アセチル-CoA代謝がヒト胎盤栄養膜幹細胞の同調化のためのヒストンアセチル化を維持

2024-11-12 Tue
アセチルCoA代謝がヒト胎盤栄養芽層幹細胞の同調化維持における役割研究の背景と目的胎盤は妊娠期間中に母体と胎児の間の重要な代謝的橋梁として機能し、その正常な機能は胎児と母体の健康にとって極めて重要です。胎盤は栄養芽層幹細胞（human trophoblast stem cells, HTSCs）が分化し、多核細胞の同調化した栄養芽層細胞（syncytiotrophoblasts, STBs）を形成することで、母胎間の物質交換を実現します。以前の研究で、代謝経路、特にグルコース代謝が幹細胞の運命と分化の調整において重要な役割を果たすことが示唆されていますが、具体的な代謝メカニズムはまだ完全には理解されていません。本研究はこの背景を基に、アセチルCoA（Acetyl-CoA）代謝がHTSCの分化と同調化過程においてヒストンアセチル化を維持する役割を探り、胎盤栄養芽層細胞の代謝プログラミングが母胎の栄養バランスの調整メカニズムにどのように寄与しているかを明らかにすることを目的としています。
論文の出典本稿の著者には、中国科学院動物研究所、干細胞と再生医学研究所、北京干細胞再生医学研究所からのXin Yu、Hao Wu、Jiali Suらが含まれています。論文は2024年9月5日に《Cell Stem Cell》に掲載され、Elsevierによって出版されました。
研究の流れ実験デザインと研究の流れこの研究では、初期のヒト胎盤サンプルと体外で培養されたHTSCsを使用しました。研究は以下の段階に分けられます：
代謝状態の分析：ヒト胎盤の第一妊娠期におけるCTBs（細胞栄養芽層前駆細胞）とSTBsを用いて単細胞RNAシーケンシングを行い、グルコース代謝の重要な酵素の発現変化を分析しました。HTSCsとCTBsは同調化過程で高活性の解糖状態から徐々に基礎レベルに低下することが判明しました。
タンパク質と代謝物の分析：免疫蛍光と免疫組織化学技術を用いて、CTBsとSTBsにおける解糖酵素とクエン酸回路酵素の発現レベルを検出しました。結果として、CTBs中の解糖酵素（例えばヘキソキナーゼ2、ホスホフルクトキナーゼなど）がSTBsよりも顕著に高いことが示されました。同時に、質量分析技術を用いて解糖関連代謝物のレベルを分析し、CTBs中の活発な糖代謝状態とSTBsにおける脂肪酸代謝の向上をさらに検証しました。
代謝阻害実験：基礎解糖がHTSC同調化に与える影響を研究するため、研究では2-デオキシ-D-グルコース（2-DG）とオキサミドを用いて解糖の重要なステップを阻害し、その結果をHTSC同調化マーカー遺伝子の発現に観察しました。結果として、HTSC分化時に維持される基礎解糖レベルが同調化に不可欠であり、任意の阻害が同調化マーカー遺伝子の発現を顕著に低下させることを示しました。
酢酸補充実験：酢酸を補充してHTSC細胞内のアセチルCoAレベルを回復させることで、酢酸は解糖抑制による同調化障害を顕著に改善し、同調化関連遺伝子の発現レベルを回復させることが判明しました。ヒストンアセチル化データと組み合わせて研究は、アセチルCoAがヒストンH3とH4のアセチル化プロセスで重要な調整作用を持つことを確認しました。
RNAシーケンシング分析：RNAシーケンシングの結果は、解糖抑制がHTSC同調化遺伝子の発現を阻害し、同時に炎症反応と代謝ストレスを引き起こすことを示しました。酢酸の補充はこれらの異常遺伝子発現を顕著に逆転させました。
ヒストンアセチル化分析：Cut&Tag技術を用いて、著者は解糖から由来するアセチルCoAが特定のヒストン位置のアセチル化（例えばH3K9/18/27とH4K16）を維持していることを発見し、これらのアセチル化位置が同調化関連遺伝子プロモーター領域の調整に重要であることを示しました。
