ポリコーム抑制性複合体(PRC)はヒストン修飾を介して遺伝子発現を制御する因子であり、Pcgfファミリー(Pcgf1-6)を含むPRC1とEzh1/2を含むPRC2の２種類に大きく分けられる。PRC1はH2AK119ub1、PRC2はH3K27me3修飾をそれぞれ担い、ES細胞や組織幹細胞での機能解析が精力的に行なわれている。造血幹細胞においては、PcgfファミリーとしてPcgf4/Bmi1を含むPRC1.4 (canonical PRC1) が自己複製能の維持とB細胞分化の抑制を介した多分化能の維持に重要であることが明らかにされているが、Pcgf1/3/5/6を含むnon-canonical PRC1 (PRC1.1/1.3/1.5/1.6) に関してはこれまで詳細な解析は行われてこなかった。
そこで我々はPcgf1の造血特異的コンディショナルノックアウトマウスを用いて、造血細胞におけるPRC1.1の機能解析を試みた。Pcgf1欠損造血幹細胞は、自己複製能は保たれているものの、B細胞への分化能が減弱し骨髄球への分化能が増強していることが明らかになった。網羅的解析において、Pcgf1欠損造血幹・前駆細胞では骨髄球分化のマスター制御因子であるCebpaのH2AK119ub1修飾レベルの低下を伴う発現亢進が観察され、さらにはその標的遺伝子群の発現も上昇していることが明らかになった。これらの結果は、Pcgf1が骨髄球分化の抑制因子として機能することで造血幹・前駆細胞の多分化能・未分化性の維持を制御していることを示している。このPcgf1の機能はPcgf4/Bmi1では代償できないことから、造血幹細胞制御においてnon-canonical PRC1がcanonical PRC1とは異なる機能を有することが確認された。感染、炎症などに伴うemergency myelopoiesisにおけるPRC1.1の機能についても合わせて報告したい。

Hematopoietic stem cells (HSCs) are maintained in specific niches whose identities have been the subject of intense studies. Conditional g ociated with arterioles (Nestin-GFPHI NG2+) compared to those that are broadly distributed (Nestin-GFPLO Lepr+) in the bone marrow. The arteriole-associated niche promotes HSC quiescence in that the depletion of NG2+ stromal cells shifts HSCs away from arterioles and increases HSC proliferation. Megakaryocytes (MK), which are broadly distributed in the bone marrow, also promote HSC quiescence via CXCL4 (also called PF4) secretion. Recent studies using mice expressing GFP under the von Willebrand factor (vWF) promoter that marks platelet and myeloid-biased HSCs, have revealed a significant association of vWF+ HSCs with MK. In addition, genetic depletion of peri-arterial stromal cells or MKs suggests that these two niches selectively regulate vWF- and vWF+ HSCs, respectively. Thus, lineage-biased HSC subsets are not randomly distributed in the bone marrow but regulated by distinct niches. It is notable that nerves from the sympathetic nervous system (SNS) associate almost exclusively with arterioles. SNS nerves control the circadian expression of CXCL12, leading to oscillations in the release of HSCs from the bone marrow. Our recent studies show that arteriole endothelial cells also express much higher levels of niche factors (SCF, CXCL12 and others) than sinusoidal endothelial cells. Selective deletion of SCF in arteriole endothelial cells (AEC) or sinusoid endothelial cells (SEC) reveals that HSC numbers are reduced when SCF is deleted in AEC, but not in SECs, further supporting the arteriole niche concept. During aging, the circadian oscillation of HSC is disrupted and the bone marrow undergoes dramatic changes, including the loss of arteriolar structures, and increased numbers of mesenchymal stem cells with reduced function. In addition, SNS nerves degenerate with aging. We will present data indicating that the aging-associated nerve degeneration contributes to the aging manifestations of the HSC niche, including disrupted circadian HSC migration, lineage bias, and reduced repopulating capacity. We will also discuss a novel approach to revitalize HSC niche ex vivo using genetic reprogramming.

抗原特異的な受容体を発現し獲得免疫で働くT細胞、B細胞に対し、抗原受容体を持たず自然免疫で働くリンパ球をInnate lymphoid cells (ILC)と呼ぶことが定着してきた。3つのサブセットに分類されるILCの中でもILC2は、寄生虫感染やアレルギー性疾患で発現するIL-25やIL-33によって活性化し、IL-5やIL-13などの2型サイトカインを産生することで寄生虫感染に対して急速な防御反応を示し、一方でアレルギー症状を悪化させる原因細胞となることが明らかになっている。ILC2は当初周囲環境のサイトカインによって活性化すると考えられてきたが、近年ILC2がサイトカインだけでなく脂質や神経ペプチドによっても活性化することが明らかになったことから、多様な2型免疫疾患においてILC2の病態形成への関わりが注目されている。本講演では、ILC2関する基礎的な話から、疾患への関わり、最新の知見までわかりやすく紹介する。

