2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of innovative technologies towered organ regeneration by control of organ fate
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19H01180
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
辻 孝 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (50339131)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 悦子 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 客員研究員 (20509012)
田中 準一 昭和大学, 歯学部, 講師 (40710166)
美島 健二 昭和大学, 歯学部, 教授 (50275343)
武尾 真 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (50782116)
渡辺 亮 京都大学, iPS細胞研究所, 特定拠点助教 (60506765)
桐田 忠昭 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (70201465)
竹内 昌治 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90343110)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 器官発生 / 器官運命決定 / 成体幹細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成31年度・令和元年度の研究は、研究計画に沿って進捗し、下記の成果を得た。
研究項目1) 器官発生運命決定メカニズムの解明：胎児粘膜上皮と臼歯、唾液腺、頬ひげ、涙腺などの外胚葉性器官の間葉組織を張り合わせることにより、間葉が器官誘導能を示す発生段階を特定した。さらに、臼歯、唾液腺、体毛毛包において器官誘導能を示す発生段階、およびその前後の段階の上皮および間葉組織を単離し、RNA-Seqによる網羅的遺伝子発現解析を進めることにより、各器官の運命決定、器官形成に必要な遺伝子の探索を継続している。
研究項目2) 成体幹細胞のDirect Reprogrammingによる多様な器官再生誘導の実証：マウス成体ヒゲ毛包由来の毛包上皮性幹細胞を含む培養上皮細胞と、天然唾液腺原基由来の間葉を張り合わせることにより、生体外培養において唾液腺様構造の形成、および唾液腺マーカーの発現が認められたことから、培養毛包上皮細胞が間葉との相互作用により器官運命転換しうることが明らかとなった。さらに、毛包における間葉性幹細胞である培養毛乳頭細胞へのウイルスによる外来遺伝子の導入方法の最適化を行い、成体幹細胞のDirect Reprogrammingによる多様な器官再生誘導の検証を継続している。
研究項目3) Direct Reprogramming Organogenesisによる新規器官再生方法の概念実証：胎児および新生児由来の口腔粘膜組織、および胎児由来皮膚組織に、唾液腺誘導因子を導入することにより、生体外培養において唾液腺様構造の形成および唾液腺マーカーの発現が認められ、さらに唾液腺欠損モデルマウスへの同所性移植により器官の成熟が認められた。また、器官誘導能を喪失した成体の口腔粘膜や外胚葉以外の器官においても同様に唾液腺誘導が可能であるか検討を続けている。
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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
本年度は各研究項目について以下を目標とした。
研究項目1）(1)複数の外胚葉性器官における器官運命決定時期の特定、(2)複数の外胚葉性器官の発生段階における遺伝子発現プロファイルの解析、(3)器官運命決定因子の特定。研究項目2）(1)マウス成体毛包由来細胞の被運命転換能の解析、(2) 運命転換後の器官種に合わせた培養方法の最適化。研究項目3）複数の発生段階、組織からの器官運命転換の概念実証。
本研究課題の年度計画に対して、
研究項目1）では器官発生の運命決定メカニズムを解明するための研究モデルとして複数の外胚葉性器官の器官誘導時期を明らかにするとともに、様々な発生段階の複数の外胚葉性器官における遺伝子発現プロファイルの解析に着手し、順調に推移している。
研究項目2）については、成体マウス由来培養毛包上皮細胞からの唾液腺誘導が可能であることが示されたが、唾液腺誘導遺伝子や既知のDirect reprogramming遺伝子の導入によって器官運命転換が必要であるかの検討までには至らず、今後も継続して検討を進めるとともに、これらの因子によって誘導された器官の成長を達成するための培養担体の開発を行う。
研究項目3）において、胎児由来の口腔粘膜と皮膚、および新生児由来の口腔粘膜に唾液腺誘導因子を導入することにより、唾液腺特異的な遺伝子発現とタンパク発現を認める唾液腺原基の誘導が観察された。また、胎児の唾液腺間葉と再構成したこれらの誘導唾液腺原基は、同所性移植により、レシピエントの唾液腺導管と連結して生着した。さらに、唾液分泌促進薬により神経経路を介して、誘導唾液腺から口腔内へ唾液が分泌されることが確認され、その機能性が明らかになった。この結果により本研究課題の概念がほぼ実証できたが、成体由来組織からの器官誘導は困難な課題であり、今後も継続して検証を続ける。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下の方針に従い研究を推進する。
研究項目1）は当初の計画に従い平成31年/令和元年度に引き続き、器官誘導前後の各器官で発現している遺伝子プロファイルの解析を進めるとともに、エピジェネティック制御の解析を行う。また、遺伝子解析の結果得られた候補遺伝子についてin vitroまたはin vivoによる機能解析を行い器官運命決定遺伝子を明らかにする。さらに、天然器官および再生器官原基の発生過程を解析することによりエピジェネティック制御機構、分子間相互作用を検証する。
研究項目2）については、唾液腺誘導遺伝子や既知のDirect reprogramming遺伝子による培養毛包上皮細胞からの器官誘導に集中して研究を推進する。また、器官種ごと、特に肝臓などの大型器官の再生に向けて再生器官原基の形態を保ったまま成長可能な培養担体およびシステムの構築を進める。
研究項目3）に関しては、当初は器官誘導能を喪失した成体の外胚葉性組織の運命転換を計画していたが、本年度の成果から成体組織からの器官誘導が困難であると予想されため、胎児由来および新生児由来の口腔粘膜または皮膚からの唾液腺誘導を中心に解析を進める予定である。また、本年度は実験系の確立および組織学的解析が主であったが、次年度以降はin vitroおよびin vivoにおける機能評価を行うことによって、機能的な再生が可能であるか否か検証を行う。さらに、運命転換を誘導した組織の遺伝子発現プロファイルおよびエピジェネティック制御機構の経時的な変化を明らかにし、研項目１で得られるデータと比較解析を行うことにより、運命転換メカニズムの解明を目指す。
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