研究の目的
DNAメチル化は哺乳類のゲノムに見られる唯一の化学修飾である。DNAメチル化はクロマチン構造の変化とともに、厳密な遺伝子発現制御に関係する。我々は先にゲノム上には多数の細胞・組織特異的メチル化可変領域(T-DMR)が存在することを発見している。一旦分化した細胞では、DNAがメチル化された領域は細胞世代を越えて継承されるので、DNAメチル化は遺伝子発現の記憶装置と考えられる。細胞の種類に固有のDNAメチル化パターンの集合を“DNAメチル化プロフィール”と呼ぶ。本研究では、(1)遺伝子の転写調節領域に存在するT-DMRについて、主要細胞、組織毎のDNAメチル化プロフィール(T-DMRアトラス)を既存または新規の解析法により明らかにし、基本データベースを作製する。また、(2)このデータベースをもとにクロマチン関連因子(ヒストン修飾酵素、ヒストンサブタイプ)や非コードアンチセンスRNAとの相互作用、細胞分化との関わりを明らかにし、(3)核移植胚や再生医療用の幹細胞のように人工的に作製された胚・細胞の正常性評価などに応用することを目的とする。それぞれの体細胞ではゲノムDNAの遺伝情報(塩基配列)が同一であっても、異なるDNAメチル化プロフィールが形成されることにより細胞の種類に特有の遺伝子発現パターンが維持されているのである。したがって、本研究で得られる成果は生物学の基礎として重要であるばかりでなく、家畜繁殖、再生医療、食品安全、環境、創薬など様々な多方面展開を意識した応用研究の基盤となる。
研究項目及び実施体制(◎は研究代表者)
- ゲノムワイドDNAメチル化領域解析
(◎塩田 邦郎・田中 智/東京大学大学院農学生命科学研究科) - DNAメチル化制御機構に関する生化学的解析
(田中 智・◎塩田 邦郎/東京大学大学院農学生命科学研究科) - 核移植胚・細胞・個体の評価系確立
(◎塩田 邦郎・田中 智・中山 裕之/東京大学大学院農学生命科学研究科)
研究の内容及び主要成果
- DNAチップを用いた新規のゲノムワイドDNAメチル化解析法であるD-REAM(T-DMR profiling with Restriction tag-mediated Amplification)法の開発に成功した。
- マウス主要組織、幹細胞などの解析から合計数千の遺伝子領域のDNAメチル化データベース(T-DMRアトラス)を構築し、一般に公開できるようになった。
- ヒストン修飾酵素のDNAメチル化プロフィール形成への関与や、非コードアンチセンスRNAと領域特異的DNA脱メチル化との関わりを明らかにした。
- T-DMRアトラスをもとに、DNAメチル化プロフィールが核移植胚、幹細胞などの正常性評価に用いることが可能であることを証明した。
1-4をもとに家畜を含むほ乳類の発生・分化におけるエピジェネティクス制御の基盤を築いた。
見込まれる波及効果
本研究で達成したマウスT-DMRのDNAメチル化アトラスは、核移植胚、胚操作動物、人工的に作製された有用細胞の正常性評価や効率的な樹立に有効である。これらの情報をもとに、家畜生産における品種改良や育種、正常性維持のための食品開発、有用胚・細胞評価に応用することが可能である。また医療分野でも再生医療・幹細胞治療のために作製される細胞の正常性評価や効率の良い細胞誘導系の開発にも応用可能である。
主な発表論文
- Hattori N., et al.: Preference of DNA methyltransferases for CpG islands in mouse embryonic stem cells. Genome Res. 14: 1733-1740 (2004)
- Hattori N., et al.: Preference of Epigenetic control of mouse Oct-4 gene expression in embryonic stem cells and trophoblast stem cells. J Biol Chem. 279: 17063-17069 (2004)
- Ohgane J., et al.: The Sall3 locus is an epigenetic hotspot of aberrant DNA methylation associated with placentomegaly of cloned mice. Genes Cells 9: 253-260 (2004)
- Hattori N., et al.: Epigenetic regulation of Nanog gene in embryonic stem and trophoblast stem cells. Genes Cells 12: 387-396 (2007)
- Ikegami K., et al.: Genome-wide and locus-specific DNA hypomethylation in G9a deficient mouse embryonic stem cells. Genes Cells. 12: 1-11 (2007)
- Yagi S., et al.: DNA methylation profile of tissue-dependent differentially methylated regions (T-DMRs) in mouse promoter regions demonstrating tissue-specific gene expression. Genome Res. 18: 1969-1978 (2008)