2018 Fiscal Year Annual Research Report
次世代型人工ニッチを用いた造血幹細胞の非対称分裂制御機構の解明と体外増幅
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17H04208
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
新井 文用 九州大学, 医学研究院, 教授 (90365403)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
国崎 祐哉 九州大学, 大学病院, 講師 (80737099)
細川 健太郎 九州大学, 医学研究院, 講師 (90569584)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 造血幹細胞 / ニッチ分子 / 間葉系幹細胞 / 対称・非対称分裂 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、機械学習モデルによる細胞分裂解析法と人工ニッチを用いて造血幹細胞の細胞分裂パターンを解析し、造血幹細胞の自己複製分裂(非対称分裂・対称性自己複製分裂)を制御するニッチ分子とそのシグナルネットワークの解明を目指し研究を行っている。
1. 人工ニッチの構築：ポリエチレングリコール(PEG)ハイドロゲルを基材として用いたマイクロウェル(通常の培養プレートと比較して柔らかく、水分含有量が高い)を作製し、これをニッチ分子で修飾して造血幹細胞の細胞分裂パターンを解析する。ニッチ分子に関しては、間葉系ストローマ細胞(MSC)分画を対称としたシングルセル遺伝子発現解析を行い、Igfbp、Adipoq、Ibsp 等のシグナル分子がマウス骨髄MSC分画に高発現していることを見出した。
2. 造血幹細胞の細胞分裂パターン：造血幹細胞と造血前駆細胞の遺伝子発現プロファイルを学習させた人工神経回路網(artificial neural networks: ANN)を用いて解析を行っている。PEGマイクロウェル上で造血幹細胞の培養を行い、ニッチ分子Angpt1の機能について検討したところ、①PEGマイクロウェルを用いた培養では自己複製分裂を行う造血幹細胞の頻度が増加すること、また、②これにAngpt1を加えることにより、分裂に伴う造血幹細胞の老化が抑制されることを見出している。
3. 造血幹細胞の自己複製と細胞分裂回数：細胞分裂パターンを解析して得られたデータを用いた数理モデルによる解析から、造血幹細胞が「過去に経験した分裂回数」が自己複製能と密接に関連しており、過去に4回以上の分裂を経験した造血幹細胞は、in vitroでの自己複製分裂能を喪失することが推定される結果が得られた。
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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
骨髄内のニッチでは、MSCがニッチ細胞として造血幹細胞の維持に重要な働きをしている。本研究では、MSCのシングルセル解析を行い、Angpt1、Cxcl12、Kitl(SCF)等の既知のニッチ分子に加えて、Insulin-like growth factor-binding protein 5 (Igfbp)、Adiponectin (Adipoq)、Integrin Binding Sialoprotein (Ibsp)などがMSC分画に高発現していることを見出している。これらの分子について、造血幹細胞制御における機能を解析した研究はほとんどないことから、新規性のある結果であると考える。今後、これらの分子が造血幹細胞の維持に及ぼす作用を明らかにすることで、当初の目的の1つである、新規ニッチ分子を用いた細胞分裂パターンの解析を推進することが出来ると考える。
ANNを用いた細胞分裂解析では、造血幹細胞と前駆細胞をそれぞれ若齢・成体・老化マウスから分離し、そのシングルセル遺伝子発現プロファイルをトレーニングサンプルとしてANNに学習させ、分裂パターンの識別に用いた。このpre-trained ANNにより、造血幹細胞の対称性自己複製・非対称分裂・対称性分化の識別に加えて、分裂に伴う細胞の老化を判定することが可能となった。また、PEGマイクロウェルを用いた造血幹細胞の培養は、自己複製分裂を誘導するばかりでなく、ニッチ分子Angpt1を加えることで、2個の老化細胞を生じる分裂が抑制できることが明らかとなった。これらの結果は、PEGマイクロウェルが自己複製分裂能の維持に加えて、老化抑制に有効であるとことを示すものであり、今後の造血幹細胞の自己複製分裂機構の解明に向けた重要な結果であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. これまでに同定したMSCで高発現する分子(Igfbp5、Adipoq、Ibsp)に注目し、造血幹細胞維持に対する機能を明らかにする。具体的には、造血幹細胞における各分子の受容体発現の確認、各分子のリコンビナントタンパクを添加して造血幹細胞を培養し、培養後の長期骨髄再構築能をもつ造血幹細胞(LT-HSC)分画の維持・増幅、コロニー形成能の維持、骨髄再構築能の維持に及ぼす作用を明らかにする。造血幹細胞の自己複製能を維持することができる分子を新規ニッチ分子とし、以下の解析を行う。
2. 新規ニッチ分子について、細胞分裂パターン(対称性自己複製・非対称分裂・対称性分化)に及ぼす影響を明らかにする。LT-HSCを人工ニッチ(PEGハイドロゲルマイクロウェル)内で培養し、ANNによって細胞分裂パターンの解析を行う。この解析により、対称性自己複製と非対称分裂に対する新規ニッチ分子の作用を明らかにする。また同時に、細胞分裂に伴う老化に対する作用を検討する。
3. 新規ニッチ分子によってLT-HSCで誘導される遺伝子の発現をRNA-seq解析により明らかにする。
4. 上記3で同定された遺伝子の発現を指標として新規の細胞分裂解析を行う。非対称分裂および対称性自己複製をおこなった造血幹細胞を同定し、これらの細胞で高発現する遺伝子を明らかにする。これらの実験により、造血幹細胞の自己複製分裂の制御に関わる細胞内シグナル分子を明らかにする。
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Research Products
(8 results)
