発表論文

代表的な発表論文

A Myb enhancer-guided analysis of basophil and mast cell differentiation.

Matsumura T, Totani H, Gunji Y, Fukuda M, Yokomori R, Deng J, Rethnam M, Yang C, Tan TK, Karasawa T, Kario K, Takahashi M, Osato M, Sanda T, Suda T.

Nat Commun. 2022 Nov 18;13(1):7064. doi: 10.1038/s41467-022-34906-1. PMID: 36400777.

The transcription factor MYB is a crucial regulator of hematopoietic stem and progenitor cells. However, the nature of lineage-specific enhancer usage of the Myb gene is largely unknown. We identify the Myb -68 enhancer, a regulatory element which marks basophils and mast cells. Using the Myb -68 enhancer activity, we show a population of granulocyte-macrophage progenitors with higher potential to differentiate into basophils and mast cells. Single cell RNA-seq demonstrates the differentiation trajectory is continuous from progenitors to mature basophils in vivo, characterizes bone marrow cells with a gene signature of mast cells, and identifies LILRB4 as a surface marker of basophil maturation. Together, our study leads to a better understanding of how MYB expression is regulated in a lineage-associated manner, and also shows how a combination of lineage-related reporter mice and single-cell transcriptomics can overcome the rarity of target cells and enhance our understanding of gene expression programs that control cell differentiation in vivo.

研究室主宰者の松村が筆頭かつ責任著者を務めた報告です。骨髄における好塩基球の一連の分化過程をシングルセル解析で明らかにすることに成功しました。

好塩基球はアレルギー疾患、寄生虫感染のみならず自然免疫、臓器形成にも重要な働きをもつ細胞ですが、末梢血中に1%程度しか存在せず細胞の数が極めて少ないこと、また、特異的な表面マーカーが存在しないことから、骨髄内の好塩基球の分化について単一細胞（シングルセル）レベルでの網羅的解析は難しいと考えられていました。

私たちの研究グループは血液細胞の分化に重要なＭＹＢという転写因子の転写制御領域（エンハンサー領域）の解析を進める中で、Myb -68と名付けた領域が好塩基球・肥満細胞特異的な活性をもつことを見つけました。この領域を利用したGFP（緑色蛍光蛋白）レポーターマウスを作成し、その骨髄細胞をシングルセルRNAシークエンシングで網羅的に解析することにより、好塩基球の分化過程でどのような遺伝子がどのようなタイミングで発現するかを詳細に検討することが可能となりました。本研究の成果は、今後の好塩基球分化に関する研究の基礎的データとして活用されていくことが期待されます。

NLRP3 Inflammasome Activation Through Heart-Brain Interaction Initiates Cardiac Inflammation and Hypertrophy During Pressure Overload

Higashikuni Y, Liu W, Numata G, Tanaka K, Fukuda D, Tanaka Y, Hirata Y, Imamura T, Takimoto E, Komuro I, Sata M
Circulation. 2023 Jan 24;147(4):338-355. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.122.060860. PMID: 36440584

Background: Mechanical stress on the heart, such as high blood pressure, initiates inflammation and causes hypertrophic heart disease. However, the regulatory mechanism of inflammation and its role in the stressed heart remain unclear. IL-1β (interleukin-1β) is a proinflammatory cytokine that causes cardiac hypertrophy and heart failure. Here, we show that neural signals activate the NLRP3 (nucleotide-binding domain, leucine-rich-containing family, pyrin domain-containing 3) inflammasome for IL-1β production to induce adaptive hypertrophy in the stressed heart.

Methods: C57BL/6 mice, knockout mouse strains for NLRP3 and P2RX7 (P2X purinoceptor 7), and adrenergic neuron-specific knockout mice for SLC17A9, a secretory vesicle protein responsible for the storage and release of ATP, were used for analysis. Pressure overload was induced by transverse aortic constriction. Various animal models were used, including pharmacological treatment with apyrase, lipopolysaccharide, 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl)-ATP, MCC950, anti-IL-1β antibodies, clonidine, pseudoephedrine, isoproterenol, and bisoprolol, left stellate ganglionectomy, and ablation of cardiac afferent nerves with capsaicin. Cardiac function and morphology, gene expression, myocardial IL-1β and caspase-1 activity, and extracellular ATP level were assessed. In vitro experiments were performed using primary cardiomyocytes and fibroblasts from rat neonates and human microvascular endothelial cell line. Cell surface area and proliferation were assessed.

