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

2022 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 / 骨髄異形成症候群

Outline of Annual Research Achievements

若齢・加齢造血幹細胞のシングルセルRNA-seqを行ったところ、加齢造血幹細胞は若齢造血幹細胞とは異なるクラスターに細分化され、Clusterin (Clu) などの加齢造血幹細胞に特徴的な遺伝子群の発現が加齢とともに増強することが観察された。Clusterinは分泌型シャペロンとして機能する分子である。Cluの発現をGFPでマーキング可能なマウスを入手し、Clu発現幹細胞の挙動を解析したところ、造血幹細胞分画がClu陽性・陰性に大別できること、その比率が加齢とともに逆転することが明らかとなった。すなわち、若齢マウスではClu陰性造血幹細胞が大半を占めるが、加齢とともにClu陽性造血幹細胞が増加し、2年齢の加齢マウスでは約90％がClu陽性となる。Clu陽性造血幹細胞はMyeloid/plateletに偏った分化を示し、加齢マウスの血液細胞の特性を規定する。一方、Clu陰性造血幹細胞はリンパ球を含めてバランスの良い分化を示し、若齢造血幹細胞に近い表現系を持つ。RNA-seq解析によるトランスクリプトーム解析においては、上記の特徴が明瞭に示された。これらの2つの異なる造血幹細胞集団の割合の変化が血液の老化を大きく規定するものと考えられた。また、加齢関連骨髄性腫瘍として頻度の高い骨髄異形成症候群 (myelodysplastic syndromes : MDS) における転写制御ネットワークの異常を明らかにする目的で、MDS及び類縁疾患の幹細胞分画を用いてATAC-seqによるクロマチン特性解析を行った。その結果、MDS幹細胞分画のクロマチン状態は、前駆細胞分画に比べてより良く病態の多様性や悪性度を反映しており、またモチーフ解析の結果から、MDS幹細胞では造血幹細胞の機能に重要なHOX familyやAP1 family などの結合配列を含む領域が閉じる一方で、骨髄球系の分化に関わるCEBPやKLFなどを含む領域が開いており、正常な造血分化に関わる様々な転写ネットワークの異常が、MDSの多様性や予後を規定することが明らかになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

造血幹細胞の加齢に伴う多様性の変化を明らかにすることができた。また、骨髄異形成症候群における病態の一端をその幹細胞と前駆細胞のクロマチン構造を解析することにより明らかにすることができた。ともに論文を準備中である。

Strategy for Future Research Activity

(1) 加齢造血幹細胞におけるClu陽性・陰性分画のATAC-seq解析やDNAメチル化解析を行い、これらの加齢造血幹細胞分画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。
(2) 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：1.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について、サイトカインの一つであるトロンボポイエチンがCluの発現制御に関わる予備的データを得ている。トロンボポイエチン欠損マウスやトロンボポイエチンチャレンジ試験などにより、加齢に伴う造血幹細胞の特性変化の機序の一端を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: McGill University
• [Int'l Joint Research] Marseille University(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Marseille University
• [Int'l Joint Research] Oxford University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Oxford University
• [Journal Article] Epigenetic memories inscribed in chromatin accessibility in aged hematopoietic stem cells. (2022)
  • Author(s): Itokawa N, Oshima M, Koide S, Takayama N, Kuribayashi W, Nakajima-Takagi Y, Aoyama K, Yamazaki S, Yamaguchi K, Furukawa Y, Eto K, Iwama A.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 2691
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30440-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] YAP1/TAZ activity maintains vascular integrity and organismal survival. (2022)
  • Author(s): Uemura S, Yamashita M, Aoyama K, Yokomizo T, Oshima M, Nishio M, Masuko M, Takizawa J, Sone H, Yamada Y, Suzuki A, and Iwama A.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 619 Pages: 117-123
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.06.050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High prevalence of myeloid malignancies in progeria with Werner syndrome is associated with p53 insufficiency. (2022)
  • Author(s): Kato H, Maezawa Y, Nishijima D, Iwamoto E, Takeda J, Kanamori T, Yamaga M, Mishina T, Takeda Y, Izumi S, Hino Y, Nishi H, Ishiko J, Takeuchi M, Kaneko H, Koshizaka M, Mimura N, Kuzuya M, Sakaida E, Takemoto M, Shiraishi Y, Miyano S, Ogawa S, Iwama A, Sanada M, Yokote K.
  • Journal Title: Experimental Hematology Volume: 109 Pages: 11-17
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2022.02.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unraveling unique features of plasma cell clones in POEMS syndrome by single-cell analysis. (2022)
  • Author(s): Isshiki Y, Oshima M, *Mimura N, Kayamori K, Miyamoto-Nagai Y, Seki M, Nakajima-Takagi Y, Kanamori T, Iwamoto E, Muto T, Tsukamoto S, Takeda Y, Ohwada C, Misawa S, Ikeda JI, Sanada M, Kuwabara S, Suzuki Y, Sakaida E, Nakaseko C, Iwama A.
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 7 Pages: e151482
  • DOI: 10.1172/jci.insight.151482
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PCGF1-PRC1 links chromatin repression with DNA replication during hematopoietic cell lineage commitment. (2022)
  • Author(s): Takano J, Ito S, Dong Y, Sharif J, Nakajima-Takagi Y, Umeyama T, Han YW, Isono K, Kondo T, Iizuka Y, Miyai T, Mizutani-Koseki Y, Ikegaya M, Sakihara M, Nakayama M, Ohara O, Hasegawa Y, Hashimoto K, Arner E, Klose RJ, Iwama A, Koseki H, and Ikawa T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 715
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34856-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Chromatin accessibility in MDS stem and progenitor cells. Symposium “Recent advances in leukemia stem cell research” (2022)
  • Author(s): Iwama A
  • Organizer: The 84th Annual Meeting of the Japanese Society of Hematology
  • Invited
• [Presentation] 「造血幹細胞特性の加齢変化とエピジェネティックメモリー」シンポジウム「100歳を目指した健康寿命延伸医療の実現」 (2022)
  • Author(s): 岩間厚志
  • Organizer: 日本心血管作動部質学会
  • Invited
• [Remarks] 幹細胞分子医学分野ホームページ
  • URL: https://www.ims.u-tokyo.ac.jp/molmed/