Establishing clinical genomics within routine medical practice has been challenging over the last several decades. A major barrier has been access to genetic testing due to the high cost and inconsistent availability of appropriate tests across clinical specialties. This problem was further compounded by insufficient understanding of genotype–phenotype correlations and genomic variation among populations worldwide, the availability of only non-scalable and expensive technologies, and critically, underappreciation of the clinical utility of genomic information. With the tremendous growth in medical knowledge and the revolution in sequencing technology that has brought faster and far less expensive sequencing within our reach, we have now reached a point at which we are successfully breaking through these barriers to make clinical genomics more accessible and substantively impactful. In this talk, I will describe recent trends that are firmly establishing clinical genomics as a fundamental field of medicine that will benefit all clinical specialties and countless individual lives with the potential to influence healthcare worldwide.

Human brain folding has been implicated in neurodevelopmental disorders and yet its origins remain unknown. Here, we report the appearance of surface folds during the in vitro development and self-organization of human brain organoids in a micro-fabricated compartment that supports in situ imaging over a timescale of weeks. We observe the emergence of convolutions at a critical cell density and maximal nuclear strain, which are indicative of a mechanical instability. We identify two opposing forces contributing to differential growth: cytoskeletal contraction at the organoid core and cell-cycle-dependent nuclear expansion at the organoid perimeter. The wrinkling wavelength exhibits linear scaling with tissue thickness, consistent with balanced bending and stretching energies. Lissencephalic (smooth brain) organoids display reduced convolutions, modified scaling and a reduced elastic modulus. Although the mechanism here does not include the neuronal migration seen in in vivo, it models the physics of the folding brain remarkably well. Our on-chip approach offers a means for studying the emergent properties of organoid development, with implications for the embryonic human brain.

ワクチンといえば予防接種、小児科や感染症の専門領域、という認識は既に過去のものになりつつある。ワクチンは既に医薬品開発において温故知新のモダリティーとして知られ、将来はがんやアレルギー、各種免疫「関連」疾患に対する先制医療の一翼を担うと考えられている。過去２０年にわたる自然免疫、樹状細胞に関する基礎研究成果が、感染症のみならず、生活習慣病やがん、アレルギーなどの発症メカニズムの解明や、ワクチン、免疫療法などの臨床応用研究へ広がりを見せているためである。
基礎免疫研究分野でも新たな潮流の変化が見られている。病原体の認識機構の研究で勃興した自然免疫の領域では、宿主細胞自体の感染などのストレス、ダメージ、細胞死によって放出される宿主成分が、病原体に対する免疫反応やワクチンのアジュバントの作用機序の一端を担っていることが明らかになりつつある。
本セミナーでは新規のワクチン、アジュバントの開発研究の成果、安全性の研究にも通じるトランスクリプトーム解析によるアジュバントデータベース、細胞死による核内サイトカイン、細胞外核酸の免疫学的意義に関する我々の研究室の新たな知見を発表したい。
http://www.nibiohn.go.jp/adjuvant/index.html

B cells thwart antigenic aggressions by secreting immunoglobulin M (IgM), IgG, IgA and IgE. The function of a fifth antibody, IgD, remains enigmatic. By integrating mouse with human studies, we found that a fraction of B cells generated IgD-secreting plasma cells following exposure to soluble food, airborne or skin antigens. Secreted IgD targeted basophils after interacting with galectin-9, a galactose-binding lectin that recognized the proteoglycan CD44. When engaged by antigen, basophil-bound IgD induced secretion of interleukin-4 (IL-4), IL-5 and IL-13, which facilitated T follicular helper type-2 (TH2)-mediated IgG and IgE responses to IgD-targeted antigens. In addition, basophil-bound IgD elicited cytoskeleton changes that attenuated degranulation upon basophil exposure to antigens dually recognized by IgE and IgD. Thus, IgD may link B cells with basophils to optimize TH2 immune surveillance against common environmental antigens.

