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生殖細胞が中胚葉に由来することを証明 -生殖細胞決定因子の発現を上流で直接制御する遺伝子の発見

2013年12月10日


斎藤教授

 斎藤通紀 医学研究科教授(兼 物質-細胞統合システム拠点(iCeMS=アイセムス)主任研究者、iPS細胞研究所研究員、科学技術振興機構 ERATO研究総括)と荒牧伸弥 同特定研究員らの研究グループは、マウスを用いた研究で、BMP4やWNT3などのサイトカインが、生殖細胞決定因子として知られるBlimp1Prdm14の発現を誘導する際に、Tと呼ばれる中胚葉遺伝子が重要な役割を果たすことを証明しました。

 これまで本研究グループは、マウスを用いて生殖細胞の発生機構を解明してきました。それら知見に基づき、マウスES細胞やマウスiPS細胞から始原生殖細胞をサイトカインにより誘導し、さらに精子、卵子を作製することに成功しました。また、ES細胞を分化させたエピブラスト様細胞(EpiLCs)に、Blimp1Prdm14Tfap2cの3種類の遺伝子(転写因子)を発現させることにより、始原生殖細胞様の細胞を得ることにも成功しました。

 始原生殖細胞の前駆細胞にBlimp1Prdm14の発現を誘導する遺伝子は不明でしたが、今回の研究は、中胚葉の形成に重要な役割を果たす転写因子として古くから知られていたTBlimp1Prdm14の発現を直接誘導することを証明しました。

 この研究成果は2013年12月9日正午(米国東部時間)に米国科学誌「Developmental Cell」のオンライン速報版で公開されました。

ポイント

  1. 生殖細胞決定因子(Blimp1Prdm14)を上流で直接制御する中胚葉遺伝子Tを発見
  2. T欠損マウスは生殖細胞を形成出来ない
  3. Tをエピブラスト様細胞に発現するとBlimp1Prdm14が誘導され、始原生殖細胞様細胞が形成される
  4. ヒトを含む哺乳類の生殖細胞形成メカニズムの解明に大きく前進

研究の背景と経緯

 生殖細胞とは、精子や卵子に分化し、それらの融合により新しい個体を形成する細胞です。本研究グループは、マウスを用いて、精子や卵子の起源となる始原生殖細胞(Primordial Germ Cells:PGCs)の発生機構を研究してきました。これまでの研究で、PGCの形成に必須な転写因子としてBLIMP1とPRDM14を同定し、その作用機構を解明しました。また、Blimp1Prdm14の発現を誘導し、PGCの形成に関与するBMP4やWNT3などのサイトカインの作用機構を提唱しました。これら知見に基づき、本研究グループは、ES細胞やiPS細胞などの多能性幹細胞から、培養ディッシュ上でサイトカインを用いて、エピブラスト様細胞、さらにはPGC様細胞を誘導することに成功しました。PGC様細胞は精子や卵子さらには健常な子孫に貢献しました。さらに最近、本研究グループは、エピブラスト様細胞に、3種類の転写因子(BLIMP1, PRDM14, TFAP2C)を発現させることにより、PGC様細胞を誘導することに成功しました。転写因子によって誘導されたPGC様細胞も精子さらには健常な子孫に貢献しました。

 これまでの研究によって生殖細胞の形成機構の理解は大きく進展しましたが、BMP4やWNT3などのサイトカインがエピブラストやエピブラスト様細胞にBlimp1Prdm14の発現を誘導する正確なメカニズムは不明でした。

研究の内容

 これまでの研究で、BMP4は、SMADとよばれる蛋白質を介して、エピブラストにBlimp1Prdm14の発現を誘導すること、BMP4によるBlimp1Prdm14の誘導にはWNT3が必須なことがわかっていました。
今回の研究では、マウス胚およびES細胞からエピブラスト様細胞、PGC様細胞を誘導する実験系を用いて、

  1. WNT3は、β-CATENINとよばれる蛋白質を介して、エピブラスト/エピブラスト様細胞に、Tを含む多くの中胚葉関連因子の発現を誘導すること
  2. WNT3により誘導される因子のうち、TがPGCの形成に必須であること
  3. Tをエピブラスト様細胞に発現させるとBlimp1Prdm14の発現が誘導され、PGC様細胞が誘導されること
  4. Tは、Blimp1Prdm14発現制御領域に結合し、それらの発現を誘導すること
  5. BMP4は、WNT3の働きを調整し、TBlimp1Prdm14の発現を誘導出来る状態を作ることが明らかとなりました。今回の研究により、PGCの形成に関与する最初期のイベントが解明されました。

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図1:T欠損マウスではPGCが形成されない

野生型胚(上、発生7.75日目)ではBlimp1(緑)とTFAP2C(赤)の発現が誘導され、PGCが形成されるが、T欠損胚(下)では、Blimp1の発現は弱く、TFAP2Cは発現されない。

 

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図2:TBlimp1Prdm14の発現制御領域に結合する

Blimp1Prdm14の発現制御領域におけるTの結合。赤で示されたピークがTの結合を表す。

 

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図3:本研究より明らかとなったPGC誘導機構のモデル

 

今後の展開

 Tは古くから知られている中胚葉のマーカー遺伝子でしたが、PGC誘導に関する機能は知られていませんでした。今回の研究により、PGCの形成と中胚葉の誘導が密接に関連していることが明らかとなりました。この研究により、BMP4やWNT3などのサイトカインがPGCを誘導するメカニズムの詳細が明らかとなり、マウスのみならず、ヒトを始めとした他の動物種における生殖細胞の形成過程の解明が大きく前進すると期待されます。

本研究は、下記機関より資金的支援を受けて実施されました。

  • 戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究
  • 研究プロジェクト:「斎藤全能性エピゲノムプロジェクト」
  • 研究総括:斎藤通紀
  • 研究期間:2011年度~2016年度

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1016/j.devcel.2013.11.001

Shinya Aramaki, Katsuhiko Hayashi, Kazuki Kurimoto, Hiroshi Ohta, Yukihiro Yabuta, Hiroko Iwanari, Yasuhiro Mochizuki, Takao Hamakubo, Yuki Kato, Katsuhiko Shirahige, Mitinori Saitou

論文名

"A Mesodermal Factor, T, Specifies Mouse Germ Cell Fate by Directly Activating Germline Determinants"
(マウスにおいて、中胚葉因子Tは生殖細胞決定因子を直接活性化し生殖細胞の運命を決定する)
Developmental Cell, Volume 27, Issue 5, pp516-529, 9 December 2013

 

  • 京都新聞(12月10日 33面)、日刊工業新聞(12月11日 20面)に掲載されました。