JP7302865B2 - 未成熟卵母細胞の誘導方法及び成熟卵母細胞の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明の第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法は、FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞、エピブラスト様細胞及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入することを含む。
上記第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法は、FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子を前記細胞に導入することを含んでもよい。
上記第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法は、STAT3の遺伝子、又はその転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含んでもよい。
上記第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法は、SOHLH1、SUB1及びDYNLL1からなる群より選ばれる1種以上の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含んでもよい。
上記第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法は、SOHLH1、SUB1及びDYNLL1からなる3種類の遺伝子を前記細胞に更に導入することを含んでもよい。
前記細胞が多能性幹細胞であってもよい。
上記第1態様に係る未成熟卵母細胞の誘導方法において、前記遺伝子の発現が発現誘導物質の存在により誘導されるように制御されており、
前記導入後に、前記細胞を増殖させることと、
前記増殖後に、前記発現誘導物質を培地に添加し、前記遺伝子の発現を誘導することと、をさらに含んでもよい。
FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入することと、
導入後の前記細胞及び卵巣体細胞を共培養することと、
を含む。
上記第2態様に係る成熟卵母細胞の作製方法は、STAT3の遺伝子、又はその転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含んでもよい。
一実施形態において、本発明は、FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞、エピブラスト様細胞及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞(以下、これらの細胞を総じて「卵母細胞への分化能を有する細胞」と称する場合がある)に導入することを含む、未成熟卵母細胞の誘導方法を提供する。
また、本明細書において、「卵胞」とは、卵母細胞とそれを取り巻く体細胞(顆粒膜細胞及び莢膜細胞)とからなるものである。
本実施形態の未成熟卵母細胞の誘導方法について、以下に詳細を説明する。
多能性幹細胞等の卵母細胞への分化能を有する細胞への導入に用いられる卵母細胞形成遺伝子は、発明者らがこれまで卵母細胞系列における遺伝子の発現動態をRNAシークエンシング(RNA-Seq)解析を行なうことで同定したものである。卵母細胞形成遺伝子として具体的には、例えば、FIGLA、NOBOX、SOHLH1、LHX8、SUB1、STAT3、TBPL2、DYNLL1等が挙げられる。後述の実施例に示すように、FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子が多能性幹細胞から未成熟卵母細胞への誘導に特に重要である。よって、上述の卵母細胞形成遺伝子の中でも、少なくともFIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を細胞に導入することで、卵母細胞への分化能を有する細胞を未成熟卵母細胞に誘導することができる。
本実施形態の未成熟卵母細胞の誘導方法で用いられる卵母細胞への分化能を有する細胞としては、多能性幹細胞、エピブラスト様細胞(EpiLCs)及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞であることが好ましい。
本明細書において、「多能性幹細胞」とは、未分化状態を保持したまま増殖できる「自己再生能」と三胚葉系列すべてに分化できる「分化多能性」とを有する未分化細胞を意味する。多能性幹細胞としては、以下に限定されないが、例えば、人工多能性幹細胞(iPS細胞)、胚性幹細胞(ES細胞)、始原生殖細胞に由来する胚性生殖細胞(EG細胞)、精巣組織からのGS(Germline Stem)細胞の樹立培養過程で単離されるmultipotent GS細胞(mGS細胞)、骨髄間葉系細胞から単離されるMuse細胞等が挙げられる。なお、ES細胞は体細胞から核初期化されて生じたES細胞であってもよい。上記に列挙した多能性幹細胞は、それぞれ公知の方法により得ることができる。
