Deciphering of the epigenetic machinery that determines the hallmarks of hematopoietic stem cell aging

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H05653
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岩間 厚志 東京大学, 医科学研究所, 教授 (70244126)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山崎 聡 東京大学, 医科学研究所, 特任准教授 (50625580) ; 大島 基彦 東京大学, 医科学研究所, 助教 (70506287)
• Project Period (FY): 2019-06-26 – 2024-03-31
• Keywords: 造血幹細胞 / エイジング / エピジェネティクス

Outline of Annual Research Achievements

（1）若齢・加齢マウスの造血幹細胞のトランスクリプトーム、オープンクロマチン領域解析から、加齢造血幹細胞に特異的なchromatin accessibility の変化を同定した。その解析から、造血幹細胞にストレス暴露履歴がクロマチンに記憶され、ストレス再チャレンジ時により強い反応が起こることを見出し、ストレス反応性の違いが加齢造血幹細胞の特性の一つであることを明らかとした(論文投稿中)。（2）若齢・加齢造血幹細胞のシングルセル RNA-seq 解析から、加齢造血幹細胞の多様性を同定することに成功するとともに、Clusterin (Clu)の発現が一つのクラスターの加齢変化をマーキング可能であることを見出した。IFN応答シグナチャーを示すクラスターが加齢とともに増えることも明らかとなった。Clu の発現とIFN 応答性を指標に加齢造血幹細胞の多様性をより明らかにできる可能性があり、解析を進めている。（3）加齢造血幹細胞を前処置なしに若齢マウスへ移植する実験系により、加齢造血幹細胞のニッチを若齢ニッチにおきかえることに成功した。加齢造血幹細胞の遺伝子発現プロファイルは若齢型に大幅に戻るものの、その機能は回復せず、 DNA メチル化変化も若齢パターンに戻ることはなかった。加齢に伴う造血幹細胞の機能低下は、エピゲノムの変化により依存し、骨髄ニッチに依存せず非可逆的であることが示唆された (J Exp Med 2021)。（4）EZH2 はポリコーム群複合体 2 (PRC2) の酵素活性を持つ構成因子であり、高齢者で発症するMDSなどの血液腫瘍で機能喪失型変異が見られ、がん抑制因子として機能する。Ezh2 ノックアウトマウスを解析したところ、MDSで見られる PRC2 の機能不全がMDSの赤血球系の無効造血に関わることが明らかとなった (Leukemia 2020)。

Current Status of Research Progress

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

Reason

以下の様に期待通りの結果が得られており、今後はその他の項目で遅れを取り戻せるよう、体制を強化している。
1. 若齢・加齢マウスの造血幹細胞のトランスクリプトーム、オープンクロマチン領域解析から、加齢造血幹細胞に特異的な chromatin accessibility の変化を同定した。その解析から、造血幹細胞にストレス暴露履歴がクロマチンに記憶され、ストレス再チャレンジ時により強い反応が起こることを見出し、ストレス反応性の違いが加齢造血幹細胞の特性の一つであることを明らかとした(論文投稿中)。
2. 若齢・加齢造血幹細胞のシングルセル RNA-seq 解析から、加齢造血幹細胞の多様性を同定することに成功するとともに、Clusterin (Clu)の発現が一つのクラスターの加齢変化をマーキング可能であることを見出した。また、IFN 応答シグナチャーを示すクラスターが加齢とともに増えることも明らかとなった。
3. 加齢造血幹細胞を前処置なしに若齢マウスへ移植する実験系により、加齢造血幹細胞のニッチを若齢ニッチにおきかえることに成功した。加齢造血幹細胞の遺伝子発現プロファイルは若齢型に大幅に戻るものの、その機能は回復せず、 DNAメチル化変化も若齢パターンに戻ることはなかった。加齢に伴う造血幹細胞の機能低下は、エピゲノムの変化により 依存し、骨髄ニッチに依存せず非可逆的であることが示唆された (J Exp Med 2021)。
4. EZH2 はポリコーム群複合体 2 (PRC2) の構成因子であり、高齢者で発症するMDSなどの血液 腫瘍で機能喪失型変異が見られ、がん抑制因子として機能する。Ezh2 ノックアウトマウスを解析したところ、MDSで見られるPRC2の機能不全がMDSの赤血球系の無効造血に関わることが明らかとなった (Leukemia 2020)。

