2022 Fiscal Year Research-status Report
ヒト多能性幹細胞を用いた３次元的先天性側弯症・脊椎肋骨異形成症モデルの確立
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22K15442
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山中 良裕 京都大学, 高等研究院, 特定研究員 (40900121)
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2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 発生生物学 / 幹細胞研究 / 病態再現 / 体節形成 / 再生医療 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脊椎動物の分節化されたボディープランは体節形成の過程で確立される。体節形成は、モデル生物においてよく研究されているが、ヒトでのこの過程の詳細は、倫理的および技術的な制約があるため、ほとんど分かっていない。最近、多能性幹細胞を用いた手法が進歩しているが、ヒトの体節形成を空間的、時間的な両方の特徴をロバストに再現するモデルは十分ではない。今回申請者は、多能性幹細胞由来の中胚葉を基盤とする、ヒトの分節形成および体節形成の3次元モデル（「アクシオロイド（axioloid）」と名付けた）を確立した。アクシオロイドは、in vitroにおいて分節時計の振動動態と、連続的な体節形成の形態学的および分子的な特徴を正確に捉えている。アクシオロイドは、形成中の分節において、生体内で認められる特徴と同様の、適切な頭尾軸パターン形成と、FGF-WNTシグナル伝達勾配やレチノイン酸シグナル伝達構成要素のロバストな前後パターンを示した。レチノイン酸シグナル伝達は形成中の分節の安定化において予想外に重要な役割を果たすことが明らかになり、レチノイン酸と細胞外マトリックスが体節の形成と上皮化において、それぞれの役割は異なるが相乗効果を及ぼすことも示された。ヒト胚との比較解析から、アクシオロイドとヒト胚に顕著な類似性があることが実証され、さらにアクシオロイドにはHoxコードが存在することが検証された。そのうえ、HES7およびMESP2に変異を持つ人工多能性幹細胞を用いることで、アクシオロイドはヒトの先天性脊椎疾患の病因を研究するのに有用であることが示された。我々の結果は、アクシオロイドがヒトの体軸の発生と疾患を研究するための有望なプラットフォームであることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請者のモデルは、上皮性体節が順次形成される様子を正確に捉え、HES7の体節時計に関連した発現の振動ダイナミクスを再現していることから、「アクシオロイド」と名付けた。ヒトのアクシオロイドでは、SOX2+ TBXT+の尾芽領域、TBX6+ MSGN1+未分節中胚葉（PSM）、RIPPLY2+ MESP2+前方未分節中胚葉、MEOX1+ TCF15+の体節が再現性よく存在し、TBX18とUNCXの発現によって区分された正しい頭尾軸極性を示している。また、アクシオロイドは、その前後軸に沿って、FGF、WNT、レチノイン酸（RA）に関連するシグナル勾配が存在することも確認されている。これらのシグナル勾配の推定される役割を評価した結果、形成される体節の安定化においてRAシグナルが予期せぬ重要な役割を果たすことが判明した。これは、体節の形成と上皮化においてRAとECM成分が相乗的な効果を発揮することを示している。
さらに、アクシオロイドとヒト胚の比較解析により、遺伝子発現シグネチャーや形態学的パラメータに著しい類似性があることが明らかになった。これは、HOXコードの存在、すなわちアキオロイドの前後軸に沿ってHOX遺伝子の発現が時空間的に制御されていることからも検証された。最後に、HES7とMESP2に変異を持つ患者様型iPS細胞を用いて、ヒト先天性脊椎疾患の病態を研究するためのアクシオロイドの有用性を実証するものである。患者様のアクシオロイドを機能的、分子的に評価した結果、アクシオロイドを用いた先天性脊椎疾患モデルにおいて、分節の喪失、上皮性体節の欠如、吻側-尾側のパターン形成の欠如が確認された。これらの結果から、アクシオロイドはヒトの体軸の発達と疾患を研究するための有望な新規プラットフォームであることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度、申請者は多能性幹細胞由来の三次元細胞集合体（アクシオロイドと呼ぶ）を用いて、ヒト胚の体細胞形成を再現することに成功した。それに続き、申請者はTBXT+尾芽様（TB）構造、TBX6+未分節中胚葉（PSM）、MEOX1+体節中胚葉（SM）だけでなく、SOX2+神経管様（NT）構造も含む、次世代のアクシオロイド(アクシオロイド2.０)の確立に取り組んでいる。
我々は現在、これらのアクシオロイド2.0の特徴をさらに明らかにし、神経管の形成と上皮化のダイナミクスを時間的・空間的に理解したいと考えている。免疫蛍光法を用いたアプローチにより、PAX6+の頭側に局在している発現パターンが示唆するように、NT構造の前後方向および背腹方向のパターン形成の評価に取り組み始めた。さらに、ハイブリダイゼーション連鎖反応を用いたHOXクラスターの共線的な発現パターンの研究を通じて、この側面についてより詳細な分析を行う予定である。将来的には、これらのアクシオロイド2.0の分子特性解析を継続し、ヒト体軸の発達や関連する先天性疾患の理解をさらに深めるために応用する予定である。
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[Journal Article] Reconstituting human somitogenesis in vitro2022
Author(s)
Yamanaka Yoshihiro、Hamidi Sofiane、Yoshioka-Kobayashi Kumiko、Munira Sirajam、Sunadome Kazunori、Zhang Yi、Kurokawa Yuzuru、Ericsson Rolf、Mieda Ai、Thompson Jamie L.、Kerwin Janet、Lisgo Steven、Yamamoto Takuya、Moris Naomi、Martinez-Arias Alfonso、Tsujimura Taro、Alev Cantas
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Journal Title
Nature
Volume: 614
Pages: 509～520
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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