単一造血幹細胞のATP濃度・量のリアルタイム測定技術の確立

• Project/Area Number: 22K19550
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 54:Internal medicine of the bio-information integration and related fields
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: 田久保 圭誉 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 生体恒常性プロジェクト長 (50502788)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 造血幹細胞 / 幹細胞代謝 / 単一細胞解析 / 定量生物学 / リアルタイムATP濃度解析 / 代謝リプログラミング

Outline of Research at the Start

本研究では造血幹細胞の単一細胞リアルタイムATP濃度リアルタイム解析技術を確立することを目的として、安定して体外で血液細胞のATP濃度を測定する条件を確立し、蛍光輝度の変化から単一細胞のATP濃度を定量する方法論を用意する。さらに、細胞の体積を同時測定する手法を準備して、そのうえでATP量の測定も実施する。これらを通じて造血幹細胞のATP濃度・量と細胞動態・運命との関連を解き明かすための基盤となる技術を創出する。

Outline of Annual Research Achievements

細胞が生存しながら各種のイベント（運動・増殖等）を実行する際にはエネルギー通貨ATPが消費される。すなわち、細胞活動の維持にはATPの適切な産生・消費のバランスが保たれることが肝要である。近年、エネルギー代謝バランスが組織幹細胞の運命決定に重要であることが知られるようになり、「幹細胞代謝学」という新たな融合領域が勃興してきた。骨髄に住まう造血幹細胞を制御する微小環境(ニッチ)因子として、骨髄内の低い酸素分圧が重要で、エネルギー代謝調節を通じて幹細胞性を維持し造血恒常性を保つことが報告されてきた。しかし、既存研究手法には限界があり、その結果、「造血幹細胞のATP濃度の細胞間多様性や制御機構、それらの本質的な意義は何であるか」という根源的な問いは未だに放置されている。そこで本研究では、ATPバイオセンサー搭載造血幹細胞を用いた、単一造血幹細胞のATP濃度・量のリアルタイム測定技術を確立して、この問いに答えることを目的とする。初年度は、技術開発の基盤となる体外でATP濃度を維持する培養条件の探索・同定を実施した。その過程においては、通常の造血幹細胞の培養条件ではATP濃度が速やかに低下することを見出し、既存の造血幹細胞代謝研究の陥穽の存在が示唆された。また、この検討に基づいて、ATPバイオセンサー搭載造血幹細胞によるATP濃度・量の定量測定系を確立するべく多様な測定条件を試行して、ある程度妥当性のある解析結果が得られる測定手法の確立に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ほぼ計画通りの実験検討を実施することができている。

Strategy for Future Research Activity

今後いくつかの技術的な困難が想定される計画内容があるが、多面的に課題解決を図りながら計画を推進する。

Research Products

• [Journal Article] Potential Involvement of Oxidative Stress in Ligamentum Flavum Hypertrophy (2023)
  • Author(s): Ito K, Kise H, Suzuki S, Nagai S, Hachiya K, Takeda H, Kawabata S, Ikeda D, Takubo K, Kaneko S, Fujita N.
  • Journal Title: J Clin Med Volume: 12 Issue: 3 Pages: 808-808
  • DOI: 10.3390/jcm12030808
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Analysis of Sympathetic and Nociceptive Innervation Across Bone Marrow Regions in Mice (2022)
  • Author(s): Fujita Shinya、Morikawa Takayuki、Tamaki Shinpei、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Okamoto Shinichiro、Kataoka Keisuke、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Experimental Hematology Volume: 112-113 Pages: 44-59
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2022.07.297
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Approaches towards Elucidating the Metabolic Program of Hematopoietic Stem/Progenitor Cells (2022)
  • Author(s): Kobayashi Hiroshi、Watanuki Shintaro、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 20 Pages: 3189-3189
  • DOI: 10.3390/cells11203189
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RNaseH2A downregulation drives inflammatory gene expression via genomic DNA fragmentation in senescent and cancer cells (2022)
  • Author(s): Sugawara S, Okada R, Loo TM, Tanaka H, Miyata K, Chiba M, Kawasaki H, Katoh K, Kaji S, Maezawa Y, Yokote K, Nakayama M, Oshima M, Nagao K, Obuse C, Nagayama S, Takubo K, Nakanishi A, Kanemaki MT, Hara E, Takahashi A.
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1420-1420
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04369-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A culture platform to study quiescent hematopoietic stem cells following genome editing (2022)
  • Author(s): Shiroshita Kohei、Kobayashi Hiroshi、Watanuki Shintaro、Karigane Daiki、Sorimachi Yuriko、Fujita Shinya、Tamaki Shinpei、Haraguchi Miho、Itokawa Naoki、Aoyama Kazumasa、Koide Shuhei、Masamoto Yosuke、Kobayashi Kenta、Nakamura-Ishizu Ayako、Kurokawa Mineo、Iwama Atsushi、Okamoto Shinichiro、Kataoka Keisuke、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 2 Issue: 12 Pages: 100354-100354
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 神経シグナルによる造血幹・前駆細胞のホーミング制御 (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞のATP濃度制御とエイジング (2022)
  • Author(s): 田久保 圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞のPFKFB3依存的解糖系流量調節 (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
• [Presentation] PFKFB3はストレス毎に異なる修飾を介して造血幹細胞機能を維持する (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 低酸素研究会2022
• [Presentation] Real-time ATP analysis reveals stress-dependent Pfkfb3 modification and its effect on hematopoiesis (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、杉浦悠毅、山本正道、城下郊平、反町優理子、小出周平、大島基彦、西山晃、村上紘一、原口美帆、玉置新平、山本雄広、岡本真一郎、田村智彦、末松誠、岩間厚志、田久保圭誉
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Nociceptive nerves facilitate hematopoietic cell homing to bone marrow by tuning microcirculation (2022)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Optimized culture condition that improves post-editing function of hematopoietic stem cells (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] An optimized culture condition for hematopoietic stem cells that improves the gene editing efficiency and post-editing function (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Daiki Karigane, Keiyo Takubo
  • Organizer: ISEH2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 国立国際医療研究センター研究所生体恒常性プロジェクト公式ウェブサイト
  • URL: https://takubolab.com/