クローン胚の新たなエピゲノム異常を発見~ヒストン修飾によるゲノムインプリンティングが破綻~

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2018-07-20 理化学研究所

理化学研究所(理研)バイオリソース研究センター遺伝工学基盤技術室の的場章悟専任研究員、井上貴美子専任研究員、小倉淳郎室長らの国際共同研究チームは、マウスクローン胚の包括的な解析を行い、新たなエピゲノム[1]異常を発見しました。

本研究成果は、有用な形質を持ったクローン動物の出生効率の改善や再生医療に向けた、ヒト体細胞核移植胚由来ES細胞[2]の樹立効率改善に貢献すると期待できます。

クローン動物の生まれる率は1%程度と非常に低く、ほとんどが胚発生の途中で死んでしまうことが問題となっていました。今回、国際共同研究チームは、クローン胚で見られる発生異常の原因を探索することを目的として、マウスクローン胚について包括的なトランスクリプトーム・エピゲノム解析[3]を行いました。その結果、新たなエピゲノム異常として、ヒストン修飾[4]依存的なインプリント遺伝子[5]群が全てインプリント情報[5]を失っていることを発見しました。これらのインプリント遺伝子の多くが胎盤の形成や着床後の胚発生に関わる因子であることから、クローン胚の発生異常の原因の一つであると考えられます。

本研究は、米国の科学雑誌『Cell Stem Cell』(9月6日号)の掲載に先立ち、オンライン版(7月19日付け:日本時間7月20日)に掲載されます。

図1 最適化したクローン胚でもヒストン修飾依存的なインプリント遺伝子が破綻

※国際共同研究チーム

理化学研究所 バイオリソース研究センター 遺伝工学基盤技術室
専任研究員 的場 章悟(まとば しょうご)
専任研究員 井上 貴美子(いのうえ きみこ)
室長 小倉 淳郎(おぐら あつお)
(理化学研究所 開拓研究本部 小倉発生遺伝工学研究室 主任研究員)

浙江大学生命科学研究院
教授 リ・シェン(Li Shen)

ハーバード大学 医学部 ボストン小児病院 ハワードヒューズ医学研究所
教授 イ・ジャン(Yi Zhang)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金若手研究A「エピゲノム編集による体細胞核移植法の改善(研究代表者:的場章悟)」による支援を受けて行われました。

背景

体細胞核移植法によってクローン動物の作製が可能です。2018年のはじめにも、霊長類で初めてカニクイザルのクローンが生まれたことが報告され注1)、世界中でニュースとなりました。1997年に初めて哺乳類のクローン羊「ドリー」の誕生が報告されて以来、有用な形質を持った動物を増やすことだけでなく、複雑なヒトの疾患モデルを効率的に作出すること、さらに再生医療へ向けての患者体細胞核移植胚由来ES細胞の樹立など、さまざまな応用が注目されてきました。

ただし、クローン動物の生まれる率は1%程度と非常に低く、ほとんどが発生の途中で死んでしまうことが問題となっていました。この原因として、クローン胚の発生を阻害する因子がもともとのドナー体細胞核に存在することが想定されていますが、その実態はまだよく分かっていません。

これまでの小倉淳郎室長らおよびイ・ジャン教授らの研究から、クローン胚の発生を阻害する重要な二つの因子が同定されています。一つは、X染色体の不活性化を誘導するXist遺伝子[6]の異常な活性化です注2)。この異常は、ドナーとしてXist遺伝子を一部欠損した体細胞を使用すること、もしくはXist遺伝子に対するsiRNA[7]を導入することで回避でき、これによりマウスクローンの出生効率を10%程度にまで高めることができます注3)

もう一つの因子は、ヒストン修飾の一つヒストンH3の9番目リジンのトリメチル化(H3K9me3)で、このヒストン修飾の存在するゲノム領域は核移植直後の転写活性化に抵抗性を示します。H3K9me3は、ヒストン脱メチル化酵素Kdm4dをコードする遺伝子のメッセンジャーRNA(Kdm4d mRNA)のクローン胚への注入によって除去することができ、その結果としてマウスクローンの出生効率を1%程度から8%程度にまで高めることができます注4)

注1)Liu Z, Cai Y, Wang Y, Nie Y, Zhang C, Xu Y, Zhang X, Lu Y, Wang Z, Poo M, Sun Q.“Cloning of Macaque Monkeys by Somatic Cell Nuclear Transfer.”Cell. 2018 Feb 8;172(4):881-887.e7
注2)2010年9月17日プレスリリース「マウス体細胞クローンの産子出生効率が10倍近くも改善
注3)2011年11月8日プレスリリース「遺伝子改変なしにクローンマウスの出生率を10倍高める技術を開発
注4)Matoba S, Liu Y, Lu F, Iwabuchi KA, Shen L, Inoue A, Zhang Y.“Embryonic development following somatic cell nuclear transfer impeded by persisting histone methylation.”Cell. 2014 Nov 6;159(4):884-95.

研究手法と成果

共同研究グループはまず、上記の発生を阻害する二つの因子を同時に取り除く実験を行いました。その結果、マウスのクローン出生効率は相乗的に上昇し、最大24%にまで達しました。しかし、この効率はマウス受精胚の出生効率(50%以上)の半分以下であり、クローン特有の異常である胎盤の過形成などの表現型も回復しなかったことから、クローン胚にはまだ重要な発生阻害因子が存在すると考えられました。

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