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林 克彦(はやし かつひこ) データ更新日:2019.07.02



主な研究テーマ
(1) PGCの分化メカニズムの解明
(2) PGCと生殖巣体細胞のクロストークの解明
(3) 生殖細胞分化過程の体外培養系による再構築
キーワード:生殖細胞、幹細胞、胚
2014.10~2014.10.
研究業績
主要著書
主要原著論文
1. Hikabe O, Hamazaki N, Nagamatsu G, Obata Y, Hirao Y, Hamada N, Shimamoto S, Imamura T, Nakashima K, Saitou M, Hayashi K., Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line., Nature, doi: 10.1038/nature20104. , 2016.11, The female germ line undergoes a unique sequence of differentiation processes that confers totipotency to the egg. The reconstitution of these events in vitro using pluripotent stem cells is a key achievement in reproductive biology and regenerative medicine. Here we report successful reconstitution in vitro of the entire process of oogenesis from mouse pluripotent stem cells. Fully potent mature oocytes were generated in culture from embryonic stem cells and from induced pluripotent stem cells derived from both embryonic fibroblasts and adult tail tip fibroblasts. Moreover, pluripotent stem cell lines were re-derived from the eggs that were generated in vitro, thereby reconstituting the full female germline cycle in a dish. This culture system will provide a platform for elucidating the molecular mechanisms underlying totipotency and the production of oocytes of other mammalian species in culture..
2. Katsuhiko Hayashi, Sugako Ogushi, Kazuki Kurimoto, So Shimamoto, Hiroshi Ohta, Mitinori Saitou, Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell-like Cells in Mice, Science, 10.1126/science.1226889, 338, 6109, 971-975, 2012.10, Reconstitution of female germ cell development in vitro is a key challenge in reproductive biology and medicine. We show here that female (XX) embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells in mice are induced into primordial germ cell-like cells (PGCLCs), which, when aggregated with female gonadal somatic cells as reconstituted ovaries, undergo X-reactivation, imprint erasure, and cyst formation, and exhibit meiotic potential. Upon transplantation under mouse ovarian bursa, PGCLCs in the reconstituted ovaries mature into germinal vesicle-stage oocytes, which then contribute to fertile offspring after in vitro maturation and fertilization. Our culture system serves as a robust foundation for the investigation of key properties of female germ cells, including the acquisition of totipotency, and for the reconstitution of whole female germ cell development in vitro..
3. Katsuhiko Hayashi, Hiroshi Ohta, Kazuki Kurimoto, Shinya Aramaki, Mitinori Saitou, Reconstitution of the Mouse Germ Cell Specification Pathway in Culture by Pluripotent Stem Cells, 10.1016/j.cell.2011.06.052, 146, 4 , 519-532 , 2011.08, The generation of properly functioning gametes in vitro requires reconstitution of the multistepped pathway of germ cell development. We demonstrate here the generation of primordial germ cell-like cells (PGCLCs) in mice with robust capacity for spermatogenesis. PGCLCs were generated from embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) through epiblast-like cells (EpiLCs), a cellular state highly similar to pregastrulating epiblasts but distinct from epiblast stem cells (EpiSCs). Reflecting epiblast development, EpiLC induction from ESCs/iPSCs is a progressive process, and EpiLCs highly competent for the PGC fate are a transient entity. The global transcription profiles, epigenetic reprogramming, and cellular dynamics during PGCLC induction from EpiLCs meticulously capture those associated with PGC specification from the epiblasts. Furthermore, we identify Integrin-beta 3 and SSEA1 as markers that allow the isolation of PGCLCs with spermatogenic capacity from tumorigenic undifferentiated cells. Our findings provide a paradigm for the first step of in vitro gametogenesis..
