研究内容 Researches

公募研究班 A01 (R02-R03)

核内クロマチン密度に着目した全能性獲得の場としての核構造解析

二倍体の生物である脊椎動物の卵が単為発生刺激を受けて、一倍体（半数体）の胚発生が開始されることがあるが、胚は途中で発生停止する。特に哺乳類の一倍体胚は6-7回分裂する間に多くが発生停止してしまうが、その理由はわかっていない。本研究では、マウス一倍体胚は、細胞や核の大きさは二倍体胚と変わらないがゲノム量が半減しているため、核内のクロマチン密度が二倍体胚の半分であることに着目した。「核内クロマチン密度の半減が引き起こす核膜―クロマチン結合の異常が、胚発生に必要な遺伝子発現を阻害する」という仮説の検証を通し、全能性を獲得する場として機能するために必要な核の構造を明らかにすることを目指す。

代表者 / Project Leader

全能性消失時のゲノム構造変化に連動した転写制御機構の解明

初期胚発生では、母性因子に依存した遺伝子発現プログラムから、胚性ゲノムによって駆動される遺伝子発現プログラムへの移行という大規模な生命機能の転換を経る。本研究ではこれまで見過ごされてきた全能性消失時の背景に潜むゲノム構造の動的変化に着目し、初期胚発生時の胚性ゲノム活性化に果たす機能を包括的に理解することを目指す。

代表者 / Project Leader

植物胚発生における胚性再獲得と全能性消失機構の解明

植物は茎や葉を切断しても、その切断面から新しく根や茎を伸ばし、新たな個体を再生できる。植物が持つ高い再生能力を活かし、挿し木など古くから園芸・農業に利用されてきた。植物細胞は分化した後も全能性を発揮でき、それにより高い再生能力をもつことが知られている。そのため、全能性を発揮するメカニズムが盛んに研究されてきたが、ほとんどは体細胞のリプログラミングに着目した研究であった。しかし、体細胞のリプログラミング過程で生じるカルスや不定胚の多くは、細胞塊の状態でしか解析できず、１細胞レベルで全能性に関わる遺伝子発現変化を捉えることは困難であった。近年、我々はシロイヌナズナにおいて、受精卵の分裂過程（受精胚発生）をin vitroで詳細に観察・解析できる系を確立し、フェムト秒パルスレーザーで胚始原細胞である頂端細胞（胚体細胞）を破壊したときに、隣接していた胚体外細胞である胚柄細胞が細胞運命転換をおこして、再び胚を形成する驚くべき再生能力を明らかにした。
　本課題の目的は、我々が確立したシロイヌナズナin vitro胚発生系を利用し、植物受精胚の「全能性プログラム」制御に関わる因子を明らかにすることである。本課題では、[1]植物ホルモンであるオーキシンが全能性獲得に必要であるか、[2]全能性消失はいつ、どのように起こるのかという二点に着目して研究を行い、計画研究班の哺乳動物研究との連携により、生命の根幹をなす仕組みに潜む普遍的なメカニズムの発見を目指す。

代表者 / Project Leader

非ヒト霊長類の胚盤胞における内部細胞塊と栄養膜細胞の分化運命の解明

霊長類において、げっ歯類と同様に胎盤組織が胚盤胞の栄養膜細胞から発生する一方、胎児組織は内部細胞塊から発生することが推測されているものの、技術的困難さからこれまで実験的検証がされてきませんでした。本課題では、1.非ヒト霊長類における胎盤の起源を細胞標識実験によってin vivoで実証する、2.内部細胞塊からの胎盤発生の分子機序を明らかにすることを目標とします。

代表者 / Project Leader

全能性獲得における母性Ｈ３Ｋ９脱メチル化酵素の機能解析

ヒストンH3の9番目リジン (H3K9) のメチル化は転写抑制のエピジェネティックマークである。H3K9メチル化は修飾を付加する酵素 (Writer)と修飾を除去する酵素 (Eraser)によって可逆的に制御され、これらの拮抗した活性が修飾の量的な調整の鍵となる。本課題では、卵と初期胚の発生におけるH3K9メチル化Eraserに注目し、その機能を明らかにする。本研究により、全能性プログラムに資するH3K9メチル化の制御機構を明らかしたい。

代表者 / Project Leader

受精後の精子尾部が与える全能性への影響の解明

これまでマウス２細胞期胚の割球は等価であり、ともに全能性をもつと考えられてきました。しかし近年発展著しい１細胞RNAシーケンスなどの解析により、この２割球は必ずしも等価ではない可能性が示唆されています。私はこれまでの研究から、２細胞期の割球は環境依存的に競合しあうことを新たに見出しました。本研究課題では、そのメカニズムと生理的意義を解明することを目指します。

代表者 / Project Leader

全能性をもたらす卵賦活化による母性ｍＲＮＡ翻訳調節機構の解析

受精などの刺激により、卵は活性化 (賦活化) されると、全能性を獲得し発生を開始する。全能性獲得のためには、卵内の遺伝子発現が、それまでの卵母細胞として分化した状態から、未分化の発現パターンに大きく変化しなければならない。この卵賦活化の時期に、遺伝子発現パターンの変化をもたらす、重要な制御のひとつが、母性mRNAの翻訳調節である。そこで、ショウジョウバエを用いて、卵賦活化シグナルがいかに母性mRNA翻訳調節をもたらすかを明らかにする。それにより、全能性獲得プログラムの理解を目指す。