Strategy for Future Research Activity

1 ）造血幹細胞のクロマチン・エピゲノム解析：若齢・加齢マウスのシングルセルの Hi-C 解析と RNA-seq 解析を同時に行う手法を用いた加齢造血幹細胞の解析を行う。2 ）造血幹細胞の多様性を規定するクロマチン・エピゲノム特性のシングルセル解析：若齢・加齢造血幹細胞のシングルセル RNA-seq によって明らかになった加齢造血幹細胞の多様性の指標をもとに、多様性を規定するクロマチン・エピゲノム特性を明らかにする。3 ）造血幹細胞の機能低下に関わるクロマチン・エピゲノム特性の検証：加齢造血幹細胞クラスターを制御する転写ネットワーク・エピゲノムの解析を進め、加齢造血 幹細胞の機能低下に関わる分子基盤を明らかにする。4 ）造血幹細胞の機能低下に関わるストレスシグナルの解明 ：3で同定される造血幹細胞の機能低下に関わるクロマチン・エピゲノム特性が、どのようなストレスシグナルによって造血 幹細胞に記憶されるのかを明らかにする。5） 造血幹細胞の機能低下に関わるニッチ異常の解明：加齢骨髄ニッチのイメージングを行う。6 ）骨髄球系腫瘍発症における加齢造血幹細胞のエピゲノム要因の解明：エピゲノム関連遺伝子のノックアウトマウスを用いた解析を継続することで、骨髄球系腫瘍発症 における加齢造血幹細胞のエピゲノム要因の関与を明らかにする。また。「MDS 患者サンプルの MDS 幹細胞と前駆細胞分画を用いた ATAC-seq と RNA-seq 解析」を推進し、骨髄球系腫瘍発症における加齢造血幹細胞のエピゲノム要因の実態を明らかにする。7） 機能低下造血幹細胞の再活性化・機能増強法の創出：エピジェネテ ィック制御に関わる NAD+の前駆体 nicotinamide mononucleotide (NMN) の加齢マウスへの投与などの介入実験を進め、 機能低下造血幹細胞の再活性化・機能増強法の創出を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] PTC Therapeutics(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: PTC Therapeutics
• [Int'l Joint Research] マルセイユがんセンタ(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: マルセイユがんセンタ
• [Int'l Joint Research] ルンド大学(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: ルンド大学
• [Journal Article] Limited rejuvenation of aged hematopoietic stem cells in young bone marrow niche. (2021)
  • Author(s): Kuribayashi W, Oshima M, Itokawa N, Koide S, Nakajima-Takagi Y, Yamashita M, Yamazaki S, Rahmutulla B, Miura F, Ito T, Kaneda A, and Iwama A.
  • Journal Title: J Exp Med Volume: 218 Pages: e20192283
  • DOI: 10.1084/jem.20192283
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] UTX maintains functional integrity of murine hematopoietic system by globally regulating aging-associated genes. (2021)
  • Author(s): Sera Y, Nakata Y, Ueda T, Yamasaki N, Koide S, Ikeda KI, Kobatake K, Iwasaki M, Oda H, Wolff L, Kanai A, Nagamachi A, Inaba T, Sotomaru Y, Ichinohe T, Koizumi M, Miyakawa Y, Honda Z, Iwama A, Suda T, Takubo K, and Honda H.
  • Journal Title: Blood Volume: 137 Pages: 908-922
  • DOI: 10.1182/blood.2019001044
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DHODH inhibition synergizes with DNA-demethylating agents in the treatment of myelodysplastic syndromes. (2021)
  • Author(s): Kayamori K, Nagai Y, Zhong C, Kaito S, Shinoda D, Koide S, Kuribayashi W, Oshima M, Nakajima-Takagi Y, Yamashita M, Mimura N, Becker HJ, Izawa K, Yamazaki S, Iwano S, Miyawaki A, Ito R, Tohyama K, Lennox W, Sheedy J, Weetall M, Sakaida E, Yokote K, and Iwama A.
  • Journal Title: Blood Advances Volume: 5 Pages: 438-450
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2020001461
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PRC2 insufficiency causes p53-dependent dyserythropoiesis in myelodysplastic syndrome. (2021)
  • Author(s): Aoyama K, Shinoda D, Suzuki E, Nakajima-Takagi Y, Oshima M, Koide S, Rizq O, Si S, Tara S, Sashida G, and Iwama.
  • Journal Title: Leukemia Volume: 35 Pages: 1156-1165
  • DOI: 10.1038/s41375-020-01023-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficacy of the novel tubulin polymerization inhibitor PTC-028 for Mmyelodysplastic syndrome. (2020)
  • Author(s): Zhong C, Kayamori K, Koide S, Shinoda D, Oshima M, Nakajima-Takagi Y, Nagai Y, Mimura N, Sakaida E, Yamazaki S, Iwano S, Miyawaki A, Ito R, Tohyama K, Yamaguchi K, Furukawa Y, Lennox W, Sheedy J, Weetall M, Iwama A.
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 111 Pages: 4336-4347
  • DOI: 10.1111/cas.14684
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] KDM6A inactivation in germinal center B cells promotes the development of plasma cell neoplasms (2020)
  • Author(s): Atsushi Iwama
  • Organizer: 日本がん学会総会
  • Invited