東北大学加齢医学研究所 加齢医学研究拠点 | Institute of Development, Aging and Cancer, Tohoku University

研究活動

医用細胞資源センター

センター長、教授 薬博 松居 靖久
助教 医博 望月 研太郎
助教(兼) 理博 齋藤 大介
助教 理博 林 陽平
助教 理博 大塚 慧
助教 理博 太田 博充
技術職員   合原 生恵
技術補佐員   時武 裕子
技術補佐員   小泉 藤美
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医用細胞資源センターでは、細胞バンク事業と、生殖細胞および多能性幹細胞の制御機構に関する研究を行っている。

細胞バンク
医用細胞資源センターでは、腹水癌細胞株および、ヒト癌細胞、白血病細胞をふくむ培養細胞株、薬剤耐性細胞株、ハイブリドーマなどを対象とした細胞バンク事業を行っており、本ホームページ上に本施設が保存する細胞株のカタログを公開し、希望者へ供給を行っている(http://www.idac.tohoku.ac.jp/dep/ccr/)。また、これまでに行われたナショナルバイオリソースプロジェクトにおいて、多くの細胞株について理化学研究所バイオリソースセンターと共有し、現在、それら細胞株の供給は主に理研が行っている。一方、新たな細胞株の収集と分譲の準備を進めている。さらに細胞株の品質管理としてマイコプラズマ除去、DNAフインガープリンティング、アイソザイム検査を行っている。

大学連携バイオバックアッププロジェクト(IBBP)
大災害に備えて研究途上にある生物試料をバックアップ保存する、全国的な取り組み(大学連携バイオバックアッププロジェクト (IBBP))が今年度から始まった。岡崎の基礎生物学研究所に保存施設を作り、全国の研究者のバックアップ保存用の生物試料を無料で保管する。医用細胞資源センターは、IBBPの東北地区大学サテライト拠点としてこのプロジェクトに参加している。

研究内容
生殖細胞は、全ての種類の細胞へ分化し個体全体を作り出す源になることのできる唯一の細胞で、この不思議な性質を分子レベルで解き明かすことをめざした研究を行っている。生殖細胞は、胚発生の初期段階で多能性幹細胞の一部から分化運命を決定され、始原生殖細胞として現れる。さらにその分化過程では、独特なエピジェネティックな変化などにより、個体発生全能性を獲得する。私たちの研究室では、始原生殖細胞の分化運命決定や、その運命を全うするための分子メカニズムについて、鍵となる遺伝子の同定とそれらの機能解析による解明を行っている。また生殖細胞は比較的容易に、もとの多能性幹細胞へ逆戻りできる性質を持っており、その分子機構の解明から、多能性幹細胞と生殖細胞がどのような関係にあるのかを明らかにすることを試みている。写真は、マウス胚発生の初期段階で、形成されてまもない始原生殖細胞(緑)を示している。
  

最近のトピックス
1) Maeda et al., Max is a repressor of germ-cell-related gene expression in mouse embryonic stem cells. Nature Communications 4, 1754 (2013). 多能性幹細胞は、通常は外胚葉性の細胞に変化したのち、そのごく一部が始原生殖細胞に分化するが、生殖細胞と多能性幹細胞は共通した遺伝子発現などの性質を共有し、直接的に生殖細胞へ変化する可能性が考えられる。今回、新たに未分化状態で維持されているES細胞で、転写制御因子Maxの発現を低下させると、生殖細胞特異的遺伝子の発現が全ゲノム的に上昇することをみいだした。またMaxはES細胞においてヒストンH3K9メチル化酵素のG9a, GLPと複合体を作り、さらに生殖細胞特異的遺伝子のプロモーター領域に結合することで、H3K9メチル化を介してそれら遺伝子の発現を抑制することが明らかになった。この結果から、多能性幹細胞ではH3K9のメチル化が、始原生殖細胞へ変化することを押しとどめているバリアとして働いていて、このバリアが解除されることが、多能性幹細胞が始原生殖細胞へ変化するためのスイッチの一つとして働いている可能性が考えられる。図は、Maxのノックダウンにより始原生殖細胞特異的遺伝子を発現するようになったES細胞を示す。緑が始原生殖細胞特異的なVasa-Venusレポーター遺伝子の発現を示す。また赤はH3K9のメチル化を示し、Vasa-Venus陽性細胞では低メチル化になっていることがわかる。青は細胞核を示す。
  