体内検証：HTSCの異種移植モデルを用いて、一時的な解糖欠陥がHTSCの分化潜力を永久的に変更し、炎症反応を増加させ、酢酸の一時的な補充によって逆転可能であることをさらに検証しました。
新しい方法と革新点本研究は体外モデルで13Cグルコース同位体標識法を導入して、HTSC分化過程におけるグルコース代謝の動的変化を定量化しました。代謝プロテオミクス、トランスクリプトミクス、およびヒストンアセチル化修飾分析を組み合わせて、HTSC分化におけるアセチルCoAの重要な制御メカニズムを明らかにしました。同時に、体内異種移植モデルを用いて、HTSC代謝欠陥が胎盤発育に与える長期的な影響を初めて検証しました。
研究結果グルコース代謝がHTSC分化に与える役割：CTBsとHTSCは同調化過程で糖代謝の顕著な低下を示し、基礎解糖レベルがHTSCの同調化には不可欠であることが判明しました。2-DGとオキサミドを用いた解糖抑制後に、同調化マーカー遺伝子（例：ERVFRD1、SYN1など）の発現が顕著に低下し、解糖抑制がHTSC同調化を阻害することが示されました。
アセチルCoAがヒストンアセチル化における重要な役割：酢酸の補充はアセチルCoAレベルを回復させ、解糖抑制によるヒストンアセチル化レベルの低下を顕著に逆転させました。具体的には、ヒストンH3K9、H3K18、H3K27、およびH4K16位置のアセチル化状態が同調化遺伝子の表現に重要な調整作用を持つことがわかりました。
代謝ストレスと炎症反応の関連：解糖抑制はHTSC同調化を阻害するだけでなく、代謝ストレスと炎症遺伝子の発現を誘導しました。酢酸の補充はこれらのストレスと炎症遺伝子を効果的に抑制し、基礎解糖がHTSCの正常な分化と機能を維持する際の重要性を示しました。
体内検証：異種移植実験により、短期間の解糖抑制においてもHTSC分化の潜在的な損害が永久的に表れ、炎症反応の増加や多核STBsの減少が観察されました。酢酸の補充はこれらの変化を顕著に回復させることがわかりました。
研究の結論と意義本研究は、HTSCの基礎解糖がその同調化に不可欠であることを明らかにしました。アセチルCoAは細胞代謝の核心中間体としてだけでなく、ヒストンアセチル化を維持することでHTSCの細胞運命決定と分化に重要な調整作用を持っています。適量のアセチルCoAは胎盤の正常な発育と母胎の栄養バランスにとって非常に重要であり、このメカニズムの理解は胎盤関連疾患の予防（例：妊娠高血圧、胎児発育不全など）に新たな科学的基盤を提供します。
研究のハイライトと革新アセチルCoAの代謝調整作用を明らかに：本研究はHTSC同調化過程におけるアセチルCoAの重要な役割を初めて体系的に示し、解糖から派生するアセチルCoAがヒストンアセチル化と遺伝子表現に与える二重の調整作用を提案しました。
代謝とヒストン修飾の結合メカニズム：アセチルCoAが特定のヒストン位置のアセチル化（例：H3K9/18/27とH4K16）を通じて胎盤細胞の運命を調整することが発見され、胎盤の発育と機能の理解に新しい視点を提供しました。
長期的な代謝欠陥の不可逆的影響：短期間の解糖抑制がHTSC分化に永久的な損害を与えることを体内モデルで初めて検証し、胎盤栄養芽層細胞の代謝バランスの脆弱性とその母胎健康への深刻な影響を示唆しました。
酢酸補充の潜在的な臨床価値：研究は短期的な酢酸補充が解糖抑制によるHTSC同調化障害を効果的に逆転させることを発見し、将来的な妊娠期の胎盤機能異常の治療に向けた潜在的な介入手段を提供しました。
研究の科学的および応用価値本研究が明らかにしたHTSC代謝プログラミングメカニズムは、胎盤発育と母胎の栄養バランスにおける重要性を持ち、胎盤関連疾患の発病メカニズムを理解するための新たな洞察を提供します。研究は胎盤同調化過程における解糖代謝の役割に関する新しいモデルを提示し、代謝調整が胎盤機能を維持する上での核心的役割を示しています。将来的には、このメカニズムに基づく介入手段が胎盤機能不全の予防と治療に新たなアプローチを提供する可能性があります。