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研究活動

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H27年度の業績のトピック
西村班員の毛包の老化に関する研究がScience誌に掲載されました。

 今回、本領域の西村班員のグループは、マウスおよびヒトにおいて加齢によって脱毛・薄毛がおこる仕組みを明らかにしました.我々の体の臓器は加齢によって次第に小さくなり機能も低下します。老化の仕組みについては古くから諸説提唱され、線虫や培養細胞、老化モデルマウスなどを用いた老化研究が盛んに行なわれてきました。しかし、実際に生体内でどのような変化がおこっているのか、細胞運命や細胞動態の詳細は不明でした。西村班員らは、マウスの毛包幹細胞の運命を生体内で長期に渡って追跡し、さらにヒトの頭皮の加齢変化と合わせて解析しました。通常は、毛包幹細胞は自己複製すると同時に、毛をつくる細部を生み出していますが、加齢に伴って表皮の角化細胞へと運命をかえて皮膚表面から落屑する(フケ・垢として脱落していく)ことがわかりました。これによって毛包自体が矮小化(ミニチュア化)するため、生えてくる毛が細くなって失われていくことが明らかになりました。毛包のミニチュア化は、男性型脱毛症に特徴的な変化であると考えられてきましたが、生理的な加齢変化として進行することが分かりました。毛周期ごとに毛包幹細胞が分裂して自己複製すると同時に毛になる細胞を供給しますが、その際に生じたDNAの傷を修復するための反応が加齢に伴って遷延する細胞が現れます。このような毛包幹細胞においては、毛包幹細胞の維持において重要な分子であるXVII型コラーゲンが分解され、これによって毛包幹細胞が幹細胞性を失って表皮角化細胞へと分化するよう運命づけられることをマウスで見出し、ヒトの頭皮の毛包においても同様の現象を確認しました。さらに、マウスの毛包幹細胞においてXVII型コラーゲンの枯渇を抑制すると、一連のダイナミックな加齢変化を抑制できることが分かりました。以上のことから、組織・臓器に“幹細胞を中心とした老化プログラム”が存在することをはじめて明らかにしました。

 本研究成果は、老化の仕組みについて新しい視点を与えると同時に、脱毛症の治療法の開発やその他の加齢関連疾患の治療へと繋がることが期待できるものと考えられます。

Hiroyuki Matsumura, Yasuaki Mohri, Nguyen Thanh Binh, Hironobu Morinaga, Makoto Fukuda, Mayumi Ito, Sotaro Kurata, Jan Hoeijmakers, Emi K. Nishimura. Hair follicle aging is driven by transepidermal elimination of stem cells via COL17A1 proteolysis. Science 351(6273):575-589, 2016

http://science.sciencemag.org/content/351/6273/aad4395.long
宮本班員と菊繁班員らによる白血病幹細胞におけるTIM-3/galectin-9シグナル機構に関する研究がCell Stem Cellに発表されました。

 加齢とともに造血幹細胞(HSC)に獲得、蓄積された遺伝子異常を背景にして、多くのヒト造血器腫瘍が発生すると考えられています。近年では、造血器腫瘍の中に、自己複製能と白血病細胞への限定された分化能力を有する白血病幹細胞(LSC)というものが少数存在し、このLSCが急性骨髄性白血病の本体ともいえる重要な細胞であることが研究の結果明らかになってきました。本領域班員の宮本、連携研究者の菊繁らは、ヒト正常HSCには全く発現せずに、LSCの細胞表面にのみ発現するTIM-3という分子を世界に先駆けて同定し、有用な治療標的になりうることを以前報告しました。しかしながら、TIM-3のLSCにおける機能は全く分かっていませんでした、今回私たちは、このTIM-3のLSCにおける機能について研究を進め、LSCがTIM-3のリガンドであるgalectin-9を自分自身で分泌し、LSCあるいは白血病細胞の発現するTIM-3に作用させるというユニークなautocrine機構を有していることを明らかにしました。さらに、このTIM-3/galectin-9シグナルは、癌幹細胞における自己複製能強化に重要なNF-κBとβ-cateninの共活性化を生じることを見出し、このTIM-3/galectin-9シグナルは急性骨髄性白血病のみならず、ヒト骨髄系腫瘍全般において、病期進展過程においてLSCが自己複製能を強化し、正常HSCとの生存競争に打ち勝つメカニズムとして利用している可能性を見出しました。本研究結果から、TIM-3のLSCにおける機能を明らかにすることができ、さらにTIM-3/galectin-9シグナルを阻害することで、ヒト骨髄系腫瘍の病期進展を抑制することができる可能性も示唆され、私たちは今後も治療につなげることができるよう研究を進めていく予定です。

