Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

心不全 / シングルセル解析 / 不均一性 / シングルセル生物学 / 心筋細胞不均一性 / シングルセルRNA-seq解析 / 時空間的遺伝子発現 / シングルセルRNA-seq / イメージング / バイオインフォマティクス / 精密医療 / 心筋細胞 / 遺伝子発現 / イメージング解析 / 分子心臓病学 / 循環器内科学

心不全は心臓のメカニカルストレス応答機構の破綻により発症するが、個々の心筋の応答不均一性について明らかでない。我々は、シングルセルRNA-seq・1分子RNA ISH・遺伝子改変技術・分子病理解析を統合して、マウス圧負荷心不全モデル・ヒト心不全患者の心筋細胞の不均一性を解析した。その結果、圧負荷で誘導される肥大型心筋は代償型・不全型心筋に分岐し、不全型心筋は心臓の中間層に多いことがわかった。また不全型心筋の誘導にはDNA損傷・p53シグナルの活性化が必要であり、心筋DNA損傷の程度により心不全患者の治療応答性が規定されていることを実証した。これらは、心不全の精密医療に繋がる基盤的成果と言える。

本研究により、心臓細胞のシングルセルレベルの遺伝子発現を空間情報と連結して解析する手法が開発され、心筋細胞のDNA損傷・p53シグナルの病的意義を解明するという学術的に大きな成果が得られた。また、メカニカルストレスの結果として心筋細胞に生じる心筋DNA損傷を定量評価することで、心不全患者の「治療応答性の事前予測」を可能にするという社会的にも待望されてきた心不全層別化手法を確立した。本手法は、臨床現場にて日常的に診断目的で採取する心臓生検組織の検体を有効利用するため患者への追加侵襲が存在しないという大きな利点を有しており、精密医療を心不全臨床において実践する上での基盤的技術となると考えられる。

コンピュータ・シミュレーション / 心筋細胞 / 発生過程 / 遺伝子発現 / 数理モデル / システム生物学 / シミュレーション / E-Cell / 発生 / 遺伝的アルゴリズム

複雑な多細胞生物は、さまざまな遺伝子発現パターンによって、ひとつのゲノム情報から多彩な機能を持つ細胞を発生・分化させている。近年、生物個体を構成する空間的・時間的な発現パターンのプロファイルが大量に獲得されているが、それぞれの発現パターンの機能的意義は必ずしも明らかではない。本研究では、心筋細胞の発生過程の連続的なモデリングに取り組んだ。すでに構築していた胎生初期、胎生後期、新生仔期、成体の4段階のモデルを結ぶ中間部分のモデル化を試みた。その過程で、より妥当な発生経路を同定するために、心筋細胞がおかれている環境 (外的拘束)だけでなく、遺伝子発現量を決定する発現調節システム(内的拘束)についても考慮することが有用であるとの洞察を得た。真核生物に特徴的な発現調節システムによって、実現可能なデザインは大きな制約を受けていると思われる。内的拘束に基づいて心筋細胞が存在可能な状態空間を限定し、その上で外的拘束に基づき現実に心筋細胞が発生過程とともに推移する状態の軌跡を同定することを試み、内的拘束の数理モデルを構築した。こうした試みは、さまざまな生命システムのデザインが、どの程度の必然性をもって成立しているかを探る上で有用となるものである。心筋細胞の発生過程という時間に沿った変化のモデル化と平行し、空間に沿った変化のモデル化にも取り込んだ。対象には空間的な発現パターンの不均質性を持つ肝小葉のアンモニア代謝を選択し、髪歯類の肝臓に見られる部位特異的な遺伝子発現調節が、アンモニア代謝のエネルギー効率向上に寄与している可能性を示した。今後、これらの探究を展開することにより、各対象についての個別の理解を得るとともに、遺伝子発現パターンの多様性によって構成される高次生命現象が持つ共通の特徴の抽出を試みる。

甲状腺ホルモン / 心筋細胞 / 心肥大 / p38 MAPキナーゼ / 甲状腺ホルモンレセプター / 胎児型遺伝子発現 / アデノウィルス / ラット / 心不全 / 遺伝子発現

主として、培養心筋細胞におけるアデノウィルスを用いたTRの過剰発現系において検討した。TRβ_1の過剰発現により心筋細胞の肥大は抑制されたが、p38MAPKのリン酸化抑制を伴っており、このp38のリン酸化抑制はTRβ_1とp38αの相互作用によることも観察された。しかし、TRβ_1の過剰発現はT_3に特徴的な成体型遺伝子発現すなわちαMHCやSERCAの増加、βMHCの減少を伴った。TRβ_1の過剰発現により、内在性のTRβ_1の発現も誘導された。さらに、TRβに特異的なagonistであるGC-1の作用を培養心筋細胞において検討した。GC-1はT_3に比べて肥大の誘導は弱かったが、しかしほぼ同程度に成体型遺伝子発現すなわちαMHCやSERCAの増加、βMHCの減少を誘導した。GC-1については共同研究者のJohn Baxterの研究室から最近、成体においてT_3と比べて頻脈の誘導が弱いが、肝臓においてはcholesterol 7alpha-hydroxylaseがTRβ_1特異的に調節されており脂質代謝にはT_3と同程度の作用があることが報告されている。この事実は心不全治療において頻脈の発生を比較的少なくして成体型遺伝子発現を誘導できる可能性をTRβ特異的agonistが有するものと考えられる。一方、TRα_1の過剰発現により、著明な心筋細胞肥大が誘導され、胎児型遺伝子発現を伴った。この病的肥大類似の作用はp38経路の活性化によるものと考えられ、TRα_1とp38の上流に存在するTAK1との相互作用に起因すると考えられた。このように甲状腺ホルモンシグナリングは心筋細胞においてdual pathwayを有し、α_1による肥大とβ_1による成体型遺伝子発現亢進とがバランスした状態を誘導すると考えられる。

【研究分担者】
野村征太郎	東京大学	医学部附属病院	特任助教	(Kakenデータベース)
波多野将	東京大学	医学部附属病院	特任准教授	(Kakenデータベース)
東口治弘	東京大学	医学部附属病院	特任准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
八尾厚史	東京大学	医学部附属病院	助手	(Kakenデータベース)
高橋利之	東京大学	医学部附属病院	助手	(Kakenデータベース)