Research & Members研究内容・メンバー

私たちは多能性幹細胞からin vivo胚によく似たin vitro胚モデルを作製できることに成功しました。しかし、現存のin vitro胚モデルは着床後の発生を部分的に再現するのみで、やがて異常をきたし、発生を停止します。この一因として、in vitro胚モデルの起点となる多能性幹細胞がin vivo胚と同等のエピゲノムを維持できないという問題があると考えます。そこで本研究では、ヒトやモデル動物を用いて、多能性幹細胞とin vivo胚を構成する細胞の詳細な比較解析を実施し、in vivo胚のエピブラストと同等の性質を持つ多能性幹細胞の新規培養系の確立を目指します。新規開発した多能性幹細胞を起点としたin vitro 胚モデルの構築を試み、生命創発の構成的理解に貢献します。

ヒト細胞を用いた研究はヒト胚発生の理解に直結する一方で、ヒト胚を用いた評価、あるいは動物胚を用いて動物性集合胚を作製し、動物体内で長期に渡って発生・評価するには倫理的な制約があります。そこで本研究ではモデル動物 (マウス、ラット、ウサギ、ブタ、非ヒト霊長類等) の多能性幹細胞に本計画班で開発する新規の培養系を適応し、動物胚を用いて個体発生能を厳密に検証します。また様々な動物種を扱うことで多能性やその維持機構における種ごとの違いおよび種を越えて共通する分子メカニズムを明らかにし、生命創発の根源に迫ります。

着床期は、哺乳類の初期胚が器官形成へと向かうダイナミックな形態変化を開始する、重要な時期です。しかしヒトでは、この過程が子宮内で進行するため直接的な観察が非常に困難であり、さらに倫理的な制約も相まって、ヒト着床機構の多くはいまだ謎に包まれています。本研究では、これまでの幹細胞を用いたヒト胚盤胞モデル(ブラストイド)の作製や、胚・胚体外組織のイメージングを通して、着床前胚の発生機構を明らかにしてきた知見を基盤とし、ヒト着床期における発生過程の可視化と、着床期胚の形態変化を制御するメカニズムの解明に取り組みます。これにより、ヒト胚発生、生命創発を担う機構の理解を深めることを目指します。

器官形成期は、体の基本構造がつくられる重要な時期です。器官形成に関する研究は主に実験動物を用いて行われてきました。一方、倫理的な問題から、ヒトでの研究はあまり進んでいません。近年の幹細胞培養技術の発展により、ヒトの初期胚に類似した構造を試験管内で再構成することが可能になりつつあり、ヒト胚を代替しうる画期的なモデルとして注目を集めています。しかし、器官形成期の発生を忠実に模倣可能なヒト胚モデルは報告されていません。本研究では、オルガノイド培養技術、マイクロ流路デバイス、ゲノム編集技術などを駆使し、着床期から器官形成期のヒトの発生を試験管内で再現し、その制御機構の解明を目指します。

胚盤胞は、着床前エピブラスト、栄養膜、原始内胚葉の3種類の細胞系譜、数10個の細胞で構成される組織で、それぞれからは主に胚、胎盤、卵黄嚢が形成されます。着床前エピブラスト、栄養膜、原始内胚葉からはそれぞれ、ES細胞、TS細胞、PrES細胞が樹立されており、これらを組み合わせれば概念的には胚盤胞が再構成される可能性が示唆されますが、この幹細胞による生命創発の再現には世界のどの研究室もまだ成功していません。本研究では、3つ全ての幹細胞について、胚の細胞の性質を精密に捕捉し、3細胞間の細胞間相互作用を再接続可能とすることで、胚モデルに胚発生能をもたせること、言い換えれば幹細胞のみで人工胚を作製することに挑戦します。

初期胚構成細胞の単一細胞解析の結果から、胚盤胞内でのエピブラスト、栄養膜、原始内胚葉間の細胞間相互作用ネットワークを構築し、培養下で樹立した幹細胞候補株が形成する細胞間相互作用ネットワークとの類似性や差異を解析します。我々の研究室において新規に樹立する株について解析を行い、胚盤胞内ネットワークへの類似度が高い新規細胞株については、実際に胚盤胞への注入によってキメラ寄与能を評価します。これにより、幹細胞から作製した人工胚の発生能獲得に不可欠な細胞間相互作用の本質を明らかにし、生命創発機構への理解を深めることを目指しています。

生命は精子と卵子の受精によって始まり、受精卵を構成しているのは精子と卵子それぞれに由来する父母性因子です。精子や卵子が形成される過程で父母性因子は一体どのように作られ、受精や胚発生でどのような役割を果たし、個体発生を成功させているのか、その全容は明らかにされていません。本研究では、母性因子による発生保証機構を明らかにすることを目的に、卵子が成長過程で母性因子を正しく獲得するための遺伝子ネットワークと母性因子が受精・発生に果たす役割を明らかにしていくことを目指します。

近年、精子形成期に付与される父性因子が受精後の胚発生や子孫の表現型に影響することが報告されつつありますが、そのメカニズムについては殆ど分かっていません。我々は、精子形成・機能不全により雄性不妊となる遺伝子改変マウス系統を多数有しています。本研究では、正常精子と異常精子を卵細胞質に直接注入する顕微授精により受精・発生させて影響を解析することにより、父性因子が次世代に与える影響を明らかにすることを目指します。