Kikushige Y., Miyamoto T., Yuda J., Tabrizi S.-J., Shima T., Takayanagi S., Niiro H., Yurino A., Miyawaki K., Takenaka K., Iwasaki H. & *Akashi K. (2015) A TIM-3/Gal-9 autocrine stimulatory loop drives self-renewal of human myeloid leukemia stem cells and leukemic progression,
Cell Stem Cell 17, 3 341-52, 2015 (*corresponding author)

http://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(15)00310-0
大谷班員と原領域アドバイザーらによるp16INK4aとKlothoに着目した個体老化の研究がNature Communicationsに発表されました。

 哺乳動物細胞において、サイクリン依存性キナーゼインヒビターであるp16INK4aは発がん防御機構としての不可逆的な細胞周期停止「細胞老化」を誘導する重要な因子である。生体内では加齢に伴って、p16INK4aの発現上昇により細胞老化を起こし、機能不全に陥った老化幹細胞や老化前駆細胞が様々な臓器で増加するようになることが示されている。この加齢に伴うp16INK4aの発現上昇による幹細胞老化が示唆されて以降、体内における老化細胞の蓄積と個体の老化が密接に関係している可能性が考えられるようになった。逆に、生体内組織におけるp16INK4aの発現を抑制すれば、各組織における組織幹細胞老化が抑制され、その組織の機能を長期に渡って維持でき、結果として個体を延命できるのではないかと考えられる。しかしながら、細胞老化誘導因子であるp16INK4aは、同時に重要ながん抑制因子でもあるため、p16INK4aノックアウトマウス(p16-/-mice)は十分に老化し、本来の寿命を全うする前にがんを発症し死亡してしまう。そのため、これまでp16INK4aが真に個体老化と延命に関与するかどうかは不明なままであった。

 そこで本研究では、抗老化因子であるαKlothoの発現を著しく低下させたhypomorphic mutantで平均寿命が12週程度という短命の早老症モデルklothoマウス(Klkl/klmice)を用い、p16INK4aの欠失よる個体老化と寿命への影響を検討した。p16INK4aをノックアウトしたklothoマウス(p16-/-Klkl/klmice)を作成したところ、その老化表現型と寿命はKlkl/klmiceに比べ、著しく回復、延長した。解析の結果、驚くべきことに、この表現型の回復は、もともと著しく低下していたαKlotho遺伝子発現が、16INK4aの欠失によって回復したことに起因することが判った。一方、αKlothoの発現を完全にノックアウトしたマウス(Kl-/-mice)を用いて同様の検討を行ったところ、p16INK4aの除去は老化表現型と寿命に何の影響を与えなかった。生体においてαKlothoを最も発現している腎臓の尿細管細胞を用いて、in vitroで、p16INK4aのノックダウン、あるいは過剰発現を行ったところ、ヒトとマウス両方の尿細管細胞においてp16INK4aαKlothoの発現には逆相関関係が認められた。また、ヒトの腎臓検体でも、加齢に伴ってp16INK4aの発現上昇が認められる一方で、αKlotho発現は低下する傾向が認められた。これらの結果はp16INK4aが、αKlothoの上流に位置する制御因子である可能性を強く示唆している。 

