ヒト多能性幹細胞の分化誘導系を基軸とする膵島の制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 21H02978
• 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): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023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); 2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2022年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2021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: 多能性幹細胞 / 膵臓 / 内分泌細胞 / 分化誘導 / インスリン / 内分泌β細胞 / 代謝 / 幹細胞 / 膵臓内分泌細胞 / インスリン分泌 / 機能維持 / 糖感受性インスリン分泌 / ヘテロ性 / ドパミン / 遺伝子発現 / 内分泌

研究開始時の研究の概要

本研究では、ヒトES/iPS細胞由来膵β細胞の分化誘導系を活用し、膵β細胞の成熟化・高機能化・機能制御に関与する分子及びその作用機序、ドパミンシグナル制御ネットワーク、およびβ細胞の不均一性を作り出す分子機序の解明を目指す。そのため、次の項目について進める。(1) ヒトES/iPS細胞の遺伝子操作プラットフォームによる成熟化関連遺伝子の機能解析；(2) ゲノムワイド遺伝子連関解析(GWAS)により同定された2型糖尿病（T2DM）関連遺伝子についてヒトES/iPS細胞遺伝子操作プラットフォームを用いた解析とその制御因子の同定；(3)ドパミンシグナルによる膵β細胞の機能制御の分子機構解明。

研究成果の概要

発生途中の膵臓β細胞において発現する代表的な2型糖尿病関連遺伝子としてC2CD4遺伝子がある。C2CD4と相互作用する分子について、たんぱく質近傍ラベリング法により検索し、複数の候補遺伝子を得て、その分子生物学的な解析を行った。また、膵島の機能制御において、ドパミンシグナルが抑制シグナルとして重要な役割を担っている。Drd1, Drd2の果たす役割について調べるために、膵臓β細胞に特異的にDrd1やDrd2の遺伝子ノックアウトマウスを作成し、インスリン分泌に対する効果を調べた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

糖尿病は患者が年々増加し、重篤な患者には移植医療が適応となっているが、ドナーとなる細胞が足りない問題点の解決には、再生医療による細胞移植治療が期待されている。再生医療を進めるためには、高機能なヒトiPS由来膵臓β細胞（SC-β）の効率的な作製方法の開発が重要である。これまで、ある程度機能の高いSC-βを作製することが可能になってきているが、生体内の内在性の膵臓β細胞とは遺伝子発現上では依然として異なっている。膵臓β細胞の機能制御の分子機構を理解することにより、ヒト膵島に近づくSC-膵島の作製が可能になると考える。