なお、本明細書において、「エピブラスト様細胞(EpiLCs)」は、多能性幹細胞(例えば、iPS細胞、ES細胞等)から特定の培養条件で分化させた細胞であり、エピブラスト(生体内で始原生殖細胞へと分化する組織)によく似た特徴を有する。
多能性幹細胞(iPS細胞又はES細胞)からEpiLCsを分化誘導する方法は、公知の方法、例えば、特表2013-538038号公報(参考文献4)や、「Hayashi K. et al., “Reconstitution of the mouse germ cell specification pathway in culture by pluripotent stem cells.”, Cell, Vol. 146, No. 4, p519-532, 2011.」(参考文献5)等を参考にして行なうことができる。
また、本明細書において、「始原生殖細胞」とは、生殖細胞へ分化する予定の細胞であり、減数分裂を経て最終的に卵子や精子に分化する細胞を意味する。始原生殖細胞は、生体由来のものであってもよく、多能性幹細胞より分化誘導した始原生殖細胞様細胞(PGCLCs)であってもよい。生体より始原生殖細胞を回収する場合には、例えば、雌マウスの胎仔(11.5日齢から12.5日齢まで)より生殖巣とともに回収することができる。なお、生体より生殖巣を回収する際には、中腎を伴う形で回収してもよく、中腎を切り離しても回収してもよい。
本実施形態の未成熟卵母細胞の誘導方法において、上記卵母細胞形成遺伝子は、多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入される。
増殖工程では、より大量の未成熟卵母細胞を得るために、多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞を増殖させる。
選択工程では、卵母細胞形成遺伝子、又はその転写物若しくはその発現タンパク質が導入された細胞を選択する。
上記導入工程において、卵母細胞形成遺伝子の発現が発現誘導物質の存在により誘導されるように制御されている場合に、発現誘導物質を培地に添加することで、卵母細胞形成遺伝子の発現が誘導される。多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞から未成熟卵母細胞へ分化誘導されると、細胞の増殖が停止する。そのため、より大量の未成熟卵母細胞を得るために、発現誘導工程を行なう前に、増殖工程を行なうことが好ましい。すなわち、卵母細胞形成遺伝子を発現ベクターの形で細胞に導入する場合には、増殖工程、導入工程及び発現誘導工程をこの順で行なうことが好ましい。一方、卵母細胞形成遺伝子を多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞の染色体に組み込む場合には、導入工程、増殖工程及び発現誘導工程をこの順で行なうことが好ましい。
培養工程では、上記導入工程後の細胞を、細胞内で卵母細胞形成遺伝子が発現している又は卵母細胞形成遺伝子の発現タンパク質が存在している状態で培養する。
1)FIGLA、NOBOX、SOHLH1、LHX8、SUB1、STAT3、TBPL2及びDYNLL1からなる群より選ばれる1種以上の卵母細胞形成遺伝子を多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞(特に好ましくは、多能性幹細胞)の染色体に導入すること;
2)導入後の細胞を増殖させること;
3)増殖後の細胞のうち、卵母細胞形成遺伝子が染色体に導入された細胞を選択すること;
4)選択後の細胞において、発現誘導物質を培地に添加して、卵母細胞形成遺伝子の発現を誘導すること;
5)発現誘導後の細胞を細胞内で卵母細胞形成遺伝子が発現している状態で培養すること
一実施形態において、本発明は、FIGLA、NOBOX、SOHLH1、LHX8、SUB1、STAT3、TBPL2及びDYNLL1からなる群より選ばれる1種以上の遺伝子、又はその転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入することと、導入後の前記細胞及び卵巣体細胞を共培養することと、を含む、成熟卵母細胞の作製方法を提供する。
本実施形態の成熟卵母細胞の作製方法は、上記「卵母細胞の誘導方法」に記載の導入工程後の多能性幹細胞、EpiLCs及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞、並びに卵巣体細胞を共培養して、凝集塊を形成させる工程(凝集塊形成工程)を含む。
また、本実施形態の成熟卵母細胞の作製方法は、上記凝集塊形成工程の後に、培養工程を含むことができる。
成長工程では、培養工程で得られた卵胞を個々の卵胞に単離して、成長用培地を用いて培養する。
成熟工程では、成長工程で得られた卵胞を、成熟用培地を用いて培養する。
第2減数分裂中期の卵(2次卵母細胞)であることは、例えば、顕微鏡等を用いた目視により第一極体の放出を指標に評価することができる。
また、本実施形態の成熟卵母細胞の作製方法を用いて得られた成熟卵母細胞は、産業動物の効率的な育種、希少動物の繁殖のために好適に用いられる。すなわち、一実施形態において、本発明は、上記方法で得られた成熟卵母細胞を用いる、産業動物の育種方法又は希少動物の繁殖方法を提供する。
なお、上記適用対象となる動物としては、哺乳動物が好ましい。哺乳動物としては、上記に例示されたものと同様のものが挙げられる。