代表者 / Project Leader

全能性獲得機構の解明のためのｍｕｌｔｉ－ｏｍｉｃｓ技術の開発

全能性の獲得には、様々なエピゲノム因子が関わると考えられますが、その全貌は明らかとなっていません。このような全能性因子の解析のためには、どの因子が協調して機能しているのかを分類するための同時性を担保した解析手法が必須です。そこで、本研究では同時性を担保するクロマチン構造解析と転写産物を同時に取得する技術の開発を目指します。開発された技術は領域内での技術供与を行います。

代表者 / Project Leader

マウス受精卵における全能性細胞の最初期の分化メカニズムの解明

哺乳類胚における全能性とは、胎盤を含む全ての体を構成する細胞に分化しうる能力であり、受精直後の受精卵のみが有する。割球を分割して発生させる実験より、マウス4細胞期の受精卵は1つの割球ですでに分子レベルの全能性の不均一性が生じており、すでに全能性の消失が開始していることが報告されている。しかし、4細胞期の不均一な全能性の生物学的意義と不均一性が生み出されるメカニズムは、4細胞期胚の各割球の分化状態を明確に区別するマーカーがなかったため、不明であった。本研究では、マウス胚における最初期の細胞分化、すなわち全能性消失機構の分子メカニズムを解明することを目的とする。

代表者 / Project Leader

精子幹細胞でプライミングされるヒストン修飾の次世代全能性プログラムへの影響

これまで、成体の精子幹細胞は、エピゲノムの変化の制御により、幹細胞であり続けたり、幹細胞活性を喪失して分化をスタートさせたりしているのではないか、と考え、研究を行ってきました。これまでの研究で、ヒストンメチル化酵素が精子幹細胞の時期に書き込むヒストン修飾は、その場で使われる遺伝子ばかりでなく、分化が進んだ精子細胞の段階や、受精後の初期発生に必要とされる遺伝子群に、精子幹細胞の時期に予め入れられ、発現準備状態を作っている（Priming）という可能性を見出しました。本研究班では、受精後の初期発生に必要とされる遺伝子群を、精子幹細胞の段階でPrimingする必要性が本当にあるのか、実際に検証したいと考えています。

代表者 / Project Leader

真の全能性細胞の同定による全能性獲得と消失の分子基盤の解明

初期の着床前胚は、胎盤の細胞を含む全ての細胞へと分化できる「全能性」を有している。一方、ES細胞およびiPS細胞は、体を構成する全ての細胞に分化できるが、胎盤の細胞には分化できない「多能性」細胞である。しかし、ES細胞には低率であるが、全能性を有する亜集団が存在することを示唆する報告がなされている。本研究では、申請者らが全能性の観点から解析してきた着床前胚において特異的に発現する遺伝子を手がかりに、ES細胞に含まれる“真の全能性細胞”を同定・可視化することを目的とする。また、全能性を保持したまま増殖させることが可能な“全能性幹細胞”の樹立を行い、全能性の分子基盤を解明することを目指す。

代表者 / Project Leader

DUXに依存しない胚性ゲノム活性化による全能性獲得機構の解明

ES細胞の培養過程において、2細胞期胚と性質が類似した2細胞様細胞が出現することが報告されています。2細胞様細胞の出現は転写因子DUXに完全に依存しているのに対し、in vivoではDUX非依存的な経路が全能性を制御していることが示されています。本研究提案では、(1) DUX非依存的な2細胞様細胞出現機構の解明、(2)DUXを持たないイベリアトゲイモリの胚性ゲノム活性化機構の解明、この2つ研究課題を進め、最終的にはこれらの知見を統合し、マウス初期胚におけるDUX非依存的な胚性ゲノム活性化機構の解明を目指します。

代表者 / Project Leader

核サイズに制御された全能性獲得メカニズムの解明

受精卵は精子から形成される雄性前核、卵子から形成される雌性前核と呼ばれる２つの大きな核を形成し全能性を獲得していく。多くの哺乳類で、雄性前核の方が雌性前核よりも大きく異なったヒストン修飾状態を持つことが知られている。しかしながら、雌雄前核のサイズの違いを生み出す要因や、その生物学的意味はほとんど分かっていない。そこで、受精卵における前核サイズの雌雄差が、異なったヒストン修飾状態の核を同一細胞内で制御し全能性を獲得するために寄与しているのではないかとう仮説を検証し、その詳細なメカニズムの解明を目指す。


 

代表者 / Project Leader

 

 

 

小型魚類イメージングを用いた全能性保証システムの解析

近年のイメージング解析により、動物初期胚の細胞の全能性は不安定で揺らぎやすく、野生型の胚においてさえ「遺伝子発現やシグナル伝達に異常を持つ全能性が低下した不良細胞」が頻繁に生じることが明らかにされた。その一方で、動物胚が不良細胞を感知して細胞死を誘導して排除することで胚細胞の全能性を保証することも明らかになりつつある。しかしながら、動物胚に全能性が揺らいだ不良細胞が生じる原因や不良細胞を排除する仕組みは不明である。そこで本研究では、小型魚類イメージング技術とオミクス解析技術を駆使して、動物胚に全能性の揺らぎが生じるメカニズムや、全能性が揺らいだ不良細胞を感知・排除するシステムの分子基盤の解明を目指す。

代表者 / Project Leader

 

 

 

未受精卵子が保証する全能性とそのフラジリティー

未受精卵子は分厚い卵丘細胞層と透明帯、豊富な細胞質と強固なヘテロクロマチン状態によって厳重に保護され受精後の発生に備えている。私は未受精卵子が体内で容易にかつ瞬時に受精後の発生能を失い、ほとんどの胚が流産する未知の現象を発見した。未受精卵子に内在する全能性保証機構の脆さに焦点を当て、それを守る方法の開発に繋げる。

代表者 / Project Leader