2) Mochizuki, K. et al., Implication of DNA demethylation and bivalent histone modification for selective gene regulation in mouse primordial germ cells. PLoS ONE 7, e46036 (2012).
始原生殖細胞特異的遺伝子は、それらの発現制御領域のDNAの脱メチル化に依存して発現上昇することを明らかにした。一方で、体細胞で発現する遺伝子など、始原生殖細胞で発現しない遺伝子はDNA脱メチル化状態にあるが、転写開始点付近で転写を抑制するヒストンH3リジン27のメチル化が起こっていることを示した。この研究により、DNA脱メチル化と抑制的なヒストンメチル化が巧妙に組み合わさることにより、始原生殖細胞での特異的遺伝子発現が保証されている可能性を初めて示唆した。このようなエピジェネティック制御は、多能性幹細胞において転写を一時的に抑制するメカニズムとして働いていると考えられている2価(bivalent)ヒストン修飾と同様、生殖細胞が受精後の胚発生過程で、細胞ごとにさまざまな遺伝子を迅速に発現することを可能にするために生殖細胞に備わったメカニズムである可能性が考えられる。図は始原生殖細胞(PGC)の分化にともない、PGC特異的遺伝子はDNAが脱メチル化され発現が上昇するのに対して、体細胞遺伝子(Soma)ではヒストンH3K27のメチル化により発現が抑制される様子を模式的に示す。
  
3) Okamura, D. et al., Cell-cycle gene-specific control of transcription has a critical role in proliferation of primordial germ cells. Genes & Development 26, 2477-2482 (2012).
始原生殖細胞で特異的に発現する遺伝子のスクリーニングを行い、その結果得られたLarp7が始原生殖細胞の増殖に重要な役割を果たしていることを見いだした。Larp7は7SK snRNP複合体の構成因子であり、この複合体は転写伸長を促進するP-TEFbタンパク質と結合し、その活性を抑制することにより細胞内での転写活性を調節する働きがある。このLarp7遺伝子をノックアウトしたマウス胚では、始原生殖細胞がある程度増殖した後、正常胚と比べて早い段階で細胞周期がG1期で停止し、始原生殖細胞数が顕著に少ない状態になることから、正常な始原生殖細胞ではLarp7がG1期からS期への移行を促進する働きがあることがわかった。さらにLarp7を含む7SK snRNPの働きにより始原生殖細胞内の活性型P-TEFbの量が減少すると、G1期からS期への移行を阻害するCDK阻害因子(CDKI)遺伝子の発現が抑制され、これにより始原生殖細胞の細胞周期の進行が保証されることを明らかにした(下図参照)。
  

4) Matsui, Y. et al. The majority of early primordial germ cells acquire pluripotency by Akt activation. Development 141, 4457-4467 (2014).
 始原生殖細胞は多能性幹細胞から分化するが、通常その分化は精子または卵子に向かって一方向に進み、他の種類の細胞への分化や、分化を後戻りすることはない。しかし私たちのこれまでの研究から、いくつかの増殖因子とともに培養すると、一部の始原生殖細胞が1週間ほどで多能性幹細胞へ再プログラム化されることが明らかになっている。さらに細胞内情報伝達分子のAktを強く活性化すると、比較的早い発生段階である10.5日胚の始原生殖細胞では、その過半数が多能性幹細胞へ変化することを見出した。この結果から、始原生殖細胞と多能性幹細胞は密接に関連していて、情報伝達系の活性化のみで容易に多能性幹細胞へ変化するポテンシャルを持っていることがわかった。図はAktの活性化により始原生殖細胞から樹立された多能性幹細胞を示す。
  