研究成果

• [雑誌論文] Transient Methionine Deprivation Triggers Histone Modification and Potentiates Differentiation of Induced Pluripotent Stem Cells. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozawa H, Kambe A, Hibi K, Murakami S, Oikawa A, Handa T, Fujiki K, Nakato R, Shirahige K, Kimura H, Shiraki N, Kume S
  • 雑誌名: Stem Cells. 巻: 41(3) 号: 3 ページ: 271-286
  • DOI: 10.1093/stmcls/sxac082
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Promoting pancreatic β cell proliferation: a powerful key for realizing regenerative therapy for diabetes. (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimaya Y, Shiraki N, Kume S. Promoting pancreatic β cell proliferation: a powerful key for realizing regenerative therapy for diabetes.
  • 雑誌名: J Diabetes Investig 巻: 14 号: 4 ページ: 522-524
  • DOI: 10.1111/jdi.13967
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Protocol to generate human PSC-derived pancreatic beta-cells through methionine and zinc deprivation (2023)
  • 著者名/発表者名: Sim Z.E, Enomoto T, Shiraki N, Kume S
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 102183 号: 2 ページ: 102183-102183
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102183
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of induced pluripotent stem cell-derived beta-cells in blood amino acids-like medium. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ali M, Kato Y, Shiraki N, Kume S
  • 雑誌名: Biology Open 巻: 12 号: 3 ページ: 059581-059581
  • DOI: 10.1242/bio.059581
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Effect of Vitamin D3 and Valproic Acid on the Maturation of Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Enterocyte-Like Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Leo Sylvia、Kato Yusuke、Wu Yumeng、Yokota Mutsumi、Koike Masato、Yui Shiro、Tsuchiya Kiichiro、Shiraki Nobuaki、Kume Shoen
  • 雑誌名: Stem Cells 巻: 41 号: 8 ページ: 775-791
  • DOI: 10.1093/stmcls/sxad042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective proteasome degradation of C‐terminally‐truncated human WFS1 in pancreatic beta cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Tokuma Hiraku、Sakano Daisuke、Tanabe Katsuya、Tanizawa Yukio、Shiraki Nobuaki、Kume Shoen
  • 雑誌名: FEBS Open Bio 巻: 13 号: 8 ページ: 1405-1414
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13674
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Activation of cAMP(EPAC2) signaling pathway promotes hepatocyte attachment. (2023)
  • 著者名/発表者名: Helena GA, Watanabe T, Kato Y, Shiraki N, Kume S.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 12352-12352
  • DOI: 10.1038/s41598-023-39712-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A specific plasma amino acid profile in the Insulin2Q104del Kuma mice at the diabetic state and reversal from hyperglycemia. (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiyoshi N, Enomoto T, Uefune F, Kato Y, Wu Y, Araki K, Sakano D, Shiraki N, Kume S. A
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 679 ページ: 58-65
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.08.064
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gut-Liver Microphysiological Systems Revealed Potential Crosstalk Mechanism Modulating Drug Metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: Dhimas Agung Kurniawan, Sylvia Leo, Mutsumi Inamatsu, Sohei Funaoka, Taichi Aihara, Takeshi Sakura, Hiroshi Arakawa, Yukio Kato, Tomoaki Matsugi, Katsuhiro Esashika, Nobuaki Shiraki, Shoen Kume, Hiroshi Kimura, Masaki Nishikawa, Yasuyuki Sakai,
  • 雑誌名: PNAS NEXUS 巻: 3 号: 2
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae070
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dopamine negatively regulates insulin secretion through D1-D2 receptor heteromer. (2022)
  • 著者名/発表者名: Uefune F, Aonishi T, Kitaguchi T, Takahashi H, Seino S, Sakano D, Kume S
  • 雑誌名: Diabetes 巻: 71 号: 9 ページ: 1946-1961
  • DOI: 10.2337/db21-0644
  • 査読あり
• [雑誌論文] Methionine metabolism regulates pluripotent stem cell pluripotency and differentiation through zinc mobilization (2022)
  • 著者名/発表者名: Sim Z.E, Enomoto T, Shiraki N, Furuta N, Kashio S, Kambe T. Tsuyama T. Arakawa A, Ozawa H. Yokoyama M, Miura M, Kume S
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 40 号: 3 ページ: 111120-111120
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [学会発表] Methionine metabolism regulates pluripotent stem cell through zinc mobilization. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Shiraki, Erinn Zixuan Sim, Takayuki Enomoto, Nao Furuta, Soshiro Kashio, Taiho Kambe, Tomonori Tsuyama, Akihiro Arakawa, Hiroki Ozawa, Mizuho Yokoyama, Masayuki Miura, Shoen Kume
