光照射とゲノム編集で妊娠をピンポイントに調節することに成功　丸山哲夫（産婦人科）

研究の背景と概要

妊娠は、受精卵（胚）が子宮内に接着し進入していく着床という現象から始まります。着床では、胚も子宮も刻一刻とその様相や機能が変化していきます。子宮内では、様々な生命物質がお互いに協調しながら、ダイナミックな着床現象を支えます。このダイナミズムに加えて、着床は子宮内というブラックボックスで起きている現象であり、アプローチの難しさもあって、着床の仕組みは十分には解明されていません。体外受精などの生殖補助医療（ART：Assisted Reproductive Technology）の進歩により、受精障害を原因とする不妊症の治療成績は劇的に改善しましたが、着床障害による不妊症にはいまだに有効な治療はありません。ARTの妊娠率・生産率が現在頭打ちになっている１つの原因に着床障害があります。刻一刻と変化していく着床現象の研究と着床障害の治療には、時間的にも場所的にもピンポイントで解析・コントロールする技術が必要とされます。

本研究では、青色光照射とゲノム編集を組み合わせることにより、ピンポイントにマウスの着床・妊娠をコントロールすることに成功しました。

研究の成果と意義・今後の展開

着床現象を支える物質のなかで、私たちは着床に必要不可欠な白血病阻止因子（LIF：Leukemia Inhibitory Factor）を光遺伝操作のターゲットにしました。その光遺伝操作は、共同研究者の佐藤守俊教授（東京大学）らのグループが開発した光で活性化するCas9タンパク質（光Cas9）を用いることにより可能になりました（図1）。

図1. 光Cas9によるゲノム編集の原理 (Nihongaki, et al., Nat Biotech, 2015)

DNA切断酵素であるCas9タンパク質は、ガイド RNAと共にDNAに結合し、そのDNA配列を部位特異的に切断することで、遺伝子破壊や遺伝子置換などゲノムを自在に編集することができます。佐藤教授らは、Cas9タンパク質を2つに分割して失活させたうえで、青色 LEDによる青色光を照射することで2分割された Cas9蛋白質が合体して活性化するシステムを作りました。このように青色光を照射すると合体して活性化する一方、青色光をオフ にすると2分割して失活することになります。すなわち、光のオンオフでゲノム編集を自在に行うことが出来るわけです。

このシステムを用いて本研究で行った実験の流れと結果の概要を図２に示します。雄マウスと交配させた雌マウスに、LIF遺伝子を標的とするシングルガイドRNA（sgRNA）と光Cas9の遺伝子を導入します。交配後 3.5日目にこの雌マウスの全身（主に腹部）に青色光を照射すると、光Cas9のゲノム編集により子宮でのLIF遺伝子が壊されてLIF蛋白が低下し、そのために着床が起きずマウスは妊娠しませんでした。このマウスは、青色光を当てなければLIFに影響を及ぼさず普通に着床が起きて妊娠します。 また、LIF遺伝子を標的としないsgRNAと光Cas9を導入した雌マウスには青色光を照射した場合でも、LIFに影響を及ぼさず通常どおりに着床が起きて妊娠します。さらに、青色光照射によりLIFが低下した不妊マウスの子宮に、新たにLIF蛋白を投与すると、ほぼ元通りに着床が起きて妊娠するようになりました。

図2. 光ゲノム編集技術を用いた着床・妊娠のコントロール. sgRNA: ガイドRNA

このように、狙った場所とタイミングで光を当てることにより、子宮内の生命物質の働きをコントロールできたことから、本システムは着床障害などの不妊症の治療、着床をブロックすることによる避妊、あるいは子宮内での胎児治療など、新しい様式の生殖治療の開発につながることが期待されます。また、本システムは、刻一刻と変化する着床現象において、自由自在なタイミングで光照射をして生命物質の変化を起こすことができることから、着床現象をダイナミックに解析できる研究ツールとしても有用性があると思われます。

【用語解説】

（注1）青色LED
青色発光ダイオードの略であり、電流を流すことで青色を発光する半導体素子の一種。
この開発に対して、2014年ノーベル物理学賞が授与された。

（注2）ゲノム編集
部位特異的なヌクレアーゼ（切断酵素）を利用して、染色体上の特定の場所にある遺伝子配列を狙い通りに改変する技術。この切断酵素のなかで最も用いられている
CRISPR/Cas9の発見に対して、2020年ノーベル生化学賞が授与された。

参考文献

Optogenetic regulation of embryo implantation in mice using photoactivatable CRISPR-Cas9.
Takao T, Sato M, Maruyama T.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Nov 17;117(46):28579-28581. doi: 10.1073/pnas.2016850117. Epub 2020 Nov 2.

