試験管内分化誘導に基づく膵β細胞の機能維持と恒常性維持の分子機序解明

• 研究課題/領域番号: 18H02861
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分54040:代謝および内分泌学関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 粂 昭苑 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (70347011)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
• キーワード: 膵臓β細胞 / ドパミン / VMAT2 / インスリン分泌 / 膵臓 / 内分泌細胞 / 血糖維持 / 分化 / 多能性幹細胞 / インスリン / 糖代謝 / 増殖 / 膵臓分化 / 内胚葉 / 糖尿病 / 分化誘導 / 恒常性維持 / 分泌

研究成果の概要

膵臓β細胞の恒常性維持の分子基盤の解明を目指し、膵臓β細胞特異的なVMAT2遺伝子変異マウスの解析を進めた。変異マウスでは、細胞内ドパミンが減少し、糖応答性インスリン分泌が上昇した。高脂肪食を給餌した条件では、β細胞の脱分化、β細胞死や耐糖能の悪化が認められた。詳細な解析の結果、糖応答性インスリン分泌とともにドパミンが分泌されるが、VMAT2の欠失β細胞では、再取り込みされたドパミンは分泌小胞に格納されずに、細胞内の分解酵素MAOにより分解され、ROSが発生する。高脂肪食条件では、インスリン分泌が亢進し、次第にβ細胞はROSにより脱分化、そしてβ細胞死が引き起こされることに至ることが分かった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

VMAT2-ドパミンシグナルは膵臓β細胞の分化抑制シグナルとして働くのみならず、β細胞の量を制御するシグナルでもあり、糖応答性インスリン分泌を負に制御するシグナルである。一方、VMAT2-ドパミンシグナルを欠くと、糖応答性インスリン分泌が亢進した。高脂肪食給餌条件下では、β細胞特異的VMAT2遺伝子変異マウスは、対照の野生型よりも早く耐糖能の改悪を示し、β細胞の脱分化、脱落を引き起こした。これらの結果から、膵臓β細胞を正常に維持するためには、負に制御するシグナルが重要な役割を果たすことが示された。膵臓β細胞の恒常性維持のためには、その機能を適宜に制御することが重要であることが示された。

