ヒトクローン性造血における変異幹細胞の選択的優位性は炎症と老化の反応の減衰と関連する

2024-11-12 Tue
ヒトクローン性造血の変異幹細胞が老化と炎症反応における選択的優位性背景と研究の動機クローン性造血（Clonal Hematopoiesis, CH） は高齢化に関連する血液系の現象であり、造血幹細胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）が特定の体細胞変異を獲得した後に増殖し、ある特定の変異細胞系が個体の血液中で顕著な割合を占めることを指します。近年の研究では、CHが心血管疾患、髄系悪性腫瘍、その他の年齢関連疾患などの多くの悪い健康結果と関連していることが示されています。しかし、変異細胞クローンがどのように体内で競争優位性を獲得し、徐々に拡大するのかはまだ不明です。
現在、CHで最も一般的な遺伝子変異はDNMT3AおよびTET2遺伝子に関連していることが示唆されており、これらの変異は変異細胞に一定の選択的優位性を与え、人体の血液システムで徐々に拡大します。したがって、この研究はDNMT3AとTET2遺伝子変異がCHにおいて果たす役割のメカニズムに焦点を当て、炎症反応および老化環境下でのその分子調節メカニズムを明らかにすることを目指し、CHのクローン選択と拡張を理解するための新たな見解を提供することを意図しています。
研究の出所と発表情報本論文は、オックスフォード大学、ケンブリッジ大学、カナダのトロント大学を含む複数の国際的に著名な研究機関のJakobsen、Turkaljらによって共同で完成され、2024年8月1日に《Cell Stem Cell》誌で発表されました。この研究は高精度の単一細胞遺伝子タイピングとトランスクリプトームシーケンシングによって人間のCHサンプル中のHSCsを解析し、CHの分子メカニズムに新たな洞察を提供しました。
研究デザインと実験の流れ研究対象とサンプル採取この研究では、血液悪性腫瘍の既往歴がなく、股関節置換手術を受けている195人の患者を選び、骨髄サンプルを採取して分析しました。高深度シーケンシングを通じて、57人のCH患者が確認され、そのうち69%がDNMT3AまたはTET2遺伝子変異を保有していることが判明しました。悪性腫瘍がデータに与える影響を排除するために、炎症性関節炎や長期間システム的なステロイドを使用している患者も除外されました。
単一細胞マルチオミクス解析法最適化されたTarget-seq+単細胞シーケンシング方法を採用し、高精度の遺伝子タイピングとトランスクリプトームシーケンシング技術を組み合わせて、CHサンプルと非CH対照サンプルのHSPCs（造血幹細胞および前駆細胞）を分析しました。この技術は、各細胞のトランスクリプトレベルを検出する際に高い感度を持ち、同じ組織内の変異細胞と非変異細胞を区別し、CH変異がHSCsの分子特性に与える影響を深く解析することを可能にしました。
変異幹細胞のクローン拡張解析CH変異幹細胞が造血分化過程でどのように拡張するかを定量化するために、遺伝子型とトランスクリプトームデータに基づくMELDやscCODA解析法を用いました。UMAPを用いた可視化により、変異細胞と野生型（WT）細胞をトランスクリプトーム空間で投影し、DNMT3AおよびTET2変異クローンがさまざまな造血分化段階でどのように分布するかの違いを観察しました。
研究結果DNMT3AおよびTET2変異のHSCsにおけるクローン拡張パターン研究は、DNMT3AおよびTET2変異のHSCsがトランスクリプトーム特性において顕著な差異を示し、それぞれ異なるクローン拡張パターンを持っていることを発見しました：
1. DNMT3A変異クローンは主にHSCおよび早期多能性前駆細胞（Multipotent Progenitors, MPPs）で拡大し、明確な系統偏向は示しませんでした。
