多数の精子幹細胞を長期間一定に保つ機構の解明

Research Project

Project/Area Number	22K06051
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 42030:Animal life science-related
Research Institution	National Institute for Basic Biology
Principal Investigator	北舘祐基礎生物学研究所, 生殖細胞研究部門, 助教 (10455214)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	精子幹細胞 / 密度恒常性 / ホメオスタシス / 自己複製 / 分化 / 生殖細胞 / 精子 / 幹細胞 / 精子形成 / 数理生物学
Outline of Research at the Start	幹細胞の恒常性は未だ多くが謎に包まれている。精巣中の膨大な数の精子幹細胞は集団としてバランスを保つ一方、個別の幹細胞は不均一で確率的な運命をたどる。まとまりのない多様な「個」が「集団」として、どのように恒常性を保つのか？本研究は精子幹細胞が集団レベルでバランスよく維持されるメカニズムの解明を目指す。特に幹細胞密度の周期変動に着目して幹細胞が恒常性を保ちつつ分化細胞を生み出すメカニズム解明に挑む。
Outline of Annual Research Achievements	精巣は長期にわたり精子を産生し続ける。これは幹細胞が自分自身を作る「自己複製」と精子を作る「分化」をバランスよく行う事で保証される。幹細胞は非対称分裂により自己複製と分化のバランスを1対1に保つと考えられてきたが、近年哺乳動物精巣の幹細胞は非対称分裂をしないこと、そして自己複製と分化のバランスが1対1でなく確率的であることが分かってきた。幹細胞の運命と密度は多様な一方、幹細胞の密度恒常性はなぜか時間を越えて保たれる。本研究は精子幹細胞がバランスよく維持されるメカニズムの解明を試みた。幹細胞生物学において組織幹細胞の微小環境ニッチが何か？という問いに対し遺伝子レベルで多くのことが解明されてきた。一方、幹細胞のダイナミックな密度変動はほぼ手つかずのままである。本研究は細胞定量計測と数理生物学的手法の融合により、幹細胞の密度恒常性の理解を試みた。これまで精子幹細胞の密度は常に一定であると考えられてきたが、精子幹細胞と分化細胞の数（密度）を定量することで、精子幹細胞集団の密度が8.6日周期で増減を繰り返すことが示唆された。幹細胞の密度は常に一定ではなく、微視的増減を繰り返しつつ、動的平衡を巨視的に保つと考えられる。さらに、幹細胞密度の周期特性はGDNF発現の周期性と正に相関することを見出した。GDNFによる幹細胞の制御機構を再定義するため、WTとGdnf発現量が半分のマウス（Gdnf+/-）との間で幹細胞の運命や性質（遺伝子発現）に違いがあるかどうか調べた。その結果、GDNFの周期的発現変動が幹細胞密度の周期変動を引き起こすことが示唆された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 幹細胞の恒常性は様々な要素が莫大な数集まったシステムであり、要素の全てを含んだ理解は極めて難しく限界がある。このため、本研究は多数の要素の中でGDNFに焦点を当てた数理生物学的解析を行った。数理解析は、数理モデルの変数をできるだけ減らして、よりシンプルに幹細胞の恒常性を理解することを試みている。数理解析は海外の共同研究者とデータをやりとりして進めている。共同研究によるポジティブフィードバック効果で解析手法や結果が向上する一方、多くの時間を費やしたため進捗状況はやや遅れている。
Strategy for Future Research Activity	精子幹細胞密度の周期変動は「周期的に発現するGDNF」がドライビングフォースと予想された。ただし、GDNFが幹細胞を制御する一方、幹細胞はGDNFを消費する、すなわちGDNFと幹細胞は双方向に制御し合うことが予想された。これを検証するため、次のように数理モデル解析を行う。1)GDNF発現量と幹細胞密度の実測値と「幹細胞がGDNFを競合する」という数理モデルから導き出されたシミュレーション値を比較する。2) もしシミュレーション値と実測値が合うならば、「幹細胞がGDNFを競合する」というモデルが支持されるという、シンプルな論証方法を行う。