また、本実施形態の成熟卵母細胞の作製方法を用いて得られた成熟卵母細胞は、不妊原因の究明、閉経疾患のメカニズム解明に役立てることができる。
(ベクターの構築)
CAGプロモーター及び不安定化ドメイン(DD)をCAG-DD-hTFAP2Cプラスミド(参考文献6:「Kobayashi T et al., “Principles of early human development and germ cell program from conserved model systems.”, Nature, Vol. 546, No. 7658, p416-420, 2017.」)からクローニングし、従来から使用しているPiggyBACベクター(参考文献7:「Shimamoto S et al., “Hypoxia induces the dormant state in oocytes through expression of Foxo3”, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.1817223116, 2019.」)に挿入して、PB-CAG-DDベクターを作製した。次いで、FIGLA、NOBOX、SOHLH1、LHX8、SUB1、STAT3、TBPL2及びDYNLL1の8つの遺伝子のcDNAを受精後13.5日齢の雌マウス卵巣のcDNAから増幅し、インフュージョンHDクローニングキット(タカラバイオ社製)を用いて、PB-CAG-DDベクターにクローニングした。各cDNAの増幅は、メーカーのプロトコルに従い、KOD Fx Neo又はKOD Plus Neo DNAポリメラーゼ(TOYOBO社製)を用いて、PCRによって行った。
ES細胞は、予め、フィーダー細胞を用いずに、2i及びLIFを添加した無血清培地で維持培養しておいた(上記参考文献3参照)。また、未成熟卵母細胞及び成熟卵母細胞への分化をモニターできるように、生殖細胞系列の重要な決定因子であるBlimp1の発現制御下の黄色蛍光タンパク質(YFP)のバリアントであるmVenus(membrane-targeted Venus)をコードする遺伝子、生殖細胞及び卵母細胞マーカーであるStellaの発現制御下の改良されたシアン蛍光タンパク質(Enhanced cyan fluorescent protein;ECFP)をコードする遺伝子、並びに、活性化(成熟)卵母細胞マーカーであるNucleoplasmin 2(Npm2)の発現制御下の赤色蛍光タンパク質mCherry(membrane-targeted Cherry)をコードする遺伝子が染色体上に挿入されているマウスES細胞(Blimp1-mVenus:Stella-ECFP:Npm2-mCherry(BVSCNmC))を用いた。構築した8つの遺伝子を含むPB-CAG-DDベクターをLipofectamine 2000によってhyperactive PBase(hypBase)プラスミドと同時にトランスフェクションした。2i及びLIFを添加した無血清培地で5日間ピューロマイシン選択後に単一コロニーを増殖させた。
次いで、10%ウシ胎児血清(FCS)、150μMのアスコルビン酸、1×Glutamax、1×ペニシリン/ストレプトマイシン及び55μMのメルカプトエタノールを添加したS10培地(StemPro(登録商標)-34 SFM、ライフテクノロジーズ社製)に0.5μMのShield1(クロンテック社製)を混合した培地(以下、「卵母細胞分化誘導培地」と称する)を分注した細胞低接着U底96ウェルプレートに1×105個のES細胞を移し、5日間培養して未成熟卵母細胞に分化誘導させた。共焦点顕微鏡(Carl Zeiss社製、型番:Zeiss LSM 700)下で観察した結果を図1に示す。図1において、「卵母細胞形成遺伝子」とは、FIGLA、NOBOX、SOHLH1、LHX8、SUB1、STAT3、TBPL2及びDYNLL1の8つの遺伝子を示す。「卵母細胞形成遺伝子発現OFF」はShield1を含む培地の添加前の細胞であり、「卵母細胞形成遺伝子発現ON」はShield1を含む培地の添加し5日間培養した後の細胞である。
次いで、トランスフェクション後、5日間培養し、ピューロマイシンで選択した、単一コロニーのES細胞(1×105個)を上記卵母細胞分化誘導培地で、3×104個の受精後12.5日齢の雌マウス由来の卵巣体細胞と混合して凝集塊を作製して2日間培養した。卵巣体細胞は、予め、非特許文献1等に記載の方法を用いて、受精後12.5日齢の雌マウスから卵巣を摘出して、当該卵巣から単離されたものを使用した。また、次いで、該凝集塊をトランスウェル-COL膜(Coaster社製)上に移して、上記卵母細胞分化誘導培地で28日間培養した。培養開始から2、6、8、10及び12日目の凝集塊での各マーカーの発現を共焦点顕微鏡(Carl Zeiss社製、型番:Zeiss LSM 700)下で観察した結果を図2に示す。図2において、上段では、生殖細胞及び卵母細胞マーカーであるStella-ECFPの蛍光により、卵母細胞を可視化した。下段では、活性化(成熟)卵母細胞マーカーであるNucleoplasmin 2(Npm2)の発現制御下に発現させている赤色蛍光タンパク質mCherry(Npm2-mCherry)の蛍光により、卵母細胞を可視化した。