4. Katsuhiko Hayashi, Susana Lopes, Fuchou Tang, Azim Surani, Dynamic Equilibrium and Heterogeneity of Mouse Pluripotent Stem Cells with Distinct Functional and Epigenetic States, 10.1016/j.stem.2008.07.027, 3, 4, 391-401, 2008.10, Embryonic stem cells (ESCs) are apparently homogeneous self-renewing cells, but we observed heterogeneous expression of Stella in ESCs, which is a marker of pluripotency and germ cells. Here we show that, whereas Stella-positive ESCs were like the inner cell mass (ICM), Stella-negative cells were like the epiblast cells. These states were interchangeable, which reflects the metastability and plasticity of ESCs. The established equilibrium was skewed reversibly in the absence of signals from feeder cells, which caused a marked shift toward an epiblast-like state, while trichostatin A, an inhibitor of histone deactelylase, restored Stella-positive population. The two populations also showed different histone modifications and striking functional differences, as judged by their potential for differentiation. The Stella-negative ESCs were more like the postimplantation epiblast-derived stem cells (EpiSCs), albeit the stella locus was repressed by DNA methylation in the latter, which signifies a robust epigenetic boundary between ESCs and EpiSCs..
5. Katsuhiko Hayashi, Kayo Yoshida, Yasuhisa Matsui, A histone H3 methyltransferase controls epigenetic events required for meiotic prophase, 10.1038/nature04112, 438 , 7066 , 374-378 , 2005.11, Epigenetic modifications of histones regulate gene expression and chromatin structure(1,2). Here we show that Meisetz (meiosis-induced factor containing a PR/SET domain and zinc-finger motif) is a histone methyltransferase that is important for the progression of early meiotic prophase. Meisetz transcripts are detected only in germ cells entering meiotic prophase in female fetal gonads and in postnatal testis. Notably, Meisetz has catalytic activity for trimethylation, but not mono- or dimethylation, of lysine 4 of histone H3, and a transactivation activity that depends on its methylation activity. Mice in which the Meisetz gene is disrupted show sterility in both sexes due to severe impairment of the double-stranded break repair pathway, deficient pairing of homologous chromosomes and impaired sex body formation. In Meisetz-deficient testis, trimethylation of lysine 4 of histone H3 is attenuated and meiotic gene transcription is altered. These findings indicate that meiosis-specific epigenetic events in mammals are crucial for proper meiotic progression..
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
1. 林 克彦, 中木 文雄, 荒牧 伸弥, 斎藤 通紀, 体外再構築系がひらくマウス生殖細胞系列の決定機構, 実験医学 羊土社, 2014.04, 哺乳類の代表的なモデル動物であるマウスでは、生殖細胞系列の源である始原生殖細胞(Primordial Germ Cells: PGCs)は多能性細胞集団エピブラストから分化する。PGCsはその分化直後から特徴的な遺伝子発現やエピジェネティック修飾の変動が認められる。これらは生殖細胞における全能性の獲得に重要であると考えられるが、その詳細は明らかではない。本稿では我々が開発したPGCsの分化過程を再構築する体外培養系と、それにより明らかになったPGCsの決定機構について解説する。.
主要学会発表等
1. Katsuhiko Hayashi, Generation of eggs from mouse embryonic stem cells , Society of Reproduction and Fertility, 2014.09, Artificial gametes that are produced in culture from pluripotent stem cells would have a huge impact on not only infertility treatment but also understanding of molecular mechanism underlying germ cell development. Pluripotent stem cells, such as embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs), are able to differentiate into all cell lineages of the embryo proper, including germ cells. We recently established a culture system that induces functional mouse primordial germ cells (PGCs) from ESCs/iPSCs. PGCs produced from ESCs/iPSCs are fully potent, since they differentiate into oocytes, which in turn give rise to healthy individuals. There are, however, many isues to be overcome for the robust generation of mature gametes or for application of the culture system to other species, including humans and livestock. In the meeting, I will discuss recent data and perspectives of germ cell production in vitro..