2. TET2変異クローンはHSCおよびMPP段階で拡大した後、さらに顆粒球-単球前駆細胞（Granulocyte-Monocyte Progenitors, GMPs）へ拡大し、明確な髄系分化偏向を示しました。
炎症と老化が変異および非変異HSCsに与える影響CH変異および非変異HSCsの遺伝子発現プロファイルを比較することで、変異HSCsの炎症反応および老化関連トランスクリプトプログラムが抑制されていることを発見しました：
- 非CH HSCsと比べて、CHサンプル中の変異HSCsはTNF-αシグナル経路やNF-κBなどの炎症シグナルに対する応答が弱く、炎症性微環境への適応性が増加していることを示しています。
- 対照的に、CH中の非変異HSCsは炎症反応関連遺伝子の発現が顕著に増加しており、炎症環境がこれらの非変異HSCsに不利な影響を与えていることを示しています。
このように変異HSCsが炎症環境で適応的な優位性を持つことは、長期間にわたり競争優位性を得て徐々に拡大する可能性があり、CHクローンの拡大の重要なメカニズムと考えられます。
CHの非細胞自律的効果また、研究はCHサンプル中の非変異HSCsも炎症性微環境の影響を顕著に受け、変異HSCsと似たトランスクリプト特性を示すことを発見しました。これは、CHのクローン拡大が変異細胞の内在的特性によってのみ駆動されるのではなく、微環境要因によっても影響を受けることを示唆しています。この「非細胞自律的」効果は、炎症因子の拡散を通じて周囲の非変異細胞に影響を及ぼし、CHの拡大を助長している可能性があります。
クローン選択における変異HSCsの細胞タイプ特異性HSCsと早期前駆細胞のさらなるサブクラス分けによって、異なるトランスクリプト特性を持つ三つのHSCサブグループが発見されました。そのうち一つのサブグループ（HSC2）は炎症および老化シグナル経路がより活性化されており、より高いTNF-α/NF-κBシグナル活性および老化関連遺伝子の発現を示しています。しかし、TET2変異細胞はこのサブグループでの頻度が低く、これが変異HSCsの炎症シグナル応答の減弱の一因である可能性があります。
結論と意義本研究はDNMT3AおよびTET2変異がCHのクローン選択における分子メカニズムを明らかにし、炎症性微環境に基づくCH拡張モデルを提案しました：変異HSCsは炎症および老化シグナル応答を抑制することで、不利な微環境において競争優位性を得て徐々に拡大します。このメカニズムはCHのクローン拡大の原動力を説明するだけでなく、将来のCH治療に新たな思考を提供しています。すなわち、炎症負荷を減少させるか、変異HSCsの炎症への耐性を低下させることで、CHの進展を抑制することが可能かもしれません。
研究の重要点高精度の単一細胞シーケンシング技術：最適化されたTarget-seq+技術を通じて、CH変異および非変異HSCsの高精度の遺伝子タイピングとトランスクリプトームシーケンシングを実現。
炎症と老化のCHに対する非細胞自律的効果：炎症環境における変異HSCsの選択的優位性と、CHが周囲非変異細胞に及ぼす潜在的な影響を明らかにしました。
TET2変異の髄系分化偏向：TET2変異HSCsの髄系分化における拡張優位性は、CHの系統選択性を理解するための新たな視点を提供します。
CH変異が炎症反応に与える適応性：CH変異は炎症および老化関連のトランスクリプト反応を弱めることにより、変異HSCsに不利な微環境での競争優位性を与えています。
研究の科学的および応用的価値この研究はCH変異HSCsが炎症と老化環境において選択的に拡張する分子的基盤を提供し、CHが多くの年齢関連疾患と関連する理由を説明するのに役立ちます。将来的には、CHと炎症性微環境の相互作用メカニズムをさらに研究することで、CHの介入戦略を開発し、心血管疾患や髄系腫瘍の発生リスクを低下させることができるかもしれません。この発見は、高齢化社会における健康的な老化の実現に向けた新たな理論的支援および潜在的な治療方向を提供します。