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造血幹細胞が維持する細胞ダイバーシティの数理科学的解析

研究代表者 
岩見 真吾
九州大学 大学院理学研究院 生物科学部門 数理生物学研究室・准教授
http://bio-math10.biology.kyushu-u.ac.jp/

これまでの研究概要と新学術での研究計画

造血幹細胞は、様々な階層の細胞群を作り出し、その細胞ダイバーシティがあたかも1つのロバストなシステムとしてふるまうことで、生涯にわたって血液細胞を産生し維持する。現在まで、造血組織を構成する細胞やその階層性は分子生物学的な手法を駆使して詳細に調べられており、血液細胞産生の各分化段階で発現する遺伝子が明らかにされてきた。また、近年の遺伝子発現解析を用いた研究では、造血幹細胞集団の中での加齢に伴う遺伝子発現の変化を測定し、分化様式の変容を予想する研究も行われている。さらに、造血幹細胞ニッチが血液細胞産生を制御しているという研究結果も多く発表されている。しかし、造血幹細胞はヘテロな集団で、それぞれの造血幹細胞の能力は非常に異なるが、これまで生体内における白血球系への分化能力のみが評価されてきた。私は、数理科学と実験科学の融合的なアプローチを用いて、最近発表された骨髄球産生を行うバイパスを含んだ分化モデルを定式化し、様々な造血幹細胞1細胞移植実験データからパラメータの推定に取り組んでいく。具体的には、造血幹細胞分化経路の定量的解明およびその老化現象の理解を目的として、造血幹細胞が織り成す、赤血球・血小板への分化能力も含んだ細胞ダイバーシティに着目した、
A) 加齢を考慮した造血幹細胞分化の数理モデル構築
B) 造血幹細胞移植実験データの解析と細胞機能の定量化・分化経路の解明
C) 血液細胞産生のコンピュータシミュレーション構築
に取り組んでいく。そして、A)B)C)を有機的に結びつけることで細胞ダイバーシティが織り成すロバストなシステムの特性を定量的に理解する。また、ロバスト性に対するバイパス経路の意義を明確にするために、若齢および高齢マウス造血幹細胞の1細胞移植後に出血・感染などのストレスを与え、システムがどの様に変容し、修復されるのかを実験⇔理論的に解析していく。
本研究により、造血幹細胞の赤血球・血小板も含めた分化能力を同時に評価し、造血幹細胞のダイバーシティを1細胞レベルで詳細に分析できる(真の細胞ダイバーシティ)。造血幹細胞が維持する細胞ダイバーシティの役割をシステムとして理解することに着目し、そのロバスト性が各種疾患の発症をどのようにコントロールしているのかを明らかにする(図)。得られた知見は、他の臓器での恒常性の維持にも応用でき、多くの細胞ダイバーシティ研究において基礎的な知見を与える。

参考文献

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