Elucidate of the onset mechanism of colitis using IBD model mouse

• Project/Area Number: 20K16290
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 49070:Immunology-related
• Research Institution: Kitasato University
• Principal Investigator: 石原 沙耶花 北里大学, 理学部, 助教 (50741865)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: Rap1 / 大腸炎 / 腸内細菌 / Treg / Th17 / RORgt+Treg

Outline of Research at the Start

潰瘍性大腸炎やクローン病に代表される炎症性腸疾患は、生涯にわたって炎症の再燃と寛解を繰り返し、高い確率で多発性大腸がんを発症するが、原因不明の難病で、新規治療法の開発が求められている。申請者が独自に開発した大腸炎・がん自然発症モデルマウス（T細胞特異的Rap1欠損マウス）は、これまでの研究により、腸内細菌が原因でTh17細胞が増大することで、ヒトの炎症性腸疾患に似た大腸炎及び大腸腫瘍を発症することがわかっている。そこで本研究課題では、この大腸炎モデルマウスを用いて病態形成に関与する腸内細菌と病原性Th17細胞が生成する機構を明らかにすることで、ヒトIBDの発症原因の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究室で作製したT細胞特異的Rap1欠損マウス（CKOマウス）は、腸内細菌依存的に大腸粘膜固有層でTh17細胞が増大する事でヒトIBDに類似した大腸炎を自然発症する。本研究課題では、この大腸炎モデルマウスを用いて病態形成に関与する腸内細菌と病原性Th17細胞が生成する機構を明らかにすることを目的とし、研究を行った。
＜大腸炎発症に関わる腸内細菌の特定＞
病態発症の原因菌を探索するため、昨年度大腸炎モデルマウスに５種類の抗生剤を単剤投与し、盲腸内容物、糞便における腸内細菌叢のNGS解析を行った。本年度は結果の解析を行い、大腸炎の発症が抑制されなかったcolistin群でのみ存在する菌47種類を見出した。その中でも、未投与群・colistin群の両群で存在比の高かった細菌Xを大腸炎発症の原因菌候補とし、無菌化した大腸炎モデルマウスに投与した。その結果、コントロール細菌投与群と比較して、大腸粘膜固有層におけるeffector CD4+ T細胞中のTh17細胞の割合が増加し、大腸組織のHE染色像から大腸炎の発症が認められた。以上の結果より、細菌Xが原因菌の一つである可能性が示唆された。
＜病原性Th17細胞が生成する機構＞
昨年度までの研究で、新生児期に出現するTh17細胞の分化抑制に重要な役割を果たすRORgt+Tregが、Rap1欠損マウスでは４週齢以降減少し、機能も低下していることがわかった。本年度は、Rap1欠損によりTregの分化・活性化が低下している原因をTCR signalに着目し解析を行った。その結果、Rap1の欠損により、TCR刺激により形成される突起状のアクチン構造（Actin foci）の形成が顕著に低下することで、細胞内へのCa2+の流入量の低下、転写因子の核内移行の低下及びTCR刺激依存性のTregへの分化が低下することがわかった。

Research Products

• [Journal Article] Rap1 prevents colitogenic Th17 cell expansion and facilitates Treg cell differentiation and distal TCR signaling (2022)
  • Author(s): Ishihara Sayaka、Sato Tsuyoshi、Fujikado Noriyuki、Miyazaki Haruka、Yoshimoto Takayuki、Yamamoto Hiromitsu、Fukuda Shinji、Katagiri Koko
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 206-223
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03129-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rap1 is essential for B-cell locomotion, germinal center formation and normal B-1a cell population. (2021)
  • Author(s): Ishihara S, Sato T, Sugioka R, Miwa R, Saito H, Sato R, Fukuyama H, Nakajima A, Sawai S, Kotani A, Katagiri K.
  • Journal Title: Front Immunol. Volume: 12 Pages: 624419-624419
  • DOI: 10.3389/fimmu.2021.624419
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphatidic acid-dependent localization and basal de-phosphorylation of RA-GEFs regulate lymphocyte trafficking (2020)
  • Author(s): Ishihara Sayaka、Sato Tsuyoshi、Du Guangwei、Guardavaccaro Daniele、Nakajima Akihiko、Sawai Satoshi、Kataoka Tohru、Katagiri Koko
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 75-75
  • DOI: 10.1186/s12915-020-00809-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dissection of α 4 β 7 integrin regulation by Rap1 using novel conformation-specific monoclonal anti-β 7 antibodies. (2020)
  • Author(s): Sato T, Ishihara S, Marui R, Takagi J, Katagiri K
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 10 Issue: 1 Pages: 13221-13221
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70111-0
  • Peer Reviewed / Open Access