個体間における免疫細胞再生の加齢関連変異のメカニズム

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老化 造血幹細胞 クローン追跡 系統バイアス 骨髄形成

生体の老化が進むにつれて、免疫システムの機能は徐々に低下し、先天性免疫細胞（例えば好中球）の増加と適応免疫細胞（例えばB細胞）の減少が顕著になります。このような免疫システムの不均衡は骨髄性白血病や免疫不全を含む様々な疾患の発生と密接に関連しています。すべての生物は老化のプロセスを経験しますが、個体間で老化の速度に大きな差があることが知られています。この差のメカニズムは不明な点が多く、特に免疫細胞再生に関係する幹細胞（例えば造血幹細胞、HSC）が老化プロセスでどのように機能するかは解明されていません。このような個体間の老化差異のメカニズムを解明することは、老化関連の生理的衰退を引き起こす要因を明らかにし、老化を遅らせる新しい治療戦略の開発にとって重要です。

造血幹細胞（HSC）は組織の恒常性を維持し、損傷した細胞の再生を促進する上で重要な役割を果たします。加齢とともに、HSCの機能は多くの変化を経験します。その例として、自己再生能力の増強、髄系分化（myelopoiesis）の増加、およびリンパ系分化（lymphopoiesis）の減少が挙げられます。これらの機能変化はDNA損傷、エピジェネティックなリモデリング、翻訳の欠陥および細胞外シグナルの変化など分子レベルの変化と密接に関連しています。多くのHSC老化モデルが提案されていますが、個体間の老化差異の具体的なメカニズムは依然として不明です。本研究では、ハイスループット単一細胞技術を用いて、同じ年齢で早期または遅延免疫老化表現型を示すマウスを比較し、老化プロセスにおけるHSCの多様な変化とそれが免疫老化表現型に与える影響を明らかにしました。

論文情報

この論文は、Anna Nogalska、Jiya Eerdeng、Samir Akre、Mary Vergel-Rodriguez、Yeachan Lee、Charles Bramlett、Adnan Y. Chowdhury、Bowen Wang、Colin G. Cess、Stacey D. Finley、Rong Lu の共著によるものです。著者は、南カリフォルニア大学（University of Southern California）の幹細胞生物学・再生医療学部門、生物医学工学部門および定量計算生物学部門に所属しています。この論文は 2024年10月24日付で『Cellular & Molecular Immunology』誌にオンライン掲載されました（DOI: 10.1038/s41423-024-01225-y）。

研究のフローと主要成果

1. 研究フロー

1.1 マウスモデルの作成と免疫老化表現型の分類

研究ではC57BL/6Jマウスを使用し、末梢血中のB細胞と好中球の比率（BG比率）を計算することで免疫老化表現型を評価しました。その結果、30か月齢のマウスにおいて、BG比率が減少している早期老化表現型（Early Aging Phenotype）を示す個体と、若いマウスと同様のBG比率を維持している遅延老化表現型（Delayed Aging Phenotype）を示す個体が観察されました。この分類に基づき、マウスを早期老化群と遅延老化群に分けました。

1.2 単一細胞トランスクリプトーム解析

30か月齢マウスのHSCを用い、単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）を実施し、早期老化群と遅延老化群のHSCにおける遺伝子発現の差異を比較しました。その結果、早期老化群のHSCでは老化、髄系分化、および幹細胞増殖に関連する遺伝子が著しく発現増加している一方、遅延老化群のHSCでは幹細胞調節や外部シグナルに関連する遺伝子が発現していました。

1.3 クローン追跡実験

遺伝的バーコード技術を使用し、若いマウス由来のHSCクローンが老齢マウスにおける免疫細胞産生にどう影響を与えるかを追跡しました。結果として、30％～40％のHSCクローンが老化過程で系統偏倚（lineage bias）の変化を経験していることが判明しました。早期老化群ではHSCクローンが髄系分化に傾き、遅延老化群ではリンパ系分化に傾いていました。

1.4 CRISPR遺伝子ノックアウト実験

CRISPR技術により、早期老化群および遅延老化群HSCにおいて著しく発現増加している複数の遺伝子をノックアウトし、その結果、BG比率への影響を確認しました。早期老化群において発現が増加していたLGALS9、NME1、SLC25A5といった遺伝子のノックアウトではBG比率が増加した一方、遅延老化群で発現増加していたNEDD4やPREX2といった遺伝子のノックアウトではBG比率が減少しました。

1.5 クローンの拡大と枯渇の解析

HSCクローンの拡張および枯渇の状況を調査しました。早期老化群では髄系クローンの拡大が顕著であり、遅延老化群ではリンパ系クローンの拡大が目立ちました。さらに、早期老化群ではHSCクローンの枯渇現象も観察されましたが、遅延老化群ではこのような現象が見られませんでした。

2. 主な成果と発見

2.1 免疫老化表現型の個体差

同じ年齢のマウスにもかかわらず、免疫老化表現型には顕著な個体差がみられました。早期老化群ではBG比率の著しい低下が観察されましたが、遅延老化群では若齢マウスと似たBG比率を維持していました。

2.2 HSC遺伝子発現の異質性

早期老化群HSCでは髄系分化と幹細胞増殖に関係する遺伝子が著しく発現増加していたのに対し、遅延老化群HSCでは幹細胞調節や外部シグナルに関連する遺伝子が主に発現増加していました。

2.3 HSCクローンの系統偏倚変化

HSCクローンの30％～40％が老化過程で系統偏倚の変化を経験しました。早期老化群ではHSCクローンが髄系分化にシフトする一方、遅延老化群ではリンパ系分化にシフトする傾向が見られました。

2.4 BG比率に影響する重要な遺伝子の特定

CRISPRノックアウト実験から、早期老化群で発現増加する遺伝子をノックアウトするとBG比率が上昇し、遅延老化群で発現増加する遺伝子をノックアウトするとBG比率が減少することが確認され、これらの遺伝子が免疫老化表現型の調節に重要であることが示されました。

2.5 クローンの拡大・枯渇の差異

早期老化群の髄系クローン拡大が顕著だった一方、遅延老化群ではリンパ系クローンの拡大がより顕著でした。また、早期老化群ではHSCクローンの枯渇現象が頻繁に見られました。

結論と意義

本研究は、免疫老化における個体差が主にHSCにおける髄系分化の変化に起因することを明らかにしました。早期老化表現型では髄系分化が顕著である一方、遅延老化表現型ではリンパ系分化が特徴的であることが示されました。これらの変化はHSCクローンの遺伝子発現および機能の変化と深く関連しています。また、免疫老化を左右する可能性のある遺伝子を特定し、髄系分化を調節することで免疫老化を遅らせる新たな治療法の可能性が示唆されました。

科学的価値と応用可能性

  1. 科学的価値
    本研究は高精度な単細胞技術とクローン追跡技術を用いて、HSCにおける老化プロセスの多様性とその免疫老化への影響を解明しました。これにより、個体間の老化差異メカニズムの理解が深まりました。

  2. 応用可能性
    髄系分化を調節することによって免疫老化の進行を遅らせる戦略が重要である可能性が示され、抗老化治療の重要なターゲットとしてHSCを用いた新しい治療法の可能性が期待されます。