Bachプログラム失調としての造血幹細胞老化の理解とその治療戦略への展開

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H04021
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 五十嵐 和彦 東北大学, 医学系研究科, 教授 (00250738)
• 研究分担者: 張替 秀郎 東北大学, 医学系研究科, 教授 (50302146)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 造血幹細胞 / 老化 / 転写因子 / 遺伝子発現 / 骨髄異形成症候群

研究実績の概要

造血幹細胞の老化過程を解析し、高齢発症の様々な疾患を予防/改善する治療戦略の基盤作りを目的とする。老化に伴う造血幹細胞の表現型変化とBach因子の機能を解明する。その為に、申請者ら独自に作成したBach1/Bach2二重欠損マウス、及び研究協力者から分与済みのKuOマウス (蛍光マウス; Kusabira-Orangeで全身の細胞が標識され、本マウスから分取した造血幹細胞を移植する事で、赤血球や血小板を含めた全てのドナー造血細胞を追跡可能) などを用いた各種解析の準備を進めた。
Bach1とBach2遺伝子の二重変異マウス（B1B2 DKO）の解析を進め、同マウスの骨髄幹細胞は赤血球やリンパ球への分化不全など、骨髄異形成症候群様の異常を示すことを確定した。さらに、骨髄異形成症候群患者検体の解析から、病勢の進行とともに造血幹細胞におけるBACH2の発現が低下することを見いだした。ヒト骨髄異形成症候群の伴う貧血や免疫不全にはBACH2の機能障害が関わることが考えられた。これらをまとめて英文論文として発表した。さらに、幹細胞分化の転写制御ネットワークについて文献考察も含めて総説論文をまとめた。
B1B2 DKOではTリンパ球の異常活性化によると思われるサイトカインストーム様の状態が生じることを見いだした。これも造血幹細胞の異常に寄与することは否定できない。そこで細胞外在性要因の影響を除いて検討していくために、B1B2 DKOマウスとRAG2ノックアウトマウスを交配し、サイトカインストームを来さないマウスを作出した。造血幹細胞自体の変化を長期にわたって追跡する為、KuO蛍光マウスとBach1とBach2遺伝子の二重変異マウス（B1B2 DKO）の交配を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

骨髄異形成症候群は急性骨髄性白血病などの前駆疾患であり特に高齢者で発症する。その発症にはゲノムの変異が深く関わることが報告されているが、なぜ造血幹細胞の分化障害が生じるのか、については理解が進んでいない。今回の研究から、BACH2の発現低下が骨髄異形成症候群の病態形成に関わることが示されたと考えている。また、造血幹細胞の赤血球やリンパ球への分化には、BACH2やBACH1による骨髄球（単球、マクロファージ、顆粒球など）で働く遺伝子の抑制が重要であることも示すことができた。これは、長年提唱されてきたものの分子的基盤が薄弱であった「ミエロイド基軸説」を転写因子とその標的遺伝子からなるネットワーク（GENE REGULATORY NETWORK, GRN）から説明するものである。すなわち、BACH因子群がミエロイド分化を抑制することで赤血球やリンパ球への分化が進むと考えられる。昨年末、ホヤの造血系遺伝子制御の論文が報告されたが、ホヤでは赤血球やリンパ球はなく、ミエロイド系細胞と幹細胞からなることが示された。このような脊索動物の造血系にBACHのようなミエロイド系抑制転写因子が追加されたことで、多様な造血細胞の形成が可能になったことが想像される。高齢者の造血ではミエロイド優位になることは、分化制御系の乱調によると考えるこの計画は、進化学的にも興味深いものになりつつあると考える。

