左心室筋細胞に特異的に分化する心臓前駆細胞の同定

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2023-09-06 国立循環器病研究センター

国立循環器病研究センター(大阪府吹田市、理事長:大津欣也、略称:国循)・分子生理部の渡邉裕介室長(現・心臓再生制御部)、中川修部長(現・病態ゲノム医学部)らの研究グループは、東京大学、京都府立医科大学、立命館大学、国立遺伝学研究所との共同研究により、心臓形成の最も初期において傍心臓領域(注1:juxta-cardiac field)と呼ばれる領域に、左心室筋へと特異的に分化する前駆細胞(注2)が存在することを明らかにしました。本研究成果は米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」に現地時間2023年9月5日に公開されました。

■背景

将来心臓を構成する細胞は胚発生期の心臓前駆細胞から分化していきますが、それら心臓前駆細胞は一次心臓領域(注3)、二次心臓領域(注4)、および傍心臓領域 (注1)と呼ばれる胚内の異なる領域に存在しています。左心室筋は一次心臓領域と傍心臓領域の前駆細胞に由来して形成されます。また、傍心臓領域の前駆細胞は心筋細胞と心外膜細胞の両方に分化する能力があることが示されています。しかし、これまでに左心室筋に特異的に分化する心臓前駆細胞の存在は明確に示されていませんでした。

■研究手法と成果

本研究では、傍心臓領域にこれまで報告されていない、左室心筋に特異的に分化する細胞集団が存在することを突き止めました。最初に、心臓形態形成を制御することで知られる転写因子Hey2(注5)の遺伝子発現を制御する転写調節領域(Hey2エンハンサー)の活性を可視化できる遺伝子組換えマウスの胚を観察したところ、心臓の最初の構造である心原基が形成される際に、未分化な心臓前駆細胞でHey2エンハンサーが活性化することを見出しました。次に、細胞の分化運命を追跡可能な遺伝子組換えマウスを用いて、Hey2エンハンサー活性化細胞が心臓のどの構造に寄与するかを解析したところ、心原基形成初期のHey2エンハンサー活性化細胞は左心室の心筋細胞特異的に分化していくことを見出しました。さらに、心原基形成期の胚を用いて一細胞および組織レベルでの遺伝子発現解析を行ったところ、Hey2エンハンサーは傍心臓領域の心臓前駆細胞で活性化していることを突き止めました。左心室筋および心房筋の前駆細胞では転写因子Tbx5(注6)が発現することが知られていましたが、心原基形成の初期においてHey2エンハンサー活性化細胞はTbx5が発現する領域よりも頭側に存在しており、Hey2エンハンサー活性化細胞とTbx5発現細胞は左心室筋の異なる心筋細胞へと寄与していることが示されました(参考図参照)。以上の解析結果により、心原基形成の初期においてHey2エンハンサー活性によって特徴づけられる左心室筋特異的前駆細胞が傍心臓領域に存在しており、それらはTbx5発現陽性の前駆細胞とは異なる細胞集団であることを明らかにできました。

(参考図)

心原基形成初期において、Hey2エンハンサーはTbx5が発現している領域(緑)よりも頭側に位置する傍心臓領域 (Juxta-cardiac field)の心臓前駆細胞で活性化していた(マゼンタ)。この発生段階におけるHey2エンハンサー活性化細胞はTbx5発現細胞とは異なる系譜で左心室の心筋細胞へ特異的に分化していた。

■今後の課題と展望

今後は、Hey2エンハンサーが活性化している左心室筋前駆細胞とTbx5が発現している左心室筋前駆細胞の違いや、それら左心室筋前駆細胞が発生してくる分子機構の解明を行っていく予定です。本研究および今後の研究により得られる知見は、培養下での左心室筋前駆細胞や左心室筋細胞の効率的な作製に応用できる可能性があり、将来的に再生医療の観点からも発展が期待される研究です。

■注釈

(注1)傍心臓領域 (Juxta-cardiac field):心臓の最初の構造である心原基と胚体外組織の境界に位置する領域であり、心室・房室管の心筋細胞と心外膜細胞へと分化する前駆細胞を含む。

(注2)前駆細胞:成熟機能細胞に分化する前段階の細胞。

(注3)一次心臓領域(First heart field):心原基としての心臓前駆体であり、左心室と心房の一部の心筋細胞と心血管内皮細胞へと分化する前駆細胞を含む。

(注4)二次心臓領域(Second heart field):心原基の内側および原始心筒の背側の領域であり、流出路・右心室と心房の心筋細胞・心内皮細胞・平滑筋細胞へと分化する前駆細胞を含む。

(注5)心臓・血管系に発現する転写因子。心室筋分化や心臓形態形成に重要であることが示されている。

(注6)心臓に発現する転写因子。心臓形態形成に重要であることが示されており、先天性心疾患を生じるHolt-Oram症候群の原因遺伝子でもある。

■発表論文情報

著者:Yusuke Watanabe*, Yunce Wang, Yuki Tanaka, Akiyasu Iwase, Teruhisa Kawamura, Yumiko Saga, Kenta Yashiro, Hiroki Kurihara, Osamu Nakagawa*
* Corresponding authors

題名:Hey2 enhancer activity defines unipotent progenitors for left ventricular cardiomyocytes in juxta-cardiac field of early mouse embryo

掲載誌:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

■謝辞

本研究は、文部科学省・科学研究費(19H03398, 21H02890, 22H02799)、公益財団法人・持田記念医学薬学振興財団、公益財団法人・母子健康協会、公益財団法人・喫煙科学研究財団、国立循環器病研究センター・循環器病研究開発費の研究プロジェクトの一環として実施されました。

【報道機関からの問い合わせ先】

国立循環器病研究センター企画経営部広報企画室

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