研究成果

• [雑誌論文] Dietary sodium chloride attenuates increased β-cell mass to cause glucose intolerance in mice under a high-fat diet. (2021)
  • 著者名/発表者名: Taki K, Takagi H, Hirose T, Sun R., Yaginuma H, Mizoguchi A, Kobayashi T, Sugiyama M, Tsunekawa T, Onoue T, Hagiwara D, Ito Y, Iwama S, Suga H, Banno R, Sakano D, Kume S, Arima H,
  • 雑誌名: Plos One 巻: 16 号: 3 ページ: e0248065-e0248065
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0248065
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent progress in pancreatic islet cell therapy (2021)
  • 著者名/発表者名: Sim Z.E, Shiraki N, Kume S
  • 雑誌名: Inflammation and Regeneration 巻: 41 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1186/s41232-020-00152-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of human induced pluripotent stem cell-derived functional enterocyte-like cells for pharmacokinetic studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida S, Honjo T, Iino K, Ishibe R, Leo S, Shimada T, Watanabe T, Ishikawa M, Maeda K, Kusuhara H, Shiraki N, Kume S.
  • 雑誌名: Stem Cell Reports 巻: 16 号: 2 ページ: 295-308
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2020.12.017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] VMAT2 Safeguards β-Cells Against Dopamine Cytotoxicity Under High-Fat Diet?Induced Stress (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakano Daisuke、Uefune Fumiya、Tokuma Hiraku、Sonoda Yuki、Matsuura Kumi、Takeda Naoki、Nakagata Naomi、Kume Kazuhiko、Shiraki Nobuaki、Kume Shoen
  • 雑誌名: Diabetes 巻: 69 号: 11 ページ: 26-33
  • DOI: 10.2337/db20-0207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insulin2Q104del (Kuma) mutant mice develop diabetes with dominant inheritance (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakano Daisuke、Inoue Airi、Enomoto Takayuki、Imasaka Mai、Okada Seiji、Yokota Mutsumi、Koike Masato、Araki Kimi、Kume Shoen
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 12187-12187
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68987-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Yoshida S, Hirota M, Kawachi T, Kume S, Takahashi K. Generation of intestinal organoids derived from human pluripotent stem cells for drug testing. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida S, Hirota M, Kawachi T, Kume S, Takahashi K
  • 雑誌名: Sci Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 5989-5989
  • DOI: 10.1038/s41598-020-63151-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detailed analysis at a single-cell level of cells undergoing pancreatic differentiation. (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiraki S, Kume S.
  • 雑誌名: J Diabetes Investig. 巻: 11 号: 1 ページ: 20-21
  • DOI: 10.1111/jdi.13140
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Collagen vitrigel promotes hepatocytic differentiation of induced pluripotent stem cells into functional hepatocyte-like cells. (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakai S, Shibata I, Shitamichi T, Yamaguchi H, Takagi N, Inoue T, Nakagawa T, Kiyokawa J, Wakabayashi S, Miyoshi T, Higashi E, Ishida S, Shiraki N, Kume S
  • 雑誌名: Biology Open 巻: 8 ページ: 042192-042192
  • DOI: 10.1242/bio.042192
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A culture substratum with net-like polyamide fibers promotes the differentiation of mouse and human pluripotent stem cells to insulin-producing cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaitsuka Taku、Kojima Rie、Kawabe Masaaki、Noguchi Hirofumi、Shiraki Nobuaki、Kume Shoen、Tomizawa Kazuhito
  • 雑誌名: Biomedical Materials 巻: 14 号: 4 ページ: 045019-045019
  • DOI: 10.1088/1748-605x/ab261c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Future perspectives for the treatment of diabetes: importance of a regulatory framework. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto K, Cnop M, Mori D, Kume S, Anazawa T, Doi M, Chikazawa K, Matsumaru N
  • 雑誌名: Ther Innov Regul Sci. 巻: Sep 3 号: 4 ページ: 535-541
  • DOI: 10.1177/2168479018795854
  • 査読あり
• [雑誌論文] iPS cell elimination in a cell sheet by methionine-free and 42 °C condition for tumor prevention. (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuura K, Ito K, Shiraki N, Kume S, Hagiwara N, Shimizu T.
  • 雑誌名: Tissue Eng Part C Methods. 巻: 24 号: 10 ページ: 605-615
