非分裂細胞である心筋細胞のDNA損傷と老化による心不全発症機序の解明と応用

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H05045
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小室 一成 東京大学, 医学部附属病院, 教授 (30260483)
• 研究分担者: 油谷 浩幸 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任研究員 (10202657) ; 中西 真 東京大学, 医科学研究所, 教授 (40217774)
• 研究期間 (年度): 2021-07-05 – 2026-03-31
• キーワード: 心不全 / DNA損傷 / 老化 / シングルセル解析 / 臨床応用

研究実績の概要

本研究は、我々が構築してきたin vivo網羅的遺伝子機能解析システム、細胞・時期特異的な老化誘導システム・老化細胞可視化システム、時空間的シングルセル解析技術、マルチオミックス解析の技術を応用して、（１）心筋細胞においてDNA損傷が生じる機序、（２）DNA損傷・p53シグナルが心筋細胞機能を破綻させる機序、（３）老化・不全化心筋が心不全を誘導する機序と心筋リプログラミングによる健常化の機序、（４）心不全患者における老化・不全化心筋の病的意義、について我々が独自に開発してきた網羅的in vivo遺伝子機能解析・細胞特異的老化誘導・少数細胞エピゲノム解析・時空間的シングルセル解析を駆使して解明するものである。
Step 1. 心筋細胞でDNA損傷が生じる機序の解明：CRISPR/Cas9とシングルセルRNA-seq解析を統合して我々が構築してきたin vivo Perturb-seqシステムを用いて、心筋細胞でDNA損傷が生じる機序を網羅的に解明する。
Step 2. DNA損傷・p53シグナルが心筋細胞機能を破綻させる機序の解明：シングルセルRNA-seqおよびエピゲノム解析により老化によるエピゲノム変化を捉える。さらに、超解像顕微鏡を用いて老化で生じる核内エピゲノム挙動の変化を理解する。
Step 3. 老化・不全化心筋が心不全を誘導する機序と心筋健常化リプログラミング機序の解明：圧負荷心不全・心筋梗塞後心不全・p53誘導性老化に加えて、老齢マウスモデルを用いて、老化心筋がいかに周囲の細胞や微小環境に影響を与えているかを時空間的に解明する。
Step 4. 心不全患者における老化・不全化心筋の病的意義の解明：心筋DNA損傷の発生機序・老化心筋の誘導機序・老化心筋による心不全発症機序がヒト心不全患者において認められるかを、マルチオミックス解析によって検証する。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究開始から当初の計画以上の成果が得られており、2022年度には複数の論文成果が期待されるため。

今後の研究の推進方策

Step 1. 心筋細胞でDNA損傷が生じる機序の解明：計画通りの手法によってDNA損傷に関連する遺伝子を網羅的に同定し、シングルセルRNA-seqにより分子機序を解析する。in vivo Perturb-seqをヒトiPS心筋細胞でも確立して、心筋細胞でDNA損傷が生じる機序の解析をヒトiPS由来心筋細胞においても同時に解析して、マウスで得られた知見と比較検討していく。
Step 2. DNA損傷・p53シグナルが心筋細胞機能を破綻させる機序の解明：DNA損傷修復・エピゲノム・転写制御の関係性を明らかにする。また我々は、心筋細胞だけでなく内皮細胞や免疫細胞の老化も見出すことに成功している。心筋細胞だけでなく、これらの内皮細胞や免疫細胞における細胞老化がどのように臓器の構築や機能に影響するかを詳細に理解していく。
Step 3. 老化・不全化心筋が心不全を誘導する機序と心筋健常化リプログラミング機序の解明：心筋健常化リプログラミングにおけるエピゲノム変化を詳細に理解することを目指す。そして、これが心筋細胞の細胞内構造にいかに寄与しているかについて構造生物学的な解析を進める。さらに、空間的シングルセル解析技術を高めることで、老化・不全化心筋と周囲の細胞との関係性の詳細な理解を深める。
Step 4. 心不全患者における老化・不全化心筋の病的意義の解明：シングルセル解析の大規模化を進め、空間的シングルセル解析によって個々の心不全病態を層別化するような空間的バイオマーカーの同定を試みる。さらにゲノム解析と組み合わせることによって、遺伝要因がいかに環境要因とオーバーラップすることによって老化・不全化心筋が生じるかの分子機序の解明に迫る。

