2020 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on stem cell differentiation and growth process in neurodegenerative diseases focusing on biometals
| Project Area | Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System |
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19H05767
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| Research Institution | Gifu Pharmaceutical University |
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Principal Investigator |
保住 功 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (20242430)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 生命金属 / 神経変性疾患 / 乳児歯髄幹細胞培養上清（SHED-CM） / 環境因子 / iPS細胞 / 脳内石灰化 / 認知症 / 老化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
全ての生物、細胞にとって必須の生命金属は、その種類や濃度は恒常性が維持されており、その破綻は様々な疾患を発症させる要因となる。
筋萎縮性側索硬化症 (ALS) は運動ニューロンが特異的に死滅する原因不明の神経変性疾患で、有効な治療法は見出されていない。家族性ALS患者の20%は銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ （SOD1） 遺伝子の変異によるものであり、我々はその病態機序の解明を行っている。乳児歯髄幹細胞培養上清 （SHED-CM） は種々の神経栄養因子、生命金属を含んでいる。ヒトALS患者由来のiPS細胞を運動ニューロンに分化させ、SHED-CMの細胞保護効果を認めることができ、その詳細な作用機序を解析中である。歯髄幹細胞（dental pulp stem cells (DPSCs)）全般の効果、今後の展望については、英文誌に総説としてまとめた。また、変異SOD1が蓄積するモデル細胞を用いて、α7ニコチン性アセチルコリン受容体 (α7 nAchR) の活性化によって、変異SOD1の蓄積が抑制され、細胞生存率が回復することを見出し、英文誌に報告した。孤発性ALS患者脊髄のZnT3減少におけるmiR-5572の関与を英文誌に報告した。
有機水銀について、低濃度のメチル水銀 (MeHg) が神経分化における神経突起伸長の抑制を引き起こし、その変化がDNAメチル化転移酵素 (DNMT1) によるDNAメチル化上昇、ならびにヒストン脱アセチル化酵素 (HDAC3, HDAC6) によるヒストンアセチル化減少を介したエピジェネティクスの機構で調節されていることを見出し、英文誌に報告した。
特発性基底核石灰化症（IBGC）は原発性に脳内にのみ石灰化を起こす病態である。その分子生物学的解析、ヒト脳内石灰化部位のタンパク質と重金属の網羅的解析、疾患特異的iPS細胞を用いた解析を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本プロジェクトの主眼はは老化でリスクが上がる神経変性疾患において、その発症における生命金属の役割を、疾患特異的ヒトiPS細胞などを活用した各種培養細胞系、疾患モデル動物、ヒト剖検材料を活用し、神経変性疾患発症機構における生命金属の動態、役割を解明し、新たな創薬へのシーズ見出すことにある。SPring-8を活用したIBGC患者由来神経細胞内のリン動態の解明などについては、新型コロナウイルスの影響で、倫理審査の遅れ、施設が使用できなかったこともあり、次年度に持ち越した。
(1) ヒトiPS細胞を運動ニューロンへの分化し、SHED-CMと線維芽細胞の培養上清について効果と各種栄養因子、重金属成分について解析した。変異SOD1が蓄積するモデル細胞を用いたα7 nAchRによる活性化を英文誌に報告した。さらに孤発性ALS患者脊髄のZnT3減少におけるmiR-5572の関与を英文誌に報告した。
(2) 重金属（特に低濃度有機水銀）の胎生期におけるエピジェネティクスの関与：MeHgはかつて水俣病を引き起こした原因化学物質であるが、現在はこのような高濃度の環境中からの曝露はほとんどない。低濃度有機水銀によるDNAメチル化転移酵素 (DNMT1) によるDNAメチル化上昇、ならびにヒストン脱アセチル化酵素 (HDAC3, HDAC6) によるヒストンアセチル化減少を介したエピジェネティクスの機構を明らかにし、英文誌に報告した。
(3) IBGCを始めとする脳内石灰化症の作用機序の解明と治療薬開発：IBGC患者由来神経細胞内のSPring-8を活用したリン動態の解明は、新型コロナウイルスの影響で、次年度に持ち越しとなった。ヒト脳内石灰化部位の網羅的タンパク質の解析、重金属の解析では、新規のデータが出てきた。その検証のため検体数をできるだけ増やすよう努めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本プロジェクトの主眼はは老化でリスクが上がる神経変性疾患において、その発症における生命金属の役割を、疾患特異的ヒトiPS細胞などを活用した各種培養細胞系、疾患モデル動物、ヒト剖検材料を活用し、神経変性疾患発症機構における生命金属の動態、役割を解明し、新たな創薬へのシーズ見出すことにある。新型コロナウイルスの影響で、実験が遂行できないことがあったが、遅れを取り戻すべく、計画書に沿った研究の推進を行う。
(1) ALSにおけるSHED-CMの効果についてまとめていく。SHED-CMと線維芽細胞の培養上清について薬効評価を行う。各種栄養因子、重金属成分について解析する。マウス、犬など疾患モデル動物での検証を行う。ALSとZnの関連について追及する。孤発性ALS患者脊髄のZnトランスポーター（ZnT3）の減少にmiR-5572の増加が推定されたが、さらにその上流にある因子について検索する。
(2) 神経変性疾患における各種培養細胞、ヒト剖検組織材料を用いて各種金属特異的、部位特異的プローブを活用して、生命金属を軸とした検索を行い、発症機序の解明を行う。
(3) 脳内石灰化症の病態解析：脳内石灰化症の発症機序として、これまでの検索から細胞間質中のPiの増加、細胞内の低Pi状態が想定された。IBGC患者由来のiPS細胞から誘導した神経細胞内のリン動態をSPring8で検索する、脳内石灰部位の金属、タンパク質の網羅的な分析を例数を増やして行う。
(4) 神経発達期における各種重金属曝露によるエピジェネティクスの影響について：MeHgは胎盤を通過するなど神経発達期の影響を動物で見るには適している。各種重金属曝露によるエピジェネティクスをヒト由来iPSから分化させた神経細胞、血管内皮細胞、妊娠マウスを用いて生後の神経変性疾患発症への影響について検索してゆく。
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