ヘテロ性付与によるヒトiPS由来膵臓β細胞の機能向上

• 研究課題/領域番号: 22K19543
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分54:生体情報内科学およびその関連分野
• 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): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: インスリン / 膵臓 / 内分泌細胞 / 膵臓β細胞 / インスリン分泌 / 機能制御 / 膵臓内分泌細胞 / 糖感受性インスリン分泌 / 分化 / 糖尿病 / 脱分化

研究開始時の研究の概要

近年、膵臓β細胞の脱分化による見かけ上の膵臓β細胞の容積減が2型糖尿病の成因であると報告された。最近、この「上皮細胞の脱分化が慢性疾患における臓器の機能低下の成因」という考え方が多くの組織にも適用されることが分かってきた。一方、組織の上皮細胞は一様に同じ細胞からなるわけではなく、異なる細胞集団の存在により（ヘテロ性）組織恒常性が維持されるという考えが提唱されるようになってきた。本研究では、「ヘテロ性」の本質と機能維持における意義を明らかにすることを目指す。また、ヒトiPS由来膵臓β細胞にヘテロ性を付与することにより、安定に機能を維持できるように応用展開を目指す。

研究実績の概要

膵臓内分泌β細胞は血糖の恒常性維持において重要な役割を果たしている。糖尿病における膵臓β細胞の機能低下の一つの成因として、脱分化が考えられるようになってきた。脱分化による臓器の機能低下は膵臓β細胞のみならず、他の臓器にも共通して見られた現象であり、その意義と分子機序の解明が急がれる。一方、膵臓β細胞における不均一性 (ヘテロ性) が報告され、その意義が不明である。本研究では、分化・脱分化、ヘテロ性に関与する遺伝子群の作用機序の解明をめざし、将来それを応用したiPS細胞由来膵臓β細胞のヘテロ性付与による機能向上を目指している。
そのため、ヒト膵島のシングルセルRNA シーケンシングによるデータベース上の遺伝子情報との比較により、インスリン分泌を正に制御する因子、負に制御する因子、増殖に関与する因子で、健常者および糖尿病患者における遺伝子発現に差がみられる候補分子について検索した。得られた候補分子について、マウス膵島およびヒトiPS由来膵島における発現を検討した。また、ヘテロ性付与に関与する候補遺伝子としてTH（ドパミン合成酵素）をマウス膵臓β細胞において強制発現を行い、正常膵島細胞にある割合で混ぜることにより、膵島の糖応答性インスリン分泌能に与える影響について評価を行った。その結果、THを強制発現した膵島細胞を一定の割合で含む膵島のほうが、分泌能がやや低下したものの、より長期にわたり糖応答性インスリン分泌能が維持されることを見出した。この結果より、膵臓β細胞へのヘテロ性付与により、膵臓β細胞の機能温存を図ることができると推測された。今後さらに検証を進めたいと考えている。

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] 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] 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
• [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] 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] Generation of functional pancreatic beta cells derived from human induced pluripotent Stem Cell-with physiological cell culture medium (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Y, Shiraki N, Kume S.
  • 学会等名: ISSCR
  • 国際学会
• [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] 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] Generation of induced pluripotent Stem Cell-Derived Beta cells in Blood Amino Acids-Like Medium (2022)
  • 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] 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] 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] 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
• [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
• [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