  • DOI: 10.1089/ten.tec.2018.0228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Different murine-derived feeder cells alter the definitive endoderm differentiation of human induced pluripotent stem cells. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shoji M, Minato H, Ogaki S, Seki M , Suzuki Y, Kume S, Kuzuhara T.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 13 号: 7 ページ: e0201239-e0201239
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0201239
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inhibition of Cdk5 Promotes β-cell differentiation from ductal progenitors (2018)
  • 著者名/発表者名: Liu KC, Leuckx G, Sakano D, Seymour PA, Mattssona CL, Rautioa L, Verdonck Yannick, Serup P, Kume S, Heimberg H, Andersson O
  • 雑誌名: Diabetes 巻: 67 号: 1 ページ: 58-70
  • DOI: 10.2337/db16-1587
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ヒトiPS細胞を用いた糖尿病の再生医療研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第20回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 膵島移植に用いるための免疫隔離カプセルの評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 滝波那拓、榎本 孝幸、白木 伸明、粂 昭苑
  • 学会等名: 第20回日本再生医療学会総会
• [学会発表] メチオニン代謝による幹細胞制御、および膵臓β細胞分化に与える影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] マウス膵内分泌細胞のVMAT2による膵島の機能制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 芝江柾葵, 上船史弥, 坂野大介, 粂昭苑
  • 学会等名: 分子生物学会
• [学会発表] ヒト多能性幹細胞を用いた膵島再生研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 日本動物細胞工学会
  • 招待講演
• [学会発表] メチオニン代謝による多能性幹細胞の分化制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Improvement of pancreatic βcells differentiation from human iPS cells, especially for maturation and expansion (2019)
  • 著者名/発表者名: Marie Ono, Daisuke Sakano, Yuki Toyoda, Sai Araki, Shoen Kume
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Present status for the generation of pluripotent stem cell-derived pancreatic beta cells for the treatment of diabetes (2019)
  • 著者名/発表者名: Shoen Kume
  • 学会等名: The Diabetes and Obesity in the region
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insulin supplement is essential in differentiating human induced pluripotent stem cells into pancreatic beta cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Erinn Zixuan Sim, Nobuaki Shiraki, ShoenKume
  • 学会等名: ISSCR
  • 国際学会
• [学会発表] 多能性幹細胞から膵臓β細胞への分化誘導研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 糖尿病と再生医療フォーラム in Nagoya
  • 招待講演
• [学会発表] 多能性幹細胞を用いた膵臓β細胞の再生研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第53回糖尿病学の進歩
  • 招待講演
• [学会発表] メチオニン除去培地とコラーゲンビトリゲル薄膜を用いて分化誘導したヒトiPS細胞由来肝臓細胞を利用した薬物毒性試験系の構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柴田伊真,下道隆広, 渡邊輝彦, 山口宏之, 白木伸明, 粂昭苑
  • 学会等名: 細胞アッセイ研究会
• [学会発表] 多能性幹細胞の未分化性維持と分化制御の分子基盤 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Insulin2タンパクへのQ104del変異導入による自然発症１型糖尿病モデルマウスの作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: Airi Inoue, Daisuke Sakano, Takayuki Enomoto, Mai Imasaka, Seiji Okada, Kimi Araki, Shoen Kume
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会
• [学会発表] メチオニン除去培養によるヒトiPS細胞分化促進の機序解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 日比滉大, 秋山智彦，洪実，白木伸明, 粂昭苑
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会
• [学会発表] Insulin supplement is essential in differentiationg human induced pluripotent stem cells into pancreatic beta cells. (2018)
  • 著者名/発表者名: Erinn Sim Zixuan, Nobuaki Shiraki, Shoen Kume
  • 学会等名: The 16th Asia-Ocenia Congress of Endocrinology 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of pancreatic beta cells from human iPS cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Shoen Kume
  • 学会等名: The 16th Asia-Ocenia Congress of Endocrinology 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insulin2 Q104del (Kuma) mutant mice develop diabetes with dominant inheritance (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakano D,Inoue A, Enomoto T, Imasaka M, Okada S, Araki K, Kume S
  • 学会等名: Joint Meeting of JSCB 70th & JSDB 51st
  • 国際学会
• [学会発表] ヒトiPS細胞から膵臓β細胞への分化誘導の技術開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 日本糖尿病学会
  • 招待講演
• [学会発表] 代謝による多能性幹細胞の分化制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第6回がんと代謝研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 多能性幹細胞から膵β細胞への分化制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 粂 昭苑
  • 学会等名: 第91回日本内分泌学会
  • 招待講演
• [備考] 膵臓β細胞のインスリン分泌時の活性酸素に対する保護作用を解明
  • URL: https://educ.titech.ac.jp/bio/news/2020_09/059581.html
• [備考] 自然発症型糖尿病モデルマウスの作製に成功―膵臓再生医療の新しい移植モデル動物として期待
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/047450.html
• [産業財産権] 糖尿病モデル動物 (2018)
  • 発明者名: 粂昭苑、坂野大介、榎本孝幸、荒木喜美、岡田誠治
  • 権利者名: 東京工業大学、熊本大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-076855
  • 出願年月日: 2018