Results: Genetic disruption of NLRP3 resulted in significant loss of IL-1β production, cardiac hypertrophy, and contractile function during pressure overload. A bone marrow transplantation experiment revealed an essential role of NLRP3 in cardiac nonimmune cells in myocardial IL-1β production and cardiac phenotype. Pharmacological depletion of extracellular ATP or genetic disruption of the P2X7 receptor suppressed myocardial NLRP3 inflammasome activity during pressure overload, indicating an important role of ATP/P2X7 axis in cardiac inflammation and hypertrophy. Extracellular ATP induced hypertrophic changes of cardiac cells in an NLRP3- and IL-1β-dependent manner in vitro. Manipulation of the sympathetic nervous system suggested sympathetic efferent nerves as the main source of extracellular ATP. Depletion of ATP release from sympathetic efferent nerves, ablation of cardiac afferent nerves, or a lipophilic β-blocker reduced cardiac extracellular ATP level, and inhibited NLRP3 inflammasome activation, IL-1β production, and adaptive cardiac hypertrophy during pressure overload.

Conclusions: Cardiac inflammation and hypertrophy are regulated by heart-brain interaction. Controlling neural signals might be important for the treatment of hypertensive heart disease.

研究室講師の東邦が筆頭かつ責任著者を務めた論文です。

心臓は高血圧などのストレスによりその構造が変わり、ポンプとしての機能が悪くなります。この状態を心不全と呼びます。心不全発症に炎症が関わっていることが古くから知られています。炎症とは本来、細菌やウィルスなどの異物や死んでしまった自分の細胞を排除して生体の恒常性を維持しようという一過性の反応です。

近年、炎症が何らかの理由で弱いながらも持続すると、生活習慣病や老化を引き起こすことがわかってきました。しかし、高血圧などの物理的圧力が加わり続けるとなぜ心臓で炎症が起こるのか、その機序は不明でした。

私たちの研究グループは心臓の炎症が脳と神経によりコントロールされていることを解明しました。心臓に負担がかかると、その情報が神経を通じて脳に伝えられます。情報を受け取った脳は心臓を支配する神経を通じて、心臓の細胞内にある「NLRP3インフラマソーム」と呼ばれるたんぱく質複合体を活性化して炎症を引き起こします。本研究の成果は、「病は気から」の科学的根拠になるとともに、新しい治療法開発の礎になることが期待されます。

Hematopoietic stem cells acquire survival advantage by loss of RUNX1 methylation identified in familial leukemia.

Matsumura T, Nakamura-Ishizu A, Muddineni SSNA, Tan DQ, Wang CQ, Tokunaga K, Tirado-Magallanes R, Sian S, Benoukraf T, Okuda T, Asou N, Matsuoka M, Osato M, Suda T.
Blood. 2020 Oct 22;136(17):1919-1932. doi: 10.1182/blood.2019004292. PMID: 32573733.

RUNX1 is among the most frequently mutated genes in human leukemia, and the loss or dominant-negative suppression of RUNX1 function is found in myelodysplastic syndrome and acute myeloid leukemia (AML). How posttranslational modifications (PTMs) of RUNX1 affect its in vivo function, however, and whether PTM dysregulation of RUNX1 can cause leukemia are largely unknown. We performed targeted deep sequencing on a family with 3 occurrences of AML and identified a novel RUNX1 mutation, R237K. The mutated R237 residue is a methylation site by protein arginine methyltransferase 1, and loss of methylation reportedly impairs the transcriptional activity of RUNX1 in vitro. To explore the biologic significance of RUNX1 methylation in vivo, we used RUNX1 R233K/R237K double-mutant mice, in which 2 arginine-to-lysine mutations precluded RUNX1 methylation. Genetic ablation of RUNX1 methylation led to loss of quiescence and expansion of hematopoietic stem cells (HSCs), and it changed the genomic and epigenomic signatures of phenotypic HSCs to a poised progenitor state. Furthermore, loss of RUNX1 R233/R237 methylation suppressed endoplasmic reticulum stress-induced unfolded protein response genes, including Atf4, Ddit3, and Gadd34; the radiation-induced p53 downstream genes Bbc3, Pmaip1, and Cdkn1a; and subsequent apoptosis in HSCs. Mechanistically, activating transcription factor 4 was identified as a direct transcriptional target of RUNX1. Collectively, defects in RUNX1 methylation in HSCs confer resistance to apoptosis and survival advantage under stress conditions, a hallmark of a preleukemic clone that may predispose affected individuals to leukemia. Our study will lead to a better understanding of how dysregulation of PTMs can contribute to leukemogenesis.