左より：責任著者の丸山哲夫（産婦人科学教室准教授）、筆頭著者の高尾知佳（同共同研究員）

最終更新日：2021年5月6日
記事作成日：2021年5月6日

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  • 精神神経疾患の関連分子が神経細胞を正しく配置させるしくみを発見
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  • 汗孔角化症の発症メカニズムを解明
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• 2019年
  • 心停止患者から提供された臓器を水素ガスによって移植可能な臓器へと蘇生させる新たな技術の開発に成功
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  • 根気を生み出す脳内メカニズムの発見
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  • ケトン体(β-ヒドロキシ酪酸)による腎保護作用のメカニズム
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  • 心電図からカテーテル治療の要否を判断するAIの開発
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  • 「豊かな環境」によるドライアイ予防・改善の可能性　佐野こころ（眼科学）
  • ヒト上皮幹細胞の新規培養技術の開発
    藤井正幸、佐藤俊朗
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  • 新しい分子イメージング法による高血圧症の原因解明
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  • 脳梗塞における神経症状回復を促す新規免疫細胞の発見　伊藤美菜子、吉村昭彦(微生物学・免疫学)
  • 顕微鏡で観察するがん免疫の世界とその分類　紅林泰、坂元亨宇（病理学）
  • 記憶・学習のしくみを理解し、操作するための新しい技術
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  • ヒト多能性幹細胞から高効率に骨格筋を分化させる方法
    秋山智彦、洪実（坂口光洋記念講座（システム医学））
• 2018年
  • 抗菌薬の隠された作用のメカニズムの解明～薬剤耐性対策につながる成果～
    南宮湖、石井誠（呼吸器内科）
  • iPS細胞技術を用いた筋萎縮性側索硬化症(ALS)の病態解析と創薬研究
    藤森康希、岡野栄之（生理学）
  • 10億個のヒトiPS細胞由来の心室筋細胞を一度に作製する方法の開発
    遠山周吾、藤田淳 (循環器内科)
  • 横紋筋融解症に続発する腎不全の新たなメカニズムの解明
    大久保光修、平橋淳一（総合診療教育センター）
  • iPS細胞を用いた胎児の形態異常の解明
    奥野博庸（生理学）
  • 紫光（バイオレットライト）の成人強度近視に対する近視進行抑制の可能性
    鳥居秀成、根岸一乃（眼科）
  • 口腔には腸管に定着すると免疫を活性化する細菌がいる
    本田賢也、新幸二（微生物学・免疫学）
  • 新しい遺伝子発現システムによる心筋細胞の誘導と心臓再生への応用
    梅井智彦、家田真樹（循環器内科）
  • 広汎性子宮頸部摘出術後妊娠における残存頸管長と早産リスクの関連は？
    宮越敬（産婦人科）
  • リン代謝を制御するものは老化を制御する
    宮本健史（整形外科）
  • DNAメチル化解析による脊髄移植後の腫瘍化の原因解明
    飯田剛（整形外科）
• 2017年
  • HDLコレステロールが低い日本人の冠動脈疾患死亡リスク
    平田 匠（百寿総合研究センター）
  • 細胞周期の異常はがんの進展にとって敵にも味方にもなる
    石澤丈（先端医科学研究所）
  • 脳梗塞後の炎症が収まる仕組みの解明と治療への応用
    七田 崇、吉村 昭彦（微生物学・免疫学）
  • 腹外側線条体の神経細胞が意欲の維持に関わる
    滝上紘之（生理学、精神・神経科）
  • 非小細胞肺がんで使用される分子標的薬の耐性化メカニズムの解明
    額賀重成（呼吸器内科）
  • 内耳性難聴に対するiPS創薬研究－新規病態の発見と治療薬の同定－
    藤岡 正人、細谷 誠（耳鼻咽喉科）　
  • 食べ過ぎが糖尿病や心血管疾患の発症を起こすメカニズムを解明
    白川公亮（循環器内科）
  • バルプロ酸への胎内曝露が胎児の大脳皮質形成を障害する
    藤村公乃（小児科）
  • 血液を作る幹細胞がストレスを受けて増殖する仕組みを発見
    雁金大樹（血液内科）
  • 間葉系幹細胞の免疫性線維化における役割