環境中の微生物はそのほとんどが難培養性であるため、培養や微生物単離を経ずにDNAを直接調べるメタゲノム解析が用いられてきた。しかしながら、メタゲノム解析は、多量の遺伝子断片情報から微生物叢の全体組成を明らかにし特定の遺伝子配列を探索することができるが、断片化した遺伝子情報から微生物個々のゲノムを再構築し「どの微生物がどの遺伝子を保有していたのか」を理解することは困難であった。
　個々のゲノム情報を単一細胞レベルで詳細に解読する「シングルセルゲノム解析」は、この課題を解決するカギとなるアプローチである。その実現には技術的な課題として、次世代シークエンサーで解析するに足りる増幅DNAの確保、特にどれだけ純度の高いDNAを調整するかがポイントとなる。具体的には、細胞分取の精度、ゲノムDNA抽出時のロス、増幅時に生じるバイアス、コンタミネーションなどが解析結果に非常に大きな影響を与える。本講演では、これらの課題を解決するためのマイクロ流体デバイスにより調整したドロップレットを用いたシングルセルゲノム解析法を紹介する。本法は、高速・ハイスループットで解析が可能であり、さらに情報解析を駆使することで土壌細菌・マウス腸内細菌等から新規微生物のドラフトゲノム情報を数多く得ることが可能となることを示している。さらに、同一種の未培養細菌において、特定遺伝子にSNPが蓄積していることを観測できることも確認している。
このように１細胞のゲノムを効率的に解析するだけでなく、その細胞内に含まれている有用物質のスクリーニング技術の開発も行っている。特に、ゲノム解析の前に、その細菌が有用菌であるかどうかを非破壊的に解析する方法として、顕微ラマン分光法の活用を進めている。現在、顕微ラマン顕微鏡とマイクロドロップレット法を用いた、新たなシングルセル解析プラットフォームを構築中であり、様々な細菌のポテンシャルを最大限活用する新たな研究分野の展開を進めている。

造血幹細胞は、加齢に伴い幹細胞活性の減弱や骨髄球系への分化の偏りなど様々な変化を示すとともに、骨髄異形成症候群 (MDS)などの骨髄球系腫瘍の温床となる。近年、高齢者においてDNMT3A, TET2, ASXL1など多くのエピジェネティック制御遺伝子の変異が報告されており、これらの変異が加齢造血幹細胞のエピゲノム異常を増強し、クローンの増殖優位性を担保することで、造血器腫瘍の発症に至ると考えられている。
　Ezh2 は、H3K27me3修飾による転写抑制を仲介するポリコーム群複合体2 (PRC2) の主要な構成因子である。これまでに我々は、高齢者のMDSにおいて変異の頻度が高いEZH2と、DNAのヒドロキシメチル化及び脱メチル化を仲介するTET2 について、コンパウンドマウス (Tet2KD/KDEzh2fl/fl) の系を確立し、コンパウンドマウスが早期にMDS様の疾患を発症すると共に、PRC2標的遺伝子のCpG IslandにおいてDNAメチル化が亢進することを明らかにした。また最近、我々は若齢及び老齢マウスの造血幹・前駆細胞を用いた解析により、加齢に伴いPRC2の機能が減弱していることを確認した。本セミナーでは、造血幹細胞の機能に関する私のこれまでの研究結果と共に、上記の内容について紹介したい。

キメラ抗原受容体(Chimeric antigen receptor, CAR)は腫瘍特異抗原に対する単鎖抗体とT-cell receptor (TCR)のシグナルドメインとを融合させた人工的なTCRであり、このCAR をT細胞上に発現させることによりMajor histocompatibility complex (MHC)に依存しない腫瘍特異的細胞障害性T細胞を大量に作製することが可能となる。血液がんに対しては、CAR-T細胞療法の有効性が証明され2017年に抗CD19 CAR-T細胞療法がFDA承認され、脳腫瘍を含むその他の悪性疾患に対してもその可能性が期待されている。我々はすでに膠芽腫関連抗原のEGFRvIIIやpodoplanin(PDPN)を認識するキメラ抗原受容体遺伝子改変T細胞を構築し、動物モデルでの有効性、そして、免疫モデュレーターとの併用によってその効果を増強することを種々公表してきた。これをもとに、米国ではヒト化を行い、臨床治験も開始されている。PDPNは頭頚部、食道、肺、子宮頚 部の扁平上皮癌、精巣セミノーマ、悪性中皮腫など多くの癌腫に発現しており、星細胞系腫瘍 においては、悪性度に応じて発現が上昇する。しかしPDPNは腎細胞や正常リンパ管内皮などの正常細胞にも発現しているため、正常細胞が攻撃されることが懸念される。そこで我々はグリオーマ細胞で異常に糖鎖修飾されたPDPNをイムノーゲンとして作成された癌特異的モノクローナル抗体Cancer-specific mAb (CasMab)であるLpMab-2を利用したCAR遺伝子を人工合成し(Lp2-CAR)し、Lentiviral vectorによりT細胞に遺伝子導入した(Lp2-CAR-T-cell)。Lp2-CAR-T-cell の抗腫瘍効果を当施設で樹立したグリオーマ幹細胞株を用いて検証した。Lp2-CAR-T-cellはPDPN発現グリオーマに対して特異的に細胞障害性を認めた。また、このLp2-CAR-T-cellは正常PDPN発現細胞に対する細胞傷害性を示さず、PDPNが発現している癌細胞のみに効果を示す癌特異的CAR-T-cellである。この腫瘍特異性をその他の脳腫瘍においても応用できると考えられる。