研究室主宰者の松村が筆頭かつ責任著者を務めた論文です。

遺伝情報とは、4種類の塩基、A(アデニン)、G(グアニン)、C(シトシン)、T(チミン)で構成されるDNAの塩基配列のことです。この情報が1個だけ変わることでその遺伝子から産生される蛋白の機能が変わり、病気を発症してしまうことがあります。そのような家系では、原因となる遺伝子の違いを同定することは、そのご家族にとって重要であることはもちろんのこと、その研究過程で得られた知見は、なぜヒトは病気になるのか、という謎についてのヒントを与えてくれることもあります。

ある家族性白血病家系の原因となる遺伝子の変異を同定し、その変異をもつマウスの血液細胞を解析することにより、血液細胞分化に重要な転写因子RUNX1のメチル化がおきないことがこの家系において白血病を発症しやすくしていることを解明しました。リン酸化、アセチル化、メチル化などで蛋白質の活性が変化することを翻訳語修飾と言います。このような翻訳語修飾が転写因子の活性調節に重要であることは古くから言われていますが、本報告のように、実際に転写因子の翻訳語修飾の異常が白血病などの疾患につながることを証明できたものは多くありません。

dsDNA-induced AIM2 pyroptosis halts aberrant inflammation during rhabdomyolysis-induced acute kidney injury.

Baatarjav C, Komada T, Karasawa T, Yamada N, Sampilvanjil A, Matsumura T, Takahashi M.
Cell Death Differ. 2022 Dec;29(12):2487-2502. doi: 10.1038/s41418-022-01033-9. PMID: 35739254.

Rhabdomyolysis is a severe condition that commonly leads to acute kidney injury (AKI). While double-stranded DNA (dsDNA) released from injured muscle can be involved in its pathogenesis, the exact mechanism of how dsDNA contributes to rhabdomyolysis-induced AKI (RIAKI) remains obscure. A dsDNA sensor, absent in melanoma 2 (AIM2), forms an inflammasome and induces gasdermin D (GSDMD) cleavage resulting in inflammatory cell death known as pyroptosis. In this study using a mouse model of RIAKI, we found that Aim2-deficiency led to massive macrophage accumulation resulting in delayed functional recovery and perpetuating fibrosis in the kidney. While Aim2-deficiency compromised RIAKI-induced kidney macrophage pyroptosis, it unexpectedly accelerated aberrant inflammation as demonstrated by CXCR3+CD206+ macrophage accumulation and activation of TBK1-IRF3/NF-κB. Kidney macrophages with intact AIM2 underwent swift pyroptosis without IL-1β release in response to dsDNA. On the other hand, dsDNA-induced Aim2-deficient macrophages escaped from swift pyroptotic elimination and instead engaged STING-TBK1-IRF3/NF-κB signalling, leading to aggravated inflammatory phenotypes. Collectively, these findings shed light on a hitherto unknown immunoregulatory function of macrophage pyroptosis. dsDNA-induced rapid macrophage cell death potentially serves as an anti-inflammatory program and determines the healing process of RIAKI.

研究室主宰者の松村が2022年度まで所属していた、当センター炎症・免疫研究部（高橋将文教授）のChintogtokh Baatarjav博士研究員、駒田敬則講師が筆頭著者の論文です。横紋筋融解症による急性腎障害の修復過程に、細胞外二本鎖DNAがAIM2インフラマソームと呼ばれる細胞内蛋白質複合体による炎症細胞死を誘導することで、炎症を沈静化させることを明らかにしました。

インフラマソームは、炎症性カスパーゼを活性化する蛋白質複合体です。活性化されたカスパーゼは、強力な炎症性サイトカインであるIL-1β・IL-18を分泌し、ガスダーミンDという物質の切断を介して細胞膜に大きな孔を形成し、「パイロトーシス」という細胞死をおこします。一般に、パイロトーシスは「炎症性細胞死」として認識されていますが、横紋筋融解症に伴う急性腎障害においてはパイロトーシスは炎症性細胞死ではなく、むしろマクロファージの除去によって過剰な炎症を抑制していることを明らかにしました。

当センター炎症・免疫研究部はインフラマソームの研究で有名であり、松村の移籍後も、研究のあらゆる面でご支援いただいています。