マウスiPS細胞を用いて、ES細胞と同様に卵母細胞への分化誘導について検討した。
iPS細胞は、非特許文献1の論文において樹立されたウイルスバスターにより作製されたマウスBVSC iPS細胞を用いた。実施例1において構築した5つの遺伝子を含むPB-CAG-DDベクターをLipofectamine 2000によってhyperactive PBase(hypBase)プラスミドと同時にマウスBVSC iPS細胞にトランスフェクションした。2i及びLIFを添加した無血清培地で5日間ピューロマイシン選択後に単一コロニーを増殖させた。
ベクターをトランスフェクションしたiPS細胞を、実施例1と同様の方法を用いて、5日間培養して未成熟卵母細胞に分化誘導させた。
次いで、トランスフェクション後、5日間培養し、ピューロマイシンで選択した、iPS細胞(1×105個)を上記卵母細胞分化誘導培地で、3×104個の受精後12.5日齢の雌マウス由来の卵巣体細胞と混合して凝集塊を作製して2日間培養した。次いで、該凝集塊をトランスウェル-COL膜(Coaster社製)上に移して、上記卵母細胞分化誘導培地で21日間培養した。培養開始から21日目の凝集塊でのStella-ECFPの発現を共焦点顕微鏡(Carl Zeiss社製、型番:Zeiss LSM 700)下で観察した結果を図3に示す。図3において、左側の像は明視野像であり、右側の像は生殖細胞及び卵母細胞マーカーであるStella-ECFPの蛍光により、卵母細胞を可視化した蛍光像である。
(卵母細胞形成遺伝子中の重要因子の同定)
卵母細胞形成遺伝子のうち重要因子である遺伝子を同定するために、図4の左の図に記載の遺伝子の組み合わせとなるように、実施例1と同様の方法を用いて、合計26種類のベクターを構築した。次いで、実施例1と同様の方法を用いて、マウスES細胞(Blimp1-mVenus:Stella-ECFP:Npm2-mCherry(BVSCNmC))に各ベクターをトランスフェクションした。トランスフェクション後のES細胞を、実施例1と同様の方法を用いて、5日間培養して未成熟卵母細胞に分化誘導させた。次いで、トランスフェクション後、5日間培養し、ピューロマイシンで選択した、単一細胞由来のES細胞(1×105個)を上記卵母細胞分化誘導培地で、3×104個の受精後12.5日齢の雌マウス由来の卵巣体細胞と混合して凝集塊を作製して2日間培養した。次いで、得られた凝集塊を実施例1と同様の方法を用いて、21日間培養した。培養後の細胞について、各細胞株から形成された卵母細胞の数を計測した。さらに、Stella遺伝子の下流に発現させている青色蛍光タンパク質CFPの蛍光面積から算出された、卵母細胞の面積を算出した。これらの結果を図4に示す。
Claims (9)
- FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞、エピブラスト様細胞及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入することを含む、未成熟卵母細胞の誘導方法。
- FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子を前記細胞に導入することを含む、請求項1に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。
- STAT3の遺伝子、又はその転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含む、請求項1又は2に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。
- SOHLH1、SUB1及びDYNLL1からなる群より選ばれる1種以上の遺伝子、又はそれらの転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。
- SOHLH1、SUB1及びDYNLL1からなる3種類の遺伝子を前記細胞に更に導入することを含む、請求項4に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。
- 前記細胞が多能性幹細胞である、請求項1~5のいずれか一項に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。
- 前記遺伝子の発現が発現誘導物質の存在により誘導されるように制御されており、
前記導入後に、前記細胞を増殖させることと、
前記増殖後に、前記発現誘導物質を培地に添加し、前記遺伝子の発現を誘導することと、をさらに含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の未成熟卵母細胞の誘導方法。 - FIGLA、NOBOX、LHX8及びTBPL2からなる4種類の遺伝子、又はそれら転写物若しくは発現タンパク質を多能性幹細胞、エピブラスト様細胞及び始原生殖細胞からなる群より選ばれる少なくとも1種の細胞に導入することと、
導入後の前記細胞及び卵巣体細胞を共培養することと、
を含む、成熟卵母細胞の作製方法。 - STAT3の遺伝子、又はその転写物若しくは発現タンパク質を前記細胞に更に導入することを含む、請求項8に記載の成熟卵母細胞の作製方法。
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