ＨＭＧＡ１による造血幹細胞制御の分子基盤解析

Research Project

Project/Area Number	22K16304
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 54010:Hematology and medical oncology-related
Research Institution	Kumamoto University
Principal Investigator	白潔熊本大学, 国際先端医学研究機構, 外国人客員研究員 (60775336)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	Hmga1 / 造血幹細胞 / エピゲノム / 白血病 / MDS
Outline of Research at the Start	組織幹細胞は、個体発生や成体組織恒常性を維持するために自己複製能と多分化能を持ち、様々なストレスによって生じる組織の障害を修復する不可欠な細胞である。しかし、個体や血液細胞がストレスを受けた後、造血幹細胞がどのようにその自己複製と分化を決定し、造血を修復するのかは未だ明白ではない。本研究では、ES細胞だけでなく造血幹細胞でも高発現しており、クロマチン構造と転写因子のDNA結合を制御できる非ヒストン核内タンパクのHMGA1に着目した。新たに作製したHmga1ノックアウトマウスを活用し、幹細胞の自己複製と造血の維持に不可欠なHMGA1によるクロマチンと転写因子ネットワーク制御の分子基盤を解析する。
Outline of Annual Research Achievements	組織幹細胞は、個体発生や成体組織恒常性を維持するために自己複製能と多分化能を持ち、様々なストレスによって生じる組織の障害を修復する不可欠な細胞である。炎症ストレス、DNAダメージやテロメア短縮といった複製ストレスが高齢者にみられる造血不全や白血病発症を促進するとされる。しかし、血液細胞がストレスを受けた後、造血幹細胞がどのように自己複製と分化を決定し、造血を修復するのかは未だ明白ではない。本研究では、申請者の見出したHMGA1 (High-mobility group AT-hook 1)による幹細胞の自己複製制御を手掛かりに、クロマチン構造・転写因子制御による幹細胞制御機構の解明を目指す。これまでに、本研究で新たに作成したHmga1 KOマウスの表現型解析を行った。Hmga1 KO骨髄細胞を用いた非競合的骨髄移植では、血球数に変化はなかった。一方、競合的骨髄移植したHmga1 KO幹細胞のキメリズムが有意に低下し、それは連続移植実験によってさらに顕著になった。従って、Hmga1は造血幹細胞の自己複製に不可欠であることが示された。また、Hmga1 KOマウスの造血幹細胞と前駆細胞を用いてRNA-Seqを実施したところ、幹細胞分画に特異的な発現異常を認めた。GSEA解析では、Hmga1は細胞周期関連遺伝子を抑制し、Nf-kb標的遺伝子を活性化することがわかった。Hmga1の制御機構を理解するために、野生型造血幹細胞を用いて内在性Hmga1のChIP-Seqを実施した。加えて、クロマチン制御領域を同定するために、Hmga1 KOマウスの幹細胞と前駆細胞を用いたATAC-Seqを実施した。現在、これまでに実施した次世代シーケンスの統合的なデータ解析を行なっている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 現在までに、胎児から青年、そして老年まで年齢依存的なHmga1 KOマウスにおける造血表現型解析を実施した。Hmga1 KOマウスは乳幼児期に若干の低体重があるが、成体期には消失する。青年Hmga1 KOマウスに明らかな造血器腫瘍発症を認めていない。Hmga1による造血表現型および幹細胞機能を詳細に検証するために、Hmga1 KOマウスの骨髄細胞をレシピエントマウスに競合的骨髄移植したところ、Hmga1 KO幹細胞のキメリズムが有意に低下したことから、Hmga1は造血幹細胞の自己複製に不可欠であることが示された。申請者の所属する研究室では、Hmga2flox/flox;Vav-Cre KOマウスの造血機能解析も進行している。Hmga2flox/flox;Vav-Cre KOマウス幹細胞のRNA-Seqデータと比較すると、興味深いことに、Hmga2の標的遺伝子群とは全く異なり、Hmga1に特徴的なES core遺伝子制御がわかった。幹細胞において、Hmga1とHmga2が重複して制御する標的遺伝子は少ないことが示された。Hmga1のクロマチン・転写因子制御による造血幹細胞の運命決定機構を明らかにするために、CD150+CD48-LSK幹細胞とGMP前駆細胞を用いてRNA-Seqを実施したところ、幹細胞分画に特異的な発現異常を認めた。また、GSEA解析で、Hmga1は細胞周期関連遺伝子を抑制しており、Nf-kb標的遺伝子を活性化していることがわかった。野生型造血幹細胞を用いて内在性Hmga1のChIP-Seqを実施し、定常状態におけるHmga1の標的領域を同定した。加えて、Hmga1によるクロマチン制御領域を同定するために、Hmga1 KOマウスの幹細胞と前駆細胞を用いたATAC-Seqを実施した。現在、これらのオミックスデータの統合的な解析を行なっている
Strategy for Future Research Activity	Hmga1 KO幹細胞は、競合的骨髄移植によって自己複製能が有意に障害されることから、Hmga1は造血幹細胞の自己複製に不可欠であることが示された。今後、年齢依存的造血表現型解析を引き続き進めるとともに、Hmga1 KOマウス造血幹細胞の限界希釈移植実験により、Hmga1による造血表現系および幹細胞機能解析を詳細に検証する。また、MLL転座白血病モデルを用いるなど、白血病幹細胞におけるHmga1の必要性を検証する。 HMGA1に特異的な幹細胞機能の制御と造血の恒常性維持の分子機構を明らかにするために、Hmga1 KO造血幹細胞と前駆細胞のRNA-Seq、ATAC-Seq解析およびHmga1-CHIP-Seq解析を実施した。Hmga1は定常状態では転写因子結合モチーフに結合し、造血幹細胞および前駆細胞に特異的な遺伝子発現を制御することが分かった。また、Hmga1の標的遺伝子は、同じファミリーに属するHmga2の標的遺伝子群とは全く異なり、ES細胞で同定されたHmga1を含むES core遺伝子群であることが分かった。今後、これまでに得られたオミックス解析データを統合的に検証し、HMGA1によるクロマチン構造と転写因子ネットワーク制御の分子メカニズムを解析する。感染や抗がん剤治療、骨髄移植術といった造血障害から速やかに再生するための因子・新規治療標的のための基礎的な知見も期待できる。