 更にαKlotho遺伝子のプロモーター領域の解析を進めたところ、ヒトとマウス両方において、転写因子E2Fファミリーの結合部位が存在していた。クロマチン免疫沈降アッセイやプロモーターアッセイの結果、p16INK4aはE2Fの転写活性を抑制することでαKlotho発現を制御していることが判明した。E2F1E2F3の両方をノックアウトしたマウス(E2F1-/ E2F3-/-mice)は非常に短命であることが報告されており、その表現型にはklothoマウスと類似する点が多い。そこでE2F1-/ E2F3-/-miceにおけるαKlothoの発現を検討したところ、同週齢の野生型マウスに比較してαKlothoの発現は有意に減少していた。

 以上の結果から、がん抑制遺伝子産物p16INK4aは、転写因子E2Fを介して抗老化遺伝子αKlothoの発現を抑制的に制御するという、新たな分子メカニズムが考えられた。細胞老化誘導因子として知られるp16INK4aが、個体老化抑制因子であるαKlothoの発現に直接的に関与しているという本研究成果は、今後の抗老化医学の発展に新たな可能性をもたらすものと考えられる。

Seidai Sato, Yuka Kawamata, Akiko Takahashi, Yoshinori Imai, Aki Hanyu, Atsushi Okuma, Masaki Takasugi, Kimi Yamakoshi, Hiroyuki Sorimachi, Saburo Sone, Yasuhiko Nishioka, Naoko Ohtani* and Eiji Hara* (*co-corresponding author). Reversing the ageing phenotypes of klotho mice by ablating the p16INK4a tumour suppressor. 
Nature Communications  6:7035. doi: 10.1038/ncomms8035, 2015

http://www.nature.com/ncomms/2015/150429/ncomms8035/full/ncomms8035.html
田久保班員の感染ストレスと造血微小環境に関する研究がCell Reports誌に掲載されました。

私たちの体の中の幹細胞は、感染症などの様々なストレスに曝露されながら徐々に加齢していくと考えられています。感染症に対して速やかに末梢の免疫細胞を増加させることは、生体防御に必須です。その際、骨髄や脾臓といった造血組織による免疫細胞の産生が重要な役割を果たします。骨髄の造血幹・前駆細胞(HSPC)は免疫細胞を含む全ての造血細胞を作り出すことから、感染応答においても重要な役割を果たすと考えられていますが、病原体によるHSPCの制御機構は十分に明らかになっていません。今回、本領域計画班員の田久保班員らは、波江野班員らとともに共同して環状ジヌクレオチドであるbis-(3′-5′)-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP)という細菌特異的な分子がアダプター分子STINGを介して造血幹・前駆細胞全体の増殖および骨髄外への遊走を促す一方、最も未分化な長期造血幹細胞の数および骨髄再構築能を低下させることを明らかにしました。一方、造血幹細胞にはニッチと呼ばれる幹細胞をサポートする環境が必要であると考えられています。田久保班員らはc-di-GMPは造血幹細胞ニッチに対して作用し骨髄の間葉系幹細胞の細胞数およびKitリガンド、CXCL12などのニッチ因子の発現を低下させることも明らかにしました。すなわち、c-di-GMPが骨髄ニッチにおける造血幹・前駆細胞の新たな制御因子であることが明らかになりました。今回の研究で造血幹・前駆細胞に備わる外来微生物のセンサー分子の一端が解明されました。STING経路を操作することで、細菌感染などで白血球産生が十分でない状態でない患者さんの感染症治療のサポートにつながる可能性があります。

Kobayashi H, Kobayashi CI, Nakamura-Ishizu A, Karigane D, Haeno H, Yamamoto KN, Sato T, Ohteki T, Hayakawa Y, Barber GN, Kurokawa M, *Suda T, *Takubo K.
Cell Reports 11:71-84, 2015 (*corresponding author)

http://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(15)00258-2