ヒト胎児肝臓における終末赤血球造血の総合的特徴と全トランスクリプトーム解析

背景と問題

赤血球造血（Erythropoiesis）は赤血球を生産するプロセスです。最初は卵黄嚢で「原始」赤血球造血が起こり、徐々に胎児肝臓（Fetal Liver, FL）と出生後の骨髄（Bone Marrow, BM）での「終末」赤血球造血に置き換わります。ヒトの胎児発達において、FLは重要な赤血球造血器官ですが、現在のところヒトFLの赤血球造血についての理解は非常に限られています。本研究の目的は、ヒト胎児肝臓の終末赤血球造血を総合的特徴と全トランスクリプトーム解析によって調査し、赤血球造血過程における遺伝子発現パターンを探り、さらに培養システムが遺伝子発現に与える影響を理解することです。

研究の出典

本研究はYongshuai Han、Shihui Wang、Yaomei Wang、Yumin Huang、Chengjie Gao、Xinhua Guo、Lixiang Chen、Huizhi Zhao、およびXiuli Anらの学者によって共同で完成されました。この研究に関与した機関には、中国鄭州大学生命科学学院、ニューヨーク血液センター膜生物学研究室、鄭州大学人民病院血液科、鄭州大学附属腫瘍病院血液科、および鄭州大学第一附属病院血液科が含まれます。本論文は2023年8月30日に発表され、Genomics, Proteomics & Bioinformatics誌に掲載されました。

研究の詳細なプロセス

1. 実験対象と方法：
   • 主な実験対象：ヒト胎児肝臓細胞。
   • 赤血球分離とRNAシーケンシング：表面マーカーを用いて異なる発達段階の原発性赤血球を分離し、RNAシーケンシング（RNA-seq）によって遺伝子発現を分析。
   • 培養システムにおける赤血球造血：FL CD34+細胞を体外培養し、RNA-seqを通じて原発性と培養システムの赤血球トランスクリプトームを比較。
   • 不死化赤血球系の確立：FLと臍帯血（CB）CD34+細胞から赤血球細胞系を不死化し、表現型検査とトランスクリプトーム解析を実施。
2. ヒト胎児肝臓赤血球の分離：
   • 三相赤血球培養システムを採用し、グリコフォリンA、バンド3、α4インテグリンを表面マーカーとするフローサイトメトリー分離法を開発し、各発達段階の赤血球集団の分離に成功。
3. RNAシーケンシング解析と遺伝子発現パターン：
   • 分離したFL赤血球の全トランスクリプトーム解析を行い、原赤芽球から正赤血球段階にかけて遺伝子発現が徐々に減少し、変化が顕著であることを発見。
   • クラスター分析と遺伝子オントロジー（Gene Ontology, GO）エンリッチメント分析により、タンパク質分解とオートファジーなどのプロセスで発現が増加する遺伝子を特定し、これらの経路が赤血球の脱核に重要な役割を果たすことを示唆。
4. 体外培養システムの特徴とその最適化：
   • FL CD34+細胞を三相培養システムで培養し、15日間で細胞数が著しく増加することを観察。
   • 発現特性分析により、FL体外培養赤血球造血パターンがCB赤血球造血により近いことを発見し、同時に脱核能力が比較的低いことを確認。
5. 不死化赤血球系の確立と分析：
   • HPV-E6/E7システムを通じてFLとCB CD34+細胞を不死化し、FL-iERYとCB-iERY細胞系を得た。表現型分析とRNA-seqにより、細胞の不死化が主に前赤芽球段階で起こることを示した。
   • 不死化赤血球系は終末赤血球分化を行うことができるが、脱核能力が低いことが分かった。異なる赤血球系の脱核能力を比較するトランスクリプトームデータは、脱核能力を持たない赤血球では染色体組織とミトコンドリアオートファジー関連遺伝子の発現レベルが著しく低下していることを示した。
6. 結果分析と重要な発見：
   • 体外培養の赤血球と原発性赤血球を比較すると、脂質代謝関連遺伝子の発現が上昇しており、培養システムが赤血球のエネルギー需要を高めていることを示唆。
   • 不死化赤血球系は終末赤血球造血研究において重要な研究価値を持つ。差次的に発現するヘモグロビンとその調節因子の分析は、不死化赤血球系がα型ヘモグロビン転換研究に潜在的な応用があることを示した。

結果と結論

本研究は、総合的なトランスクリプトーム解析を通じて、ヒト胎児肝臓の赤血球造血の新たなメカニズムを明らかにしました。体外培養と比較して、原発性赤血球は赤血球造血過程でより多くの遺伝子発現の違いを示しました。赤血球分離と二細胞フローサイトメトリーソート技術により、本研究は赤血球造血の異なる発達段階における遺伝子発現を区別することができ、それによって終末赤血球造血の重要な生物学的経路を明らかにしました。

確立された不死化赤血球細胞系は、終末赤血球造血の研究、特にヘモグロビン転換などの分野で重要な応用潜在力を持っています。異なる由来の赤血球の赤血球脱核における遺伝子発現を比較することで、染色体組織とミトコンドリアオートファジー関連遺伝子発現調節の欠陥が、赤血球が脱核できない主要なメカニズムであることが分かりました。

研究の価値とハイライト

本研究のハイライトには、ヒト胎児肝臓の赤血球造血過程における重要な遺伝子発現パターンの提案、培養システムが赤血球造血に与える影響の証明、そして初めて胎児肝臓由来の不死化赤血球細胞系の確立が含まれ、これらは終末赤血球造血過程のさらなる研究のための重要なツールを提供しました。不死化赤血球の脱核能力が低いメカニズムを明らかにすることで、本研究は改善方法の方向性を提案しました。これらの発見は、赤血球造血過程における分子メカニズムの理解に重要な洞察を提供し、同時に将来の細胞および遺伝子治療研究の基礎を築きました。

結語

本研究は、ヒト胎児肝臓と培養システムにおける赤血球造血の異なる特性を総合し、不死化赤血球細胞系を確立することで、胎児肝臓の赤血球造血のさらなる研究のための貴重なリソースを提供しました。RNA-seqデータと確立された細胞系は、将来の赤血球造血研究と治療法開発のための重要な基盤を提供するでしょう。