研究成果

• [雑誌論文] Functional Evaluation of Human Bioengineered Cardiac Tissue Using iPS Cells Derived from a Patient with Lamin Variant Dilated Cardiomyopathy (2022)
  • 著者名/発表者名: Miura Koichiro、Matsuura Katsuhisa、Yamasaki Itoyama Yu、Sasaki Daisuke、Takada Takuma、Furutani Yoshiyuki、Hayama Emiko、Ito Masamichi、Nomura Seitaro、Morita Hiroyuki、Toyoda Masashi、Umezawa Akihiro、Onoue Kenji、Saito Yoshihiko、Aburatani Hiroyuki、Nakanishi Toshio、Hagiwara Nobuhisa、Komuro Issei、Shimizu Tatsuya
  • 雑誌名: International Heart Journal 巻: 63 ページ: 338～346
  • DOI: 10.1536/ihj.21-790
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent Progress in Cardiovascular Research Involving Single-Cell Omics Approaches (2021)
  • 著者名/発表者名: Dai Zhehao、Nomura Seitaro
  • 雑誌名: Frontiers in Cardiovascular Medicine 巻: 8 ページ: 783398
  • DOI: 10.3389/fcvm.2021.783398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent Findings Related to Cardiomyopathy and Genetics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Takanobu、Nomura Seitaro
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 ページ: 12522～12522
  • DOI: 10.3390/ijms222212522
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Cell Analysis Revealed the Role of CD8+ Effector T Cells in Preventing Cardioprotective Macrophage Differentiation in the Early Phase of Heart Failure (2021)
  • 著者名/発表者名: Komai Kyoko、Ito Minako、Nomura Seitaro、Shichino Shigeyuki、Katoh Manami、Yamada Shintaro、Ko Toshiyuki、Iizuka-Koga Mana、Nakatsukasa Hiroko、Yoshimura Akihiko
  • 雑誌名: Frontiers in Immunology 巻: 12 ページ: 763647
  • DOI: 10.3389/fimmu.2021.763647
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-Dimensional Visualization of Hypoxia-Induced Pulmonary Vascular Remodeling in Mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara T, Takeda N, Hara H, Ishii S, Numata G, Tokiwa H, Maemura S, Suzuki T, Takiguchi H, Kubota Y, Seo K, Sakata A, Nomura S, Hatano M, Ueda K, Harada M, Toko H, Takimoto E, Akazawa H, Nishimura S, Komuro I.
  • 雑誌名: Circulation 巻: 144 ページ: 1452～1455
  • DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.121.056219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New Vision, Mission, and Values of the Japanese Circulation Society (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishida Mari、Matsumoto Chisa、Kida Keisuke、Fukuda Memori、Kagiyama Nobuyuki、Kusunose Kenya、Matsumoto Shingo、Nomura Seitaro、Okumura Takahiro、Shiono Yasutsugu、Taniguchi Tatsunori、Mizuno Atsushi、Kishi Takuya、Node Koichi、Komuro Issei、Hirata Ken-ichi、Directors of the Japanese Circulation Society
  • 雑誌名: Circulation Journal 巻: 85 ページ: 2248～2251
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-21-0822
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Cardiomyocyte RNA Sequencing to Dissect the Molecular Pathophysiology of the Heart (2021)
  • 著者名/発表者名: Katoh Manami、Nomura Seitaro、Yamada Shintaro、Aburatani Hiroyuki、Komuro Issei
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 2320 ページ: 183～192
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1484-6_18
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Activation of Sympathetic Signaling in Macrophages Blocks Systemic Inflammation and Protects against Renal Ischemia-Reperfusion Injury (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa S, Inoue T, Nakamura Y, Fukaya D, Uni R, Wu CH, Fujii R, Peerapanyasut W, Taguchi A, Kohro T, Yamada S, Katagiri M, Ko T, Nomura S, Nakanishi Ozeki A, Susaki EA, Ueda HR, Akimitsu N, Wada Y, Komuro I, Nangaku M, Inagi R.
  • 雑誌名: Journal of the American Society of Nephrology 巻: 32 ページ: 1599～1615
  • DOI: 10.1681/ASN.2020121723
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of single-cell mechanisms for disease progression in hypertrophic remodelling by a trans-omics approach (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamano Momoko、Nomura Seitaro、Iida Midori、Komuro Issei、Yamanishi Yoshihiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 8112
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86821-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Multiomics analysis to develop precision medicine in heart failure (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 日本循環器学会
  • 招待講演
• [学会発表] 心筋梗塞の心臓リモデリングを制御する空間的なメカノセンシング機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 日本循環器学会
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Mechanisms of Heart Failure (2021)
  • 著者名/発表者名: Seitaro Nomura
  • 学会等名: Asian Pacific Society of Cardiology Congress (APSC2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 拡張型心筋症の発症機序 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 日本循環器学会
  • 招待講演
• [学会発表] 循環器疾患システム構造の理解を目指した統合的シングルセル解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 第25回日本心血管内分泌代謝学会学術総会若手主宰シンポジウム「心血管内分泌研究の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Integrated single-cell analysis to understand the system architecture of cardiovascular disease (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 心不全における心筋細胞の分子生物学的考察と臨床応用（心不全のシステム循環器学） (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎
  • 学会等名: 第69回日本心臓病学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] DNA damage leading to heart failure (2021)
  • 著者名/発表者名: Seitaro Nomura
  • 学会等名: European Society of Cardiology
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 循環器疾患最新の治療2022-2023 (2022)
  • 著者名/発表者名: 野村征太郎・小室一成
  • 総ページ数: 520
  • 出版者: 南江堂
  • ISBN: 9784524229956
• [産業財産権] 心筋梗塞・心不全の治療標的としての心保護因子Htra3の同定 (2021)
  • 発明者名: 野村征太郎、候聡志、油谷浩幸、小室一成
  • 権利者名: 国立大学法人東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: No. 63/292,079
  • 外国