Wntシグナルを介した上皮間充織相互作用による気管間充織細胞極性化機構の解明

• 研究課題/領域番号: 19K16156
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分44020:発生生物学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 岸本 圭史 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (70700029)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 気管 / 極性化 / 間充織 / Wnt / 上皮 / 幹細胞 / オルガノイド / 細胞極性 / Wnt signaling / マウス気管

研究開始時の研究の概要

臓器のかたちは、細胞の振る舞いや細胞間の協調的な運動によって決定づけられる。細胞の極性化は、細胞や組織に方向性や協調性を与えるイベントであり、臓器が正しい三次元構造を作るために必須の過程である。
申請者は、間充織細胞が上皮組織方向に極性を同調させながら、マウス気管管腔の長さを決定することを発見した。これらの結果は、臓器の形態形成における間充織細胞の極性化の重要性を示している。本研究計画では、気管発生における間充織細胞の極性化を制御する上皮―間充織相互作用を理解することを目的とする。さらに、幹細胞を用いた再構成論的アプローチにより、ヒト気管発生における間充織細胞の極性化過程の可視化にも取り組む。

研究成果の概要

本研究課題では、まず、間充織極性に関わるWnt signal関連遺伝子の発現について検討を行った。scRNA-seqおよびIn situ hybridizationにより、気管極性過程において発現するWnt関連遺伝子を同定した。また、呼吸器間充織をIn vitro再構築することで、間充織極性化の過程を培養皿上で解析するシステムの構築に挑戦した。ヒトおよびマウスES細胞から呼吸器間充織細胞を分化誘導することに成功した。現在、これらの細胞を上皮細胞と混合し、間充織細胞が極性化する過程を構築している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々は先行研究において、気管が正しい長さと太さに成長するためには、間充織細胞の極性化が必要であることを見出した。一方、これまでの当該分野の研究の多くは上皮細胞に焦点をあっており、間充織組織の発生についてはあまり研究されていなかった。本研究では、呼吸器間充織細胞をヒト幹細胞から作成することを世界に先駆けて成功した。これらの細胞を上皮細胞と混合培養することで、ヒト臓器の形成過程を培養皿上で再構築する技術の確立に繋がる。これらの技術はヒト臓器の正常な形成機構の解明・病態の理解につながると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] CincinnatiChildrensHospitalMedicalCenter(米国)
• [国際共同研究] Cincinnati Children Hospital(米国)
• [雑誌論文] Functional human gastrointestinal organoids can be engineered from three primary germ layers derived separately from pluripotent stem cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Eicher Alexandra K.、Kechele Daniel O.、Sundaram Nambirajan、Berns H. Matthew、Poling Holly M.、Haines Lauren E.、Sanchez J. Guillermo、Kishimoto Keishi、Krishnamurthy Mansa、Han Lu、Zorn Aaron M.、Helmrath Michael A.、Wells James M.
  • 雑誌名: Cell Stem Cell 巻: 29 号: 1 ページ: 36-51.e6
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.10.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Directed differentiation of human pluripotent stem cells into diverse organ-specific mesenchyme of the digestive and respiratory systems. (2022)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto, Kentaro Iwasawa, Alice Sorel, Carlos Ferran-Heredia, Lu Han, Mitsuru Morimoto, James M Wells, Takanori Takebe and Aaron M Zorn
  • 雑誌名: nature protocols 巻: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mammalian tracheal development and reconstruction: insights from <i>in vivo</i> and <i>in vitro</i> studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto Keishi、Morimoto Mitsuru
  • 雑誌名: Development 巻: 148 号: 13
  • DOI: 10.1242/dev.198192
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single cell transcriptomics identifies a signaling network coordinating endoderm and mesoderm diversification during foregut organogenesis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Han L, Chaturvedi P, Kishimoto K, Koike H, Nasr T, Iwasawa K, Giesbrecht K, Witcher PC, Eicher A, Haines L, Lee Y, Shannon JM, Morimoto M, Wells JM, Takebe T, Zorn AM.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 11(1) 号: 1 ページ: 4158-4158
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17968-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bidirectional Wnt signaling between endoderm and mesoderm confers tracheal identity in mouse and human cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto K, Furukawa KT, Luz-Madrigal A, Yamaoka A, Matsuoka C, Habu M, Alev C, Zorn AM, Morimoto M.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 11(1) 号: 1 ページ: 4159-4159
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17969-w
  • NAID: 120006882430
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bidirectional Wnt signaling between endoderm and mesoderm confer tracheal identity in mouse and human (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto, Kana T. Furukawa, Agustin Luz Madrigal, Akira Yamaoka, Chisa Matsuoka, Masanobu Habu, Cantas Alev, Aaron M. Zorn, Mitsuru Morimoto
  • 雑誌名: Biorxiv 巻: 756825 ページ: 1-31
  • DOI: 10.1101/758235
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single cell transcriptomics reveals a signaling roadmap coordinating endoderm and mesoderm diversification during foregut organogenesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Lu Han, Praneet Chaturvedi, Keishi Kishimoto, Hiroyuki Koike, Talia Nasr, Kentaro Iwasawa, Kirsten Giesbrecht, Phillip C Witcher, Alexandra Eicher, Lauren Haines, Yarim Lee, John M Shannon, Mitsuru Morimoto, James M Wells, Takanori Takebe, Aaron M Zorn
  • 雑誌名: Biorxiv 巻: 861781 ページ: 1-49
  • DOI: 10.1101/756825
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Induction of organ specific splanchnic mesoderm from human embryonic stem cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto
  • 学会等名: CLEAR consortium 2020
  • 国際学会