胚性ゲノム活性化に代表される初期胚特有の転写プログラムは生命創発に欠かせません。また、初期胚発生は刻一刻と進むため、ある時期に合成されたRNAやタンパク質がその合成期よりも後の発生期において重要な機能を果たすことが考えられます。近年では幹細胞を用いて初期胚モデルが構築されるようになりましたが、胚モデルは前段階にある発生過程を経ることなく作られます。この胚と胚モデルの違いは、胚モデルに長期発生能が見られないことの一因となっているかもしれません。そこで本研究では、初期胚特有の転写プログラムの制御機構および転写の下流にあるRNAやタンパク質の機能を明らかにすることで胚発生の理解と胚モデルからの生命創発に貢献します。

エピゲノムは発生や分化過程における適切な遺伝子発現制御に必須です。特に配偶子形成や受精、着床前発生の過程では、エピゲノムは極めてダイナミックに変動します。例えば卵では、体細胞には見られない特殊なエピゲノム構造が形成され、受精後にその大部分が消去されつつも一部は選択的に維持され、次世代の発生に寄与します。そして着床前発生過程では、体細胞型のエピゲノム構造が新たに形成されます。このようなエピゲノムの動態がわかってきた一方で、その制御機構や生物学的意義の理解は大きく遅れています。本研究では、マウスの卵形成から着床前発生過程におけるエピゲノムダイナミクスの機序と意義の解明を通じて、in vivo胚に備わる発生保証機構を明らかにします。ここで得られる知見は、配偶子や着床前発生を経ずに再構成されるin vitro胚モデルからの生命創発の試みに貢献します。

卵子の核を体細胞の核と入れ替えて作る「体細胞クローン胚」は、受精によってできる通常の胚と同じゲノム配列を持っています。しかし実際には多くのクローン胚が発生のごく初期、特に着床直後の段階で発生を止めてしまいます。幹細胞から作られる「胚モデル」でも着床直後に発生を停止するという同様の現象が見られることから、両者には共通した問題、特にエピゲノムの異常があると考えられます。本研究では、クローン胚に見られる発生停止や異常な表現型の原因となる新たなエピゲノム異常を明らかにすることで、正常な胚発生を支えるメカニズムである発生保証機構を解き明かします。そしてその知見を幹細胞研究に応用することで、胚モデルによる生命創発の実現に貢献します。

現在の日本では不妊症のカップルは5-6組に１組あると言われており、生まれてくる赤ちゃんの10人に一人が体外受精や顕微授精などの生殖補助医療により生まれています。これまでは受精を行うことで遺伝子情報がリセットされ完全な個体が生まれてくると考えられていましたが、私達はマウスを用いた実験で、これらの生殖補助医療により生まれた個体に世代を超えた異常が起こることを見出しました。生殖補助医療で用いられている技術は動物実験が不足していることが当初から指摘されており、ヒトの生殖補助医療により生まれている個体の長期予後や次世代に対する影響は未知のままです。そこで本研究では正常な受精と生殖補助医療により受精した個体の比較解析を行い、次世代につなぐ発生保証機構のメカニズムに迫ります。

正常な受精と生殖補助医療により受精した個体の比較解析を行う為には、それぞれの個体に現れる症状(表現型)を網羅的に、かつ正確に調べる必要があります。私たちは国際共同研究プロジェクトである国際マウス表現型解析コンソーシアム (International Mouse Phenotyping Consortium: IMPC)に参画し、そこで使用される700項目以上（血算、血液生化学、形態、行動、感覚器、循環器、免疫、代謝、骨形態、剖検等を含む）を解析可能な世界基準のマウス表現型解析パイプライン (PL)を構築しています。本研究では、このPLを使用して生殖補助医療により生まれている個体、さらには次世代個体の網羅的表現型解析を実施します。加えて、新たな表現型解析法を開発して詳細な２次解析を行い、次世代につなぐ発生保証機構メカニズムの解明に貢献します。

１つの受精卵から個体を創発する胚発生では、遺伝子発現やエピゲノム状態の初期化と再編成、多様な細胞種への分化や自己組織化などのさまざまな現象を通じて、個体として機能する生命システムの構築と制御が行われます。その過程の理解のためには、重要な分子機構やパスウェイ等の各要素の研究に加えて、全体のシステムがどのように協調しているのかという大きなスケールでの理解が重要であり、さらには、得られた知見を用いて人工的に生命創発過程の生命工学操作を行うためには、その幹細胞胚の複雑な操作法の発見が必要です。本研究計画は、当学術変革研究の多様な研究者が得た知見やデータベース、本代表者の新規計測データなどを統合して「in silico デジタル胚」の構築を行い、胚発生を予測するシミュレーションとしての活用や、生物が持つ複雑な自己組織化のルールや発生保証機構の制御ルールの解明を通じて生命創発研究に貢献します。

生命創発機構の解明に資するデジタル胚の開発には、迅速・安定な胚モデル作製と、有用なデータを計測するマルチモーダル解析法が必要です。しかし現在、幹細胞を用いたin vitro胚モデル構築と解析は、スピードとデータの接続性に欠けています。そこで本研究では、幹細胞由来のin vitro人工胚モデルに、遺伝子バーコードと独自開発の光バーコードを融合適用し、細胞系譜や分化動態を高精度に追跡・解析する計測基盤を開発します。これにより、時空間的な発生過程の可視化と定量化の実現を目指します。さらに、多重表現型解析と組み合わせることで、人工胚の構築精度を高め、デジタル胚の開発に資すると共に、初期発生の原理や破綻のメカニズム解明を目指します。