Analysis of regulatory mechanisms for differentiation of human cartilage tissue
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18H02923
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 56020:Orthopedics-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
妻木 範行 京都大学, iPS細胞研究所, 教授 (50303938)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 軟骨 / 細胞分化 / iPS細胞 / 動物モデル / 分化 / ノックアウトマウス / 再生 / 軟骨細胞 / 代謝 / メタボローム / 内軟骨性骨化 / 軟骨細胞分化 / SIK3 / 骨系統疾患 / 疾患モデル / ゼノグラフト / 遺伝子改変マウス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
下記の3つを行った。
１）ヒトiPS細胞由来軟骨を免疫不全動物の関節軟骨欠損部に移植し、移植ヒト軟骨が分化して関節軟骨様の層構造をとることを発見した。この軟骨分化・リモデリングの機序を来年度以降に解析する。
２）ヒトiPS細胞由来軟骨は培養において合体する過程が観察でき、移植軟骨とホスト軟骨の癒合のモデルになり得る。この合体過程を解析し、軟骨周膜に由来するFGFシグナルが合体を制御していることを明らかにした。以上の成果をChen, X., et al.: Tissue Eng Part A 25(5-6), p. 437-445, 2019.に報告した。
３）Sik3 KOマウスから軟骨を採取してメタボローム解析を行った結果、アセチルCoAが有意に低濃度であった。胎仔の前肢中足骨軟骨原基においてリン酸化ピルビン酸脱水素酵素 (Pdh) (p-Pdh)およびピルビン酸脱水素酵素リン酸化酵素 (Pdk)の発現がSik3 KOマウスで高かった。ワイルドタイプ(WT)マウス胎仔の前肢中足骨軟骨原基の器官培養にPdh阻害剤（CPI613）を投与したところ軟骨細胞の肥大化と軟骨の石灰化が阻害された。また、電子伝達系阻害剤（ロテノン）をWTマウス胎仔の前肢中足骨軟骨原基の器官培養に投与したところ軟骨細胞の肥大化と軟骨の石灰化が阻害され、CPI613投与時と同様の変化を示した。以上の結果はSik3 KOマウス軟骨においてアセチルCoAの減少が、軟骨成熟遅延の産物でなく原因であることを示唆する。そして、TCA回路の基質としてのアセチルCoAの減少が、電子伝達系の働きを低下させて軟骨細胞成熟を抑制することが示唆された。以上の成果をKosai, A., et al.: Biochem Biophys Res Commun 516(4), p. 1097-1102, 2019.に報告した。
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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
研究の全体構想は、ヒトの運動器骨格が形成・維持される機序を分子レベルで解明することである。骨格を器官／組織としてとらえ、その制御機構を培養細胞のレベルではなく、生体の器官／組織の環境で理解することをめざす。生体の器官／組織を使った分子レベルの実験は遺伝子改変マウスモデルで行われてきたが、その知見がヒトに当てはまらないことが多々ある。ヒト器官／組織でのバイオロジーを知るためには、その構造と機能を誠実に再現するモデルをヒト細胞を使って作り、調べる必要がある。iPS細胞が開発されて以来、細胞リプログラミング技術を使うことで、誠実なヒト組織モデルを作ることが可能なことが示されつつある。このような目的の中で2019年度は、ヒトiPS細胞由来軟骨の合体過程を解析し、代謝による軟骨細胞分化の制御を解析した。それぞれ論文に報告した。よっておおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
全体構想は、ヒトの運動器骨格が形成・維持される機序を分子レベルで解明することを目指すため、ヒト細胞とマウスなどの動物の実験系、およびxenograftモデル実験の結果を比較し、知見を得ることを目指す。そのために、ヒトiPS細胞由来軟骨を免疫不全動物の種々の組織に移植して、in vivoにおけるふるまいを解析することを行う。2019年度までに皮下に移植した結果を解析したが、今後は骨欠損部や椎間板髄核摘出部に移植し、ヒトiPS細胞由来軟骨が移植する場所の環境によって、どのような影響を受けて分化・リモデリングするかを解析していく。また、引き続き、軟骨細胞分化の分子機序を解明するために、網羅的な遺伝子探索と、候補遺伝子のノックアウトおよびノックダウンによってヒト細胞とマウス個体での変化を解析し、目的を達成することを目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(32 results)
