腸管上皮幹細胞における加齢に伴うエピゲノム変化に着目した老化の分子機構の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K13051
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 齋藤 義正 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 准教授 (90360114)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 老化 / エピゲノム変化 / オルガノイド培養 / 腸管上皮幹細胞 / ステムセルエイジング

研究実績の概要

オルガノイド培養法は、Lgr5陽性の幹細胞を含む組織構造体（オルガノイド）をin vitroで培養・維持する画期的な技術であり、生体内の細胞と極めて類似性の高いin vitroでの研究を可能にした。本研究では、このオルガノイド培養技術により、腸管上皮由来の若い幹細胞と老化した幹細胞を培養・維持し、網羅的な遺伝子発現やエピゲノム変化などを検討することでステムセルエイジングの解明を試みた。
若齢マウスと比較して、老齢マウスでは、腸管上皮オルガノイド樹立の成功率が有意に低下しており、老齢腸管上皮由来オルガノイドでは、腸管陰窩構造の形成能力が低下していた。マイクロアレイにより網羅的な遺伝子発現解析を行ったところ、幹細胞マーカーであるLgr5の発現が老齢腸管上皮由来オルガノイドで有意に低下していた。また、p16やp21などの老化関連遺伝子の発現が老齢腸管上皮由来オルガノイドにおいて有意に上昇していた。
次に、加齢に伴うエピゲノム変化について解析を行ったところ、p21のプロモーター領域のDNAメチル化レベルが老齢腸管上皮由来オルガノイドにおいて有意に低下していた。また、Lgr5のプロモーター領域における遺伝子発現抑制系のヒストン修飾であるヒストンH3リジン27トリメチル化（H3K27me3）が老齢腸管上皮由来オルガノイドにおいて有意に亢進していた。
以上の結果より、老化したマウスの腸管上皮由来オルガノイドでは、組織構築能力が低下しており、幹細胞の増殖能も低下していることが示唆された。これらの一連の変化はDNAメチル化やヒストン修飾などのエピゲノム変化が重要な役割を果たしていると考えられた。若い幹細胞においてはエピゲノム状態はほぼ均一に保たれているが、加齢に伴い自己複製を繰り返すことでエピゲノム変化が蓄積し、最終的には幹細胞の枯渇に伴う組織の機能不全や増殖異常につながることが考えられた。

研究成果

• [国際共同研究] Medical University of Vienna(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Medical University of Vienna
• [雑誌論文] Bile acid metabolism regulated by the gut microbiota promotes non-alcoholic steatohepatitis-associated hepatocellular carcinoma in mice. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamada S, Takashina Y, Watanabe M, Nagamine R, Saito Y, Kamada N, Saito H.
  • 雑誌名: Oncotarget 巻: 9 ページ: 9925-9939
  • DOI: 10.18632/oncotarget.24066
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Induction of differentiation of intrahepatic cholangiocarcinoma cells to functional hepatocytes using an organoid culture system. (2018)
  • 著者名/発表者名: Saito Y, Nakaoka T, Muramatsu T, Ojima H, Sukeda A, Sugiyama Y, Uchida R, Furukawa R, Kitahara A, Sato T, Kanai Y, Saito H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 2821
  • DOI: 10.1038/s41598-018-21121-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gut microbiota-mediated generation of saturated fatty acids elicits inflammation in the liver in murine high-fat diet-induced steatohepatitis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamada S, Kamada N, Amiya T, Nakamoto N, Nakaoka T, Kimura M, Saito Y, Ejima C, Kanai T, Saito H.
  • 雑誌名: BMC Gastroenterology 巻: 17 ページ: 136
  • DOI: 10.1186/s12876-017-0689-3.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Aberrant DNA Methylation as a Biomarker and a Therapeutic Target of Cholangiocarcinoma. (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakaoka T, Saito Y, Saito H.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Science 巻: 18 ページ: E1111
  • DOI: 10.3390/ijms18061111
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cluster microRNAs miR-194 and miR-215 suppress the tumorigenicity of intestinal tumor organoids. (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakaoka T, Saito Y, Shimamoto Y, Muramatsu T, Kimura M, Kanai Y, Saito H.
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 108 ページ: 678-684
  • DOI: 10.1111/cas.13165
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Intrahepatic cholangiocarcinoma cells can be converted into functional hepatocytes by inhibition of Wnt signaling pathway. (2017)
  • 著者名/発表者名: Saito Y, Nakaoka T, Muramatsu T, Kimura M, Saito H.
  • 学会等名: American Association for Cancer Research (AACR) Annual Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 腸管上皮オルガノイドにおけるエピゲノム変化に着目したステムセルエイジングの解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 義正、内田 諒英、村松 俊英、木村 真規、齋藤 英胤
  • 学会等名: 第17回日本抗加齢医学会総会
• [学会発表] オルガノイド培養技術による難治性がんのin vitroモデルの構築と創薬研究への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 義正
  • 学会等名: 第77回分析化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 胆管がんオルガノイドにおける糖欠乏下での幹細胞性の増強 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉川 直、齋藤 義正、齋藤 英胤
  • 学会等名: 第76回日本癌学会学術総会
• [備考] Keio Research Highlights
  • URL: https://research-highlights.keio.ac.jp/article/99/ancient-antiviral-response-could-help-treat-cancer
• [備考] がん幹細胞におけるエピゲノム異常を標的とした革新的な創薬研究
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=QgmysbH_6_A&t