2. 林 克彦, 多能性幹細胞を起点とした精原幹細胞への試験管内分化系の構築, 第25回高遠・分子細胞生物学シンポジウム, 2013.08,  卵や精子を生み出す生殖細胞系列は、生体内の細胞系譜の中で唯一次世代に遺伝情報を伝達できる細胞系列であり、その発生異常は不妊や次世代の個体の疾患に深く関わる。すべての卵や精子の起源となる細胞は始原生殖細胞(Primordial Germ Cells: PGCs)と呼ばれ、個体の発生過程の比較的早い段階で体細胞系列と分岐する。PGCsはさまざまな発生過程を経て、雌では卵に雄では精子に分化するが、PGCsの分化機構や性に応じた卵や精子への成熟機構については不明な点が多く残されている。
我々はPGCsの発生過程を体外培養系で再構築することにより、PGCsの分化機構の解明を行っている。生体内のPGCsは胚齢6日前後に多能性細胞集団であるエピブラストからBMP4の刺激により分化する。我々はまずこの段階を再構築するために、多能性幹細胞(ES/iPS細胞)をエピブラスト様細胞(EpiLCs)に分化させた後に、BMP4の添加によりPGC様細胞(PGCLCs)に分化させた。これら細胞分化の過程は、遺伝子発現やエピジェネティック修飾の解析から、生体内におけるPGCsの発生過程を忠実に再現していることが明らかとなった。またPGCLCsは精巣へ移植すると精子に、雌の生殖巣の体細胞と共に卵巣に移植すると卵に分化した。得られた精子および卵は体外受精により健常な個体に発生したことから、PGCLCsは機能的にも生体内のPGCsと同等であることが明らかとなった。これまでに本培養系を用いた応用研究により、BMP4の下流で働き、PGCLCsの分化に十分な転写因子群の同定を行っている。
 PGCLCsは機能的である一方、現行の培養条件では性分化前の発生段階で停止しており、それ以降のPGCLCsの分化には生殖巣との共培養や生体への移植が必須である。生殖巣は将来の卵巣または精巣でありPGCsの性分化を主導するが、その発生機構や生殖細胞系列との相互作用は不明な点が多い。我々は現在、PGCLCsの分化における生殖巣の詳細な役割を解析するとともに、PGCLCsと生殖巣の長期共培養系の開発を行っている。
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特許出願・取得
特許出願件数  1件
特許登録件数  0件
その他の優れた研究業績
2016.08, 多能性カ幹細胞を用いて、卵子形成の過程を培養下で再現することに成功した。開発した卵子産生培養システムにより、得られた卵子は、野生型の雄マウスの精子と受精させると、健常なマウスに発生した。これらのことから本研究により世界で初めて機能的な卵子を産み出す卵子産生培養システムの構築に成功した。この成果はサイエンス誌が選ぶ2016年の科学10大ニュースに選定された。.
学会活動
所属学会名
日本発生生物学会
日本分子生物学会
繁殖生物学会
学会誌・雑誌・著書の編集への参加状況
2014.08~2016.07, Molecular Reproduction and Development, 国際, 査読委員.
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
Wellcome Trust CRUK Gurdon Institute, University of Cambridge, UnitedKingdom, 2005.04~2009.03.
受賞
文部科学大臣科学技術賞, 文部科学省, 2018.04.
読売テクノフォーラム・ゴールドメダル賞, 読売新聞, 2018.04.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2017年度~2020年度, 基盤研究(A), 代表, コモンマーモセットの体外卵子産生系の構築.
2016年度~2017年度, 挑戦的萌芽研究, 代表, 卵子形成における生殖細胞自律的な性差の制御機構の解明.
2013年度~2017年度, 基盤研究(B), 代表, 体外培養における多能性幹細胞からの機能的な原始卵胞の作製.
2013年度~2015年度, 挑戦的萌芽研究, 代表, 一倍体ES細胞による始原生殖細胞の発生に必須な遺伝子の順遺伝学的スクリーニング.
2013年度~2018年度, 新学術領域研究, 代表, in vitroにおけるPGC産生および分化のための新規培養系開発.
競争的資金(受託研究を含む)の採択状況
2011年度~2014年度, 科学技術振興費(主要5分野) (文部科学省), 代表, 始原生殖細胞の内因性リプログラミング機構による幹細胞制御.
共同研究、受託研究(競争的資金を除く)の受入状況
2015.02~2016.03, 代表, 再構成卵胞による卵子産生系の構築.
2015.06~2020.03, 代表, 哺乳類卵子の体外産生系を基盤とした卵母細胞形成機構の解明.
寄附金の受入状況
2017年度, 公益財団法人 上原記念生命科学財団, 国際シンポジウム開催助成金/生殖細胞の成立原理と維持戦略およびその利用.
学内資金・基金等への採択状況
2018年度~2018年度, 林眼科・基礎医学基金, 代表, 卵母細胞系列の分化メカニズムの解明と再構築.

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