    小川葉子（眼科）、森川暁（歯科・口腔外科）
  • 肥満に伴う大腸マクロファージによる炎症が糖尿病発症につながる
    川野義長（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 眼球内の不要となった血管を退縮させる仕組み
    久保田義顕（機能形態学）
• 2016年
  • iPS細胞を高品質かつ高効率に作製する方法の開発
    國富晃（循環器内科）
  • MIRAGE症候群の発見
    鳴海 覚志、長谷川奉延（小児科）
  • 日本における認知症の社会的コスト
    佐渡充洋（精神・神経科）
  • 神経細胞の興奮の起こりやすさを制御する新しいメカニズムを解明
    松田恵子（生理学）
  • 新規筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデルマウスの樹立に成功
    椎橋 元（神経内科）
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    中原 仁（神経内科）
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  • 乳酸アシドーシスの新規治療法の開発
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  • 百寿者から探る健康長寿の秘訣
    新井康通（百寿総合研究センター）
  • iPS細胞から神経細胞を作り分ける新技術
    今泉研人（医学部5年）
  • 腸管免疫の恒常性における腸内細菌の役割
    柏木一公（微生物学・免疫学）
• 2015年
  • 高脂血症治療薬が急性腎障害を軽減するメカニズム
    吉田 理（血液浄化・透析センター）
  • 子宮の幹細胞と再生医学
    丸山哲夫（産科）
  • 生殖細胞のゲノムを守る小さなRNA分子
    齋藤 都暁（分子生物学）
  • 神経の働きを調節する新たなメカニズムを発見
    鈴木 将貴（解剖学）
  • 筋ジストロフィーに対する筋肉再生療法の開発
    湯浅慎介（循環器内科）
  • 閉経後骨粗鬆症を発症させる因子の同定に成功
    宮本健史（整形外科）
  • 筋萎縮性側策硬化症―新たな病態の解明―
    山川眞以（医学部5年）、伊東大介（神経内科）
  • 生体内ガス分子が介するがん細胞の代謝制御機構
    山本雄広（医化学）
  • 肥大型心筋症を悪化させる因子の同定に成功
    田中敦史（循環器内科）
• 2014年
  • がん間質を抑制するTIMP分子－新たながん治療戦略への期待－
    下田 将之（病理学）
  • ドライアイの病態解明をめざして―臨床と基礎研究をつなぐ―
    小川 葉子（眼科）
  • 長島型掌蹠角化症－疾患の発見から原因遺伝子の解明へ－
    久保 亮治（皮膚科）
  • 心電図から突然死のリスクを探る
    相澤 義泰（循環器内科）
  • 記憶・学習のメカニズムを分子レベルで明らかに―記憶・学習を操作できるか
    幸田 和久（生理学）
  • 脳梗塞を悪化させる炎症の仕組みを解明
    七田 崇（微生物学・免疫学）
  • 再生医学でヒトの細胞から毛をつくる
    大山 学（皮膚科）
• 2013年
  • 尿細管－糸球体連関：糖尿病性腎症の新しい発症メカニズムの解明
    長谷川一宏（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 神経幹細胞を作る
    赤松和土（生理学）
  • 難聴に対する、薬剤を用いた内耳有毛細胞の再生医療
    藤岡 正人（耳鼻咽喉科）
  • 脳・脊髄のガン（グリオブラストーマ）に対する新たな分子標的治療戦略
    岩波　明生（整形外科）
  • がん幹細胞におけるCD44vを介した治療抵抗性の獲得メカニズム
    永野　修（先端医科学研究所）
  • ヒトES・iPS細胞からつくった心筋細胞で心臓病を治すには？
    遠山周吾（循環器内科）
  • 造血幹細胞を老化から守る代謝制御メカニズム
    田久保 圭誉（発生・分子生物学）
  • 重症喘息に効く新しい薬を創る！　－オメガ3脂肪酸の抗炎症作用－
    宮田 純（呼吸器内科）
  • 血漿アミノ酸プロファイルを用いたIBDバイオマーカーの確立
    久松理一（消化器内科）
  • がん血管のみではたらく血管増殖メカニズム
    久保田義顕（総合医科学研究センター）
• 2012年
  • 骨は"ストレス"によって成熟する？
    堀内 圭輔（整形外科・総合医科学研究センター）
  • 毛の新たなる存在意義　－毛嚢は免疫スイッチ－
    永尾 圭介（皮膚科）
  • 心筋梗塞の傷跡をよくする白血球・悪くする白血球・調節する白血球
    安西 淳（循環器内科）
  • ビタミンEは骨を減らす？
    竹田 秀（腎臓・内分泌・代謝内科）