab011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Meiosis-specific ZFP541 repressor complex promotes developmental progression of meiotic prophase towards completion during mouse spermatogenesis. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takada, Chisato Kodera, Kazumasa takemoto, Akihiko Sakashita, Kenichi Horisawa, Ryo Maeda, Ryuki Shimada, Shingo Usuki, Sayoko Fujimura, Naoki Tani, Kumi Matsuura, Tomohiko Akiyama, Atsushi Suzuki, Hitoshi Niwa, Makoto Tachibana, Takeshi Ohba, Hidetaka Katabuchi, Satoshi Namekawa, kimi Araki, Kei-Ichiro Ishiguro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: e3184
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23378-4.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yoshino, Takahiro Suzuki, Go Nagamatsu, Haruka Yabukami, Mika Ikegaya, Mami Kishima, Haruka Kita, Takuya Imamura, Kinichi Nakashima, Ryuichi Nishinakamura, Makoto Tachibana, Miki Inoue, Yuichi Shima, Ken-Ichirou Morohashi, Katsuhiko Hayashi
  • 雑誌名: Science 巻: 373 ページ: 282, 289
  • DOI: 10.1126/science.abe0237.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 性決定遺伝子の全貌-マウスSryにおける“隠れエキソン”の発見- (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮脇慎吾、立花誠
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 278 ページ: 1132, 1133
• [学会発表] マウスES細胞におけるトランスポゾンの抑制機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 立花誠
  • 学会等名: 転移因子研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Epigenetic regulation of two-cell-specific genes in mouse ES cells (2021)
  • 著者名/発表者名: 立花誠
  • 学会等名: 日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] HP1-dependent heterochromatin formation in mammalian cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Maeda, Makoto Tachibana
  • 学会等名: 染色体ワークショップ
• [備考] 新学術領域「性スペクトラム」HP
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/sexspectrum/index.html
• [備考] 大阪大学大学院生命機能研究科 立花研究室 HP
  • URL: https://tachibana-lab.net/