単一造血幹細胞のATP濃度・量のリアルタイム測定技術の確立

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K19550
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: 田久保 圭誉 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 生体恒常性プロジェクト長 (50502788)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 造血幹細胞 / 幹細胞代謝 / 単一細胞解析 / 定量生物学 / リアルタイムATP濃度解析

Outline of Annual Research Achievements

細胞が生存しながら各種のイベント（運動・増殖等）を実行する際にはエネルギー通貨ATPが消費される。すなわち、細胞活動の維持にはATPの適切な産生・消費のバランスが保たれることが肝要である。近年、エネルギー代謝バランスが組織幹細胞の運命決定に重要であることが知られるようになり、「幹細胞代謝学」という新たな融合領域が勃興してきた。骨髄に住まう造血幹細胞を制御する微小環境(ニッチ)因子として、骨髄内の低い酸素分圧が重要で、エネルギー代謝調節を通じて幹細胞性を維持し造血恒常性を保つことが報告されてきた。しかし、既存研究手法には限界があり、その結果、「造血幹細胞のATP濃度の細胞間多様性や制御機構、それらの本質的な意義は何であるか」という根源的な問いは未だに放置されている。そこで本研究では、ATPバイオセンサー搭載造血幹細胞を用いた、単一造血幹細胞のATP濃度・量のリアルタイム測定技術を確立して、この問いに答えることを目的とする。最終年度である第二年度は、前年度までに確立した単一造血幹細胞のATP濃度・量のリアルタイム測定技術を活用して急性のストレスが負荷された造血幹細胞のATP濃度の変化を検討し、責任となる代謝経路の同定に努めた。急性ストレスの中でも増殖ストレスとミトコンドリアストレスではATPの産生源が速やかに解糖系へシフトすることを同定した。この代謝可塑性の背景の分子基盤の解析を実施して、責任となる代謝学的な分子機構を同定したうえで、当該経路関連酵素の阻害や過剰発現、ノックアウトを通じてストレス造血における必要性を確認した。

Research Products

• [Journal Article] Imeglimin improves systemic metabolism by targeting brown adipose tissue and gut microbiota in obese model mice. (2024)
  • Author(s): Awazawa M, Matsushita M, Nomura I, Kobayashi N, Tamura-Nakano M, Sorimachi Y, Takubo K, Ueki K.
  • Journal Title: Metabolism Volume: 153 Pages: 155796
  • DOI: 10.1016/j.metabol.2024.155796
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Abcb10 regulates murine hematopoietic stem cell potential and erythroid differentiation. (2024)
  • Author(s): Yahagi A, Mochizuki-Kashio M, Sorimachi Y, Takubo K, Nakamura-Ishizu A.
  • Journal Title: Exp Hematol Volume: 15-Mar Pages: 104191
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2024.104191
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Context-dependent modification of PFKFB3 in hematopoietic stem cells promotes anaerobic glycolysis and ensures stress hematopoiesis. (2024)
  • Author(s): Watanuki S, Kobayashi H, Sugiura Y, Yamamoto M, Karigane D, Shiroshita K, Sorimachi Y, Fujita S, Morikawa T, Koide S, Oshima M, Nishiyama A, Murakami K, Haraguchi M, Tamaki S, Yamamoto T, Yabushita T, Tanaka Y, Nagamatsu G, Honda H, Okamoto S, Goda N, Tamura T, Nakamura-Ishizu A, Suematsu M, Iwama A, Suda T, Takubo K.
  • Journal Title: Elife Volume: 12 Pages: RP87674
  • DOI: 10.7554/eLife.87674
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human soft tissue sarcoma traits.v (2023)
  • Author(s): Sorimachi Y, Kobayashi H, Shiozawa Y, Koide S, Nakato R, Shimizu Y, Okamura T, Shirahige K, Iwama A, Goda N, Takubo K, Takubo K.
  • Journal Title: Stem Cell Reports Volume: 18 Pages: 1211-1226
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2023.03.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluating the function of murine quiescent hematopoietic stem cells following non-homologous end joining-based genome editing. (2023)
  • Author(s): Shiroshita K, Kobayashi H, Takubo K.
  • Journal Title: STAR Protoc Volume: 4 Pages: 102347
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102347
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distinct roles of the preparatory and payoff phases of glycolysis in hematopoietic stem cells. (2023)
  • Author(s): Shiroshita K, Kobayashi H, Watanuki S, Karigane D, Sorimachi Y, Tamaki S, Haraguchi M, Yamamoto M, Nakamura-Ishizu A, Okamoto S, Kataoka K, Takubo K.
  • Journal Title: Exp Hematol Volume: 124 Pages: 56-67
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2023.06.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MBTD1 preserves adult hematopoietic stem cell pool size and function. (2023)
  • Author(s): Takubo K, Htun PW, Ueda T, Sera Y, Iwasaki M, Koizumi M, Shiroshita K, Kobayashi H, Haraguchi M, Watanuki S, Honda ZI, Yamasaki N, Nakamura-Ishizu A, Arai F, Motoyama N, Hatta T, Natsume T, Suda T, Honda H.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 120 Pages: e2206860120
  • DOI: 10.1073/pnas.2206860120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatial heterogeneity of bone marrow endothelial cells unveils a distinct subtype in the epiphysis.v (2023)
  • Author(s): Iga T, Kobayashi H, Kusumoto D, Sanosaka T, Fujita N, Tai-Nagara I, Ando T, Takahashi T, Matsuo K, Hozumi K, Ito K, Ema M, Miyamoto T, Matsumoto M, Nakamura M, Okano H, Shibata S, Kohyama J, Kim KK, Takubo K, Kubota Y.
  • Journal Title: Nat Cell Biol Volume: 25 Pages: 1415-1425
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01240-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] The Pbx1-G9a axis dysregulates lineage output of aged hematopoietic stem cells (2023)
  • Author(s): Hiroshi Kobayashi, Shintaro Watanuki, Yusuke Shiozawa, Naoya Takayama, Seishi Ogawa, Atsushi Iwama, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第20回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Nociceptive nerves facilitate hematopoietic stem and progenitor cell homing to bone marrow by regulating microcirculation (2023)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第20回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] 間葉系幹細胞特異的p53欠損は幹細胞特性を変化させて未分化軟部肉腫を発症する (2023)
  • Author(s): 反町優理子, 小林央, 合田亘人, 田久保圭誉
  • Organizer: 癌と代謝研究会2023
• [Presentation] 侵害受容神経は骨髄微小循環を制御し造血幹前駆細胞のホーミングを促す (2023)
  • Author(s): 藤田進也, 森川隆之, 片岡圭亮, 田久保圭誉
  • Organizer: 低酸素研究会2023
• [Presentation] 加齢造血幹細胞の「強さ」を支える代謝リプログラミング (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 実験動物中央研究所特別セミナー
  • Invited
• [Presentation] 骨髄環境のイメージング (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第85回日本血液学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 神経伝達物質による造血幹細胞のホーミング制御 (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第4回血液疾患領域Web研究会
  • Invited
• [Presentation] 侵害受容神経による造血幹・前駆細胞のホーミング制御 (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 日本再生医療学会第3回科学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 骨髄の微小循環と造血幹細胞のエイジング (2023)
  • Author(s): 小林央, 田久保圭誉
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 国立国際医療研究センター研究所生体恒常性プロジェクト公式ウェブサイト
  • URL: https://takubolab.com/