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腎臓オルガノイドを用いた細胞成熟度多様性の理解と制御

研究代表者 
髙里 実
(国立研究開発法人)理化学研究所 生命機能科学研究センター
https://www.bdr.riken.jp/jp/research/labs/takasato-m/index.html

これまでの研究概要と新学術での研究計画

iPS細胞の分化誘導系は、臓器発生をin vitroで再現するものである。我々はこれまで、ヒトiPS細胞から腎臓を分化誘導する研究を行ってきた(Nature cell biology 2014)。我々の分化誘導系では、特定の前駆細胞を純化して誘導する手法を採用せず、敢えて前後軸方向に幅のある中間中胚葉細胞群を誘導し、成長因子を除いて細胞の自己組織化を促進することで、多様な種類の細胞を内包する腎臓オルガノイドの作製に成功している(Nature 2015)。これにより、作製した腎臓オルガノイドは、腎臓の全ての細胞種(糸球体、尿細管、集合管、血管、間質)を備えているうえに、それらが3次元的に正しく配置され、ネフロンと呼ばれる腎臓の構造が再現されている。つまり、このヒト腎臓オルガノイド作製系では、ダイバーシティを持った腎臓前駆細胞群が相互作用することで、より本物に近い3次元の腎臓組織が構築されているということを示している。さらに、この腎臓オルガノイドを1細胞レベルに解離し、single-cell RNA-seq解析を行ったところ、腎臓オルガノイドを構成する細胞は細胞種類のダイバーシティを持つだけでなく、成熟速度にもダイバーシティを持つことが分かった(模式図)。


本研究計画では、「ヒトiPS細胞から腎臓オルガノイドを誘導する分化系」と「1細胞トランスクリプトーム技術」を組み合わせた実験手法により、腎臓細胞の成熟速度の不均一性が生じる原理を調べる。これを通して、ヒト腎臓発生過程の成熟速度決定メカニズムの解明を目指す。具体的には、ヒト腎臓オルガノイド形成過程の複数時点で細胞を回収し1細胞トランスクリプトーム解析を行う。解析にはt-SNE法(t-distributed stochastic neighbor embedding)(高次元のマトリックスデータを低次元に圧縮し写像する手法)を用い、腎臓細胞の成熟速度を可視化する。これによって、腎臓が成熟する過程で、どのようなシグナル経路や遺伝子発現がどのタイミングで増減すると成熟速度に影響が出るのかを調査し、成熟速度決定に関わる因子を同定する。

参考文献

  1. *Little, M.H., Takasato, M., Soo, J.Y.-C., and Forbes, T.A. (2017). Recapitulating Development to Generate Kidney Organoid Cultures. In Organ Regeneration Based on Developmental Biology, (Singapore: Springer Singapore), pp193–222.
  2. *Takasato, M., and Little, M.H. (2017). Making a Kidney Organoid Using the Directed Differentiation of Human Pluripotent Stem Cells. Methods Mol. Biol. 1597, pp195–206.
  3. *Takasato, M., and Little, M.H. (2016). A strategy for generating kidney organoids: recapitulating the development in human pluripotent stem cells. Developmental Biology 42, pp210-220.
  4. *Little, M.H., Combes, A., Takasato, M. (2016). Understanding kidney morphogenesis to guide regeneration of kidney tissue. Nature Reviews Nephrology 12, pp642-635.
  5. *Takasato, M., Er, P.X., Chiu, H.S., and Little, M.H. (2016). Generation of kidney organoids from human pluripotent stem cells. Nature Protocols 11, pp1681–1692.
  6. *Takasato, M., Er, P.X., Chiu, H.S., Maier, B., Baillie, G.J., Ferguson, C., Parton, R.G., Wolvetang, E.J., Roost, M.S., Chuva de Sousa Lopes, S.M., et al. (2015). Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis. Nature 526, pp564–568. 表紙に採用
  7. Takasato, M., and *Little, M.H. (2015). The origin of the mammalian kidney: implications for recreating the kidney in vitro. Development 142, pp1937–1947.
  8. Takasato, M., Vanslambrouck, J.M., and *Little, M.H. (2014). Reprogramming somatic cells to a kidney fate. Semin. Nephrol. 34, 462–480.
  9. Takasato, M., Maier, B., and *Little, M.H. (2014). Recreating kidney progenitors from pluripotent cells. Pediatr. Nephrol. 29, 543–552.
  10. Takasato, M., Er, P.X., Becroft, M., Vanslambrouck, J.M., Stanley, E.G., Elefanty, A.G., and *Little, M.H. (2014). Directing human embryonic stem cell differentiation towards a renal lineage generates a self-organizing kidney. Nature Cell Biology 16, 118–126. 表紙に採用

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