最近の主な論文発表

  1. Matsui, Y., and Okamura, D. Mechanisms of germ cell specification in mouse embryos. BioEssays 27, 136-143 (2005).
  2. Seki, Y., Hayashi, K., Itoh, K., Mizugaki, M., Saitou, M., and Matsui, Y. Extensive and orderly reprogramming of genome-wide chromatin modification associated with specification and early development of germ cells in mice. Dev. Biol. 278, 440-458 (2005).
  3. Hayashi, K., Yoshida, K., and Matsui, Y. A histone H3 methyltransferase controls epigenetic events required for meiotic prophase. Nature 438, 374-378 (2005).
  4. Sasaki, H. and Matsui, Y. Epigenetic events in mammalian germ cell development: reprogramming and beyond. Nat.Rev.Genet. 9, 129-140 (2008).
  5. Okamura, D., Tokitake, Y., Niwa, H., Matsui, Y. Requirement of Oct3/4 for germ cell specification. Dev. Biol. 317, 576-584 (2008).
  6. Morita-Fujimura, Y., Tokitake, Y., and Matsui, Y. Heterogeneity of mouse primordial germ cells reflecting the distinct status of their differentiation, proliferation and apoptosis can be classified by the expression of cell surface proteins integrin a6 and c-Kit. Dev. Growth Differ. 51, 567-584 (2009).
  7. Matsui, Y., and Tokitake, Y. Primordial germ cells contain subpopulations that have greater ability to develop into pluripotential stem cells. Dev.Growth Differ. 51, 657-667 (2009).
  8. Maeda, I. and Matsui, Y. In vitro assay system for primordial germ cell development. Cell Res. 19, 1125-1126 (2009).
  9. Matsui, Y. The molecular mechanisms regulating germ cell development and potential. J. Androl. 31, 61-65 (2010).
  10. Mochizuki, K. and Matsui, Y. Epigenetic profiles in primordial germ cells: global and fine tuning of the epigenome for acquisition of totipotency. Dev. Growth Differ. 52, 517-525 (2010).
  11. Mochizuki K., Tachibana, M., Saitou, M., Tokitake, Y., and Matsui, Y. Implication of DNA demethylation and bivalent histone modification for selective gene regulation in mouse primordial germ cells. PLoS ONE 7, e46036 (2012).
  12. Okamura, D., Mochizuki, K., Taniguchi, H., Tokitake, Y., Ikeda, M., Yamada, Y., Tournier, C., Yamaguchi, S., Tada, T., Scholer, H.R. and Matsui, Y. REST and its downstream molecule Mek5 regulate survival of primordial germ cells. Developmental Biology 372, 190-202 (2012).
  13. Okamura, D., Maeda, I., Taniguchi, H., Tokitake, Y., Ikeda, M., Ozato, K., Mise, N., Abe, K., Noce, T., Izpisua Belmonte, J. C. and Matsui, Y. Cell-cycle gene-specific control of transcription has a critical role in proliferation of primordial germ cells. Genes & Development 26, 2477-2482 (2012).
  14. Maeda, I., Okamura, D., Tokitake, Y., Ikeda, M, Kawaguchi, H., Mise, N., Abe, K., Noce, T., Okuda, A, Matsui, Y. Max is a repressor of germ-cell-related gene expression in mouse embryonic stem cells. Nature Communications 4, 1754 (2013).
  15. Matsui, Y. and Mochizuki, K. A current view of the epigenome in mouse primordial germ cells. Molecular Reproduction and Development 81, 160-170 (2014).
  16. Leitch, H.G., Okamura, D., Durcova-Hills, G., Stewart, C.L., Gardner, R.L., Matsui, Y., Papaioannou, V.E. On the fate of primordial germ cells injected into early mouse embryos. Developmental Biology 385, 155-159 (2014).
  17. Matsui, Y., Takehara, A., Tokitake, Y., Ikeda, M., Obara, Y., Morita-Fujimura, Y., Kimura, T., and Nakano, T. The majority of early primordial germ cells acquire pluripotency by Akt activation. Development 141, 4457-4467 (2014).

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