  • 学会等名: ISSCR
  • 国際学会
• [学会発表] Transient methionine deprivation triggers histone modification and potentiates differentiation of induced pluripotent stem cells. (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Ozawa, Azusa Kambe, Kodai Hibi, Satoshi Murakami, Akira Oikawa, Tetsuya Handa, Katsunori Fujiki, Ryuichiro Nakato, Katsuhiko Shirahige, Hiroshi Kimura, Nobuaki Shiraki and Shoen Kume
  • 学会等名: ISSCR
  • 国際学会
• [学会発表] 多能性幹細胞からの膵分化誘導におけるメチオニンと亜鉛シグナルの役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 日本生化学会
  • 招待講演
• [学会発表] 多能性幹細胞由来膵島の分化誘導研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 日本糖尿病学会九州地方会
  • 招待講演
• [学会発表] HSVTK-GCV自殺スイッチを利用したiPS細胞由来β細胞における造腫瘍抑制 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岸本恵理子, 徳間啓, 白木伸明, 坂野大介, 粂昭苑
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 膵臓β細胞における不均一なドーパミン合成能の生理学的役割の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 富永成海, 上船史弥, 井上愛里, 板谷勇輝, 徳間啓, 白木伸明, 坂野大介, 粂昭苑
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 共培養系を用いたiPS-小腸細胞と肝細胞との相互作用の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村莉瑠, 西藤巧, 渡邊輝彦,長田優菜,白木伸明, 粂昭苑
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 5-アミノレブリン酸を用いた光線力学療法のヒトiPS膵臓分化誘導への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鈴木秀宜・小倉俊一郎・白木伸明・粂昭苑
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 多能性幹細胞の未分化および分化状態における細胞内亜鉛動態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 門倉瑶乃、荒川哲大、Erinn Zixuan Sim、白木伸明、粂昭苑
  • 学会等名: 日本再生医療学会
• [学会発表] Generation of induced pluripotent Stem Cell-Derived Beta cells in Blood Amino Acids-Like Medium (2023)
  • 著者名/発表者名: Marwa san, Y Kato, Shiraki N, Kume S.
  • 学会等名: 22nd IUNS-InternationalCongress of Nutrition
  • 国際学会
• [学会発表] ２型糖尿病原因遺伝子C2CD4Aの糖尿病発症メカニズム解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中原有理、井上愛里、徳間啓、坂野大介、白木伸明、粂昭苑
  • 学会等名: 第45回分子生物学会
• [学会発表] 膵β細胞におけるドーパミン生合成の役割とその制御機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 板谷勇輝、上船史弥、徳間啓、富永成海、坂野大介、粂昭苑
  • 学会等名: 第45回分子生物学会
• [学会発表] 新規インスリン遺伝子変異を有するKumaマウスにおけるLC-MS/MSによる血漿中の代謝物プロファイルの解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoya Hiyoshi, Takayuki Enomoto, Airi Inoue, Yusuke Kato, Daisuke Sakano, Kimi Araki, Nobuaki Shiraki, Shoen Kume
  • 学会等名: 第45回分子生物学会
• [学会発表] メチオニン制限を組み込んだ新規iPS細胞膵臓分化方法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金子知代、島慧理果 榎本孝幸、白木伸明、粂昭苑
  • 学会等名: アミノ酸学会
• [学会発表] Metabolic control of pluripotent stem cells in the generation of pancreatic endocrine beta cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoen Kume
  • 学会等名: 第3 回JSRM-A*STARジョイントシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヒトiPS細胞由来膵島の作成とインスリン分泌の制御機構解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 第95回日本内分泌学会
  • 招待講演
• [学会発表] WFS1の発現低下とインスリン分泌の関連性の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳間啓 坂野大介 粂昭苑
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
• [学会発表] ドパミンによる膵臓発生機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上愛里、下道隆広、坂野 大介、粂 昭苑
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
• [学会発表] 膵β細胞におけるD1-D2ヘテロ多量体を介したドーパミンによるインスリン分泌抑制機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上船史弥、坂野大介、青西亨、高橋晴美、清野進、粂昭苑
  • 学会等名: 第44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エピジェネティック変化を伴うヒトiPS細胞分化促進 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小澤弘樹、神戸梓沙、日比滉大、及川彰、藤木克則、白髭克彦、木村宏、白木伸明、粂昭苑
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
• [学会発表] アミノ酸の代謝を活用したiPS細胞の分化誘導系の構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: ICAAS 「アミノ酸セミナー・基礎と臨床を結ぶ会」
  • 招待講演
• [学会発表] Metabolic control of pluripotent stem cells for the generation of pancreatic beta-cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoen Kume, Erinn Zixuan Sim, Takayuki Enomoto, Nobuaki Shiraki.
  • 学会等名: ISSCR /JSRM International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 多能性幹細胞の維持と膵臓β細胞分化における亜鉛シグナルの関与 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 日本亜鉛栄養治療研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ヒト多能性幹細胞を用いた糖尿病の再生医療 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 第64回日本糖尿病学会年次学術集
  • 招待講演
• [学会発表] ヒトiPS細胞からの膵島作成とモデル細胞としての利用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粂昭苑
  • 学会等名: 第94回日本内分泌学会シンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 異種のドーパミン受容体が結合したD1-D2ヘテロ多量体の活性化によってインスリン分泌が調節される
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/064340
• [備考] ヒト多能性幹細胞におけるメチオニン代謝と亜鉛動態の関係性を解明
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/064523