2020 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanisms of constructing totipotent nuclei
| Project Area | Program of totipotency: From decoding to designing |
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| Project/Area Number |
19H05751
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
宮本 圭 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (40740684)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島本 勇太 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 准教授 (80409656)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 全能性 / 核構造 / 核骨格 / 核アクチン / リプログラミング / 転写 / 機械特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
精子核や体細胞核は卵細胞内で再プログラム化され、全ての細胞へと分化する全能性を獲得する。全能性獲得過程で、これらの核は急激に膨化し、脱凝縮したクロマチンを有する特徴的な形態を示す。このようにして胚の全能性を支える核、即ち「全能性核」がつくり上げられるが、その核内構造や核形成にかかわる因子が全能性のプログラムといかに関連しているかについてはほとんど分かっていない。さらに近年、核の機能がその機械的性質と相関することを示唆する研究結果が数多く報告されているが、全能性核についての知見は極めて乏しい。そこで本研究では、全能性を有するマウス受精卵や初期胚期における核の機能に着目し、少数細胞解析技術や生物物理解析手法を駆使し、核形成や機能維持に関わる因子やその作用機序解明を目指す。
マウス受精卵前核内の核骨格構造を調べたところ、核内に存在するアクチンタンパク質（核アクチン）が、通常の体細胞では見られない特殊な重合化核アクチンのネットワークを作り出していることを発見した。この前核内アクチンを受精卵特異的重合化核アクチンと名付け、その機能を探ったところ、受精後にゲノムに蓄積するDNA損傷の修復に重要であることがわかった。さらに、受精卵と比較して低い発生能を示すことが知られる体細胞クローン胚において、1細胞期の核内に形成される重合化核アクチンの構造に顕著な異常が確認された。このように、受精卵特異的重合化核アクチンの発生における役割の一つを明らかにするとともに、体細胞クローン胚に観察される異常として核骨格の形成不全を新たに発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和2年度の実験においては、受精卵特異的重合化核アクチンの発生における役割として、受精後にゲノムに蓄積するDNA損傷の修復促進機能があることを示した。特に、この重合化核アクチンによるDNA損傷修復促進によって、マウス1細胞期胚におけるDNA損傷チェックポイントの活性化を妨げ、結果として受精卵の正常な発生が担保されるという胚発生モデルを示した。また、重合化核アクチンの検出条件を最適化したうえで、体細胞クローン胚におけるアクチンの核骨格構造を調べた結果、クローン胚の核骨格形成異常を発見した。
次に、マウス初期胚における核の硬さや粘弾性の変化を調べる実験においては、単離した初期胚核を用いて、初期胚核が体細胞核と比較して極度に柔らかい特殊な性質を有することを見出した。そこで、生細胞において核の粘弾性の変化を計測する実験システムを構築するため、マウス初期胚のライブセルイメージングを通じた核の形状変化に着目した。Histone H2Bに蛍光タンパク質を標識した融合タンパク質を初期胚に発現させ、核形状変化を計測したところ、初期胚の特定の時期に核が特殊な形状変化を示す現象を発見した。
最後に、全能性核の特性を模倣した核の再構築について進捗を述べる。我々は、細胞周期を人為的に停止させた初期胚に培養細胞核を移植することで、移植した細胞核がレシピエントの胚のクロマチン・転写状態に近づくことを発見した。この実験系を利用し、分化した細胞核を停止した2,4細胞期胚に移植すると、それぞれの発生時期特異的マーカーの活性化が移植核から確認され、移植核の状態が初期胚様に変化する可能性を示した。このように、細胞核のクロマチン・遺伝子発現状態を直接的に初期化するシステムを立ち上げた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、昨年度に引き続き以下に示す3つの方向性で研究を進める。
(1) 受精卵特異的核骨格構造の発生生物学的意義の解明：令和2年度の実験により、受精卵特異的重合化核アクチンのDNA損傷修復促進を介した胚発生への寄与を示した。引き続き重合化核アクチンの機能を探索した結果、胚性ゲノム活性化への関与を示唆するデータがRNA-seq解析により得られた。そこで、重合化核アクチンが胚性ゲノム活性化を制御する分子機序の解明を目指す。また、重合化核アクチンが受精卵にのみ多く存在する理由の解明に向けて、その上流因子についても調べる。
(2) マウス初期胚における核の硬さや粘弾性の変化：令和2年度の実験から、初期胚の特定の時期に核の形状が顕著に変化することを見出した。そこで本年度は、この核の形状変化が遺伝子発現や胚発生に与える影響を明らかにすることを目標にする。この目標達成のためには、人為的に核の形状を変化させる実験システムの構築が必要となり、2つのアプローチでその実現を目指す。1つは、磁気ビーズを用いた核膜の人為的変形誘導である。さらにもう1つのアプローチとして、核の形状変化に関わることが知られている核アクチン重合化因子の発現制御を計画する。これらのアプローチを通じて、胚発生の特定時期に一過的に起こる核の形状変化の生物学的意義を探る。
(3) 全能性核の特性を模倣した核の再構築系の探索：我々が独自に開発した核移植法を用いて、全能性を有する2細胞期胚を停止させ、停止胚への核移植により、2細胞期様の特性を持った初期胚核を人為的に作出できる可能性を示した。今年度はこの新規核移植法を利用し作出した人工2細胞期様核の特性を、網羅的遺伝子発現解析などを用いて調べる。
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Research Products
(25 results)
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[Journal Article] Zygotic Nuclear F-Actin Safeguards Embryonic Development2020
Author(s)
Okuno Tomomi、Li Wayne Yang、Hatano Yu、Takasu Atsushi、Sakamoto Yuko、Yamamoto Mari、Ikeda Zenki、Shindo Taiki、Plessner Matthias、Morita Kohtaro、Matsumoto Kazuya、Yamagata Kazuo、Grosse Robert、Miyamoto Kei
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Journal Title
Cell Reports
Volume: 31
Pages: 107824～107824
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Gabpb1遺伝子のマウス初期胚発生における機能解析2020
Author(s)
井橋俊哉, 濱中瑞斗, 加地正弥, 森美樹, 今里佑馬, 日下部春奈, 梶栗尚明, 松澤由佳, 山本真理, 坂本裕子, 辻本佳加理, 笠原喜斗, 眞銅大暉, 松本和也, 伊川正人, 宮本圭
Organizer
第113回 日本繁殖生物学会大会
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[Presentation] Gabpb1遺伝子のマウス初期胚発生における役割2020
Author(s)
井橋俊哉, 濱中瑞斗, 加地正弥, 森美樹, 今里佑馬, 日下部春奈, 梶栗尚明, 松澤由佳, 山本真理, 坂本裕子, 辻本佳加理, 笠原喜斗, 眞銅大暉, 松本和也, 伊川正人, 宮本圭
Organizer
第43回 日本分子生物学会年会
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[Presentation] 体細胞核移植における全能性獲得に関与する遺伝子の機能解析 -Alyref および Gabpb1 の初期胚発生における役割-2020
Author(s)
井橋俊哉, 濱中瑞斗, 加地正弥, 森美樹, 今里佑馬, 日下部春奈, 梶栗尚明, 松澤由佳, 山本真理, 坂本裕子, 辻本佳加理, 笠原喜斗, 眞銅大暉, 松本和也, 伊川正人, 宮本圭
Organizer
新学術領域研究『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2020
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