今後の研究の推進方策

1）液性免疫応答の加齢変化におけるBach2の関与
加齢マウスにおいてBリンパ球の抗原応答性が変化することが最近報告された。抗体クラススイッチや体細胞突然変異が低下し、液性免疫の機能が低下する。一方、代表者らはBach2が抗体クラススイッチにも体細胞突然変異にもほぼ必須であることを既に報告している。本年度の計画の中で、加齢マウスに現れるBリンパ球集団（加齢関連Bリンパ球）を解析したところ、Bach2の発現が有意に低下していることを見いだした。この知見をさらに確定する。
2）造血幹細胞加齢におけるBach1およびBach2の関与
本年度の研究から、Bach1およびBach2の二重変異マウスでは貧血が生じること、この貧血は造血幹細胞・前駆細胞の分化方向が赤血球からミエロイド細胞（マクロファージや顆粒球などの自然免疫系細胞）へと偏向することによることを見いだした。さらに、炎症や感染症に伴うサイトカインに応答してBach1およびBach2 の発現が低下し、貧血が生じることを見いだした。貧血や上に述べた獲得免疫の低下は、加齢に伴う造血系変化の主徴とされていることから、Bach1およびBach2の変化が加齢変化の原因となることが予想される。しかし、Bach1およびBach2の二重変異マウスでは獲得免疫系異常に由来するサイトカインストームが生じること、それにより短命となることを見いだしており、同マウスを加齢研究に用いることには限界もある。そこで本年度に、Bach1/Bach2/Rag2の三重欠損マウスを作成し、同マウスではサイトカインストームによると思われる様々な症状が消失し、二重変異マウスよりも全身状態は改善することを確認した。そこでこの三重欠損マウスを用いて、造血幹細胞・前駆細胞に加齢に類似する異常か、などを骨髄移植なども組み合わせて検討する。

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts General Hospital/フロリダ州立大学医学部(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Massachusetts General Hospital/フロリダ州立大学医学部
• [国際共同研究] Jawaharlal Nehru Center for ASR(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Jawaharlal Nehru Center for ASR
• [国際共同研究] パヴィア大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: パヴィア大学
• [国際共同研究] ハノーファー大学医学部(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ハノーファー大学医学部
• [雑誌論文] Biophysical characterization of heme binding to the intrinsically disordered region of Bach1. (2019)
  • 著者名/発表者名: Segawa, K., Watanabe-Matsui, M., Tsuda, K., Matsui, T., Shirouzu, M., Igarashi, K. and Murayama, K.
  • 雑誌名: The European Biophysics Journal 巻: 48 ページ: 361-369
  • DOI: 10.1007/s00249-019-01364-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Heme Binding to the Intrinsically Disordered C-Terminal Region of Bach1, a Transcriptional Repressor. (2019)
  • 著者名/発表者名: Segawa, K., Watanabe-Matsui, M., Matsui, T., Igarashi, K. and Murayama, K.
  • 雑誌名: The Tohoku Journal of Experimental Medicine 巻: 247 ページ: 153-159
  • DOI: 10.1620/tjem.247.153.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Infection perturbs Bach2- and Bach1-dependent erythroid lineage ‘choice’ to cause anemia. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato, H., Itoh-Nakadai, A., Matsumoto, M., Ishii, Y., Watanabe-Matsui, M., Ikeda, M., Ebina-Shibuya, R., Sato, Y., Kobayashi, M., Nishizawa, H., Suzuki, K., Muto, A., Fujiwara, T., Nannya, Y., Malcovati, L., Cazzola, M., Ogawa, S., Harigae, H. and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Nature Immunology 巻: 19 ページ: 1059-1070
  • DOI: 10.1038/s41590-018-0202-3.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transcription Factor IRF8 Governs Enhancer Landscape Dynamics in Mononuclear Phagocyte Progenitors. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurotaki, D., Nakabayashi, J., Nishiyama, A., Sasaki, H., Kawase, W., Kaneko, N., Ochiai, K., Igarashi, K., Ozato, K., Suzuki, Y. and Tamura, T.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 22 ページ: 2628-2641
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.02.048.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Zinc finger-IRF composite elements bound by Ikaros/IRF4 complexes function as gene repression in plasma cell. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ochiai, K., Kondo, H., Okamura, Y., Shima, H., Kurokochi, Y., Kimura, K., Funayama, R., Nagashima, T., Nakayama, K., Yui, K., Kinoshita, K. and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Blood Advances 巻: 2 ページ: 883-894
  • DOI: 10.1182/bloodadvances.2017010413.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Endogenous Purification of NR4A2 (Nurr1) Identified Poly(ADP-Ribose) Polymerase 1 as a Prime Coregulator in Human Adrenocortical H295R Cells. (2018)
  • 著者名/発表者名: Noro, E., Yokoyama, A., Kobayashi, M., Shimada, H., Suzuki, S., Hosokawa, M., Takehara, T., Parvin, R., Shima, H., Igarashi, K. and Sugawara A.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 19 ページ: 1406
  • DOI: 10.3390/ijms19051406.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bach2 Promotes B Cell Receptor-Induced Proliferation of B Lymphocytes and Represses Cyclin-Dependent Kinase Inhibitors. (2018)
  • 著者名/発表者名: Miura, Y., Morooka, M., Sax, N., Roychoudhuri, R., Itoh-Nakadai, A., Brydun, A., Funayama, R., Nakayama, K., Satomi, S., Matsumoto, M., Igarashi, K. and Muto, A.
  • 雑誌名: The Journal of Immunology 巻: 200 ページ: 2882-2893
  • DOI: 10.4049/jimmunol.1601863.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phosphorylation of BACH1 switches its function from transcription factor to mitotic chromosome regulator and promotes its interaction with HMMR. (2018)
  • 著者名/発表者名: Li, J., Shima, H., Nishizawa, H., Ikeda, M., Brydun, A., Matsumoto, M., Kato, H., Saiki, Y., Liu, L., Watanabe-Matsui, M., Iemura, K., Tanaka, K., Shiraki, T. and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Biochemical Journal 巻: 475 ページ: 981-1002
  • DOI: 10.1042/BCJ20170520.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] O-GlcNAcylation Signal Mediates Proteasome Inhibitor Resistance in Cancer Cells by Stabilizing NRF1. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekine, H., Okazaki, K., Kato, K., Alam, M.M., Shima, H., Katsuoka, F., Tsujita, T., Suzuki, N., Kobayashi, A., Igarashi, K., Yamamoto, M. and Motohashi, H.
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Biology 巻: 38 ページ: e00252-18
  • DOI: 10.1128/MCB.00252-18.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of a novel enhancer/chromatin opening element associated with high-level g-globin gene expression. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shen, Y., Bassett, M.L., Gurumurthy, A., Nar, R., Knudson, I. J., Guy, C. R., Perez, A., Mellen, R. W., Ikeda, M., Hossain, M. A., Huang, S., Igarashi, K. and Bungert, J.
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Biology 巻: In press ページ: In press
  • DOI: 10.1128/MCB.00197-18.
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Gene regulatory network for hematopoietic stem and progenitor differentiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Igarashi K, Kato H, Harigae H.
  • 学会等名: International Symposium on Epigenome
  • 招待講演
• [学会発表] RNA methylation as a crossroad of metabolism and epigenetics. (2018)
  • 著者名/発表者名: Igarashi K, Shima H.
  • 学会等名: Indo-Japan Conference on Epigenetics and Human Disease.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] エピゲノム-代謝クロストークによる細胞応答の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐和彦
  • 学会等名: 第54回インスリン研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 形質細胞分化におけるヘムシグナルと天然変性タンパク質 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松井（渡部）美紀、角屋駿、島弘季、武藤哲彦、松本光代、白水美香子、村山和隆、五十嵐和彦
  • 学会等名: 第91回日本生化学学会
• [学会発表] TBK1による転写抑制因子Bach2の調節機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角屋駿、松井（渡部）美紀、武藤哲彦、島弘季、松本光代、五十嵐和彦
  • 学会等名: 第91回日本生化学学会
• [学会発表] 造血幹細胞分化を制御する転写因子ネットワークとその病態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐和彦
  • 学会等名: 広島腫瘍セミナー2018
  • 招待講演
• [学会発表] Influence of Bach2 expression levels on activated-B cell fate decision (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiko Muto, Nicolas Sax, Shuto Fushimi, Mitsuyo Matsumoto, Kazuhiko Igarashi
  • 学会等名: 第47回日本免疫学会学術集会
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科生物化学分野ホームページ
  • URL: http://www.biochem.med.tohoku.ac.jp