Generation and application of hPSC-derived bone organoids based on the human skeletal development

基于人类骨骼发育的hPSC源性骨类器官的制备及应用

• 批准号: 21J12970
• 负责人: 谷 彰一郎
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12970/
• 关键词: ヒト多能性幹細胞; 骨発生; 軟骨内骨化; シングルセル解析; 遺伝子制御ネットワーク; ZEB2; 内軟骨性骨化; １細胞解析; 遺伝子発現制御機構

ヒト多能性幹細胞を骨格の起源細胞の一つである沿軸中胚葉（椎板細胞）へ分化させたのちに免疫不全マウス腎皮膜下へ移植することでヒト細胞によって構成される骨組織を作出し、シングルセル解析を実施した。シングルセルRNA-seqに加えてATAC-seqも加えた、シングルセルMultiome解析による結果をさらに検証し、ヒトの骨発生における骨格細胞の遺伝子制御ネットワークについて検討した。各細胞種には独自ないしは共通する転写因子群が活性化していることが明らかとなり、細胞の運命決定や分化、機能維持において様々な転写因子が協調して機能していることが示唆された。一方でこの手法の場合、検出できる転写因子の数に限度があったことから、RNA velocity解析と細胞種特異的な発現遺伝子の組み合わせによって全ての転写因子の中から骨芽細胞分化に重要な因子の抽出を試み、神経や悪性腫瘍の領域では機能がよく知られているものの、骨組織における機能が明らかでなかったZEB2を同定した。ZEB2は骨領域において骨芽細胞のマスターレギュレーターであるRUNX2やSP7と共発現し、shRNAを用いたノックダウンをヒト間葉系幹細胞に行うと、骨芽細胞分化に重要な遺伝子群の発現が低下した。加えて、骨芽細胞特異的にZEB2を欠失させるノックアウトマウスを作出したところ、胎児期ないしは新生児期において骨格の低形成が特に頭顔面部（沿軸中胚葉および神経堤由来）において顕著であることが確認された。これらの結果は、ZEB2が骨発生過程において複数の転写因子群を制御する転写制御ネットワークの一端であることを示唆していると考えられた。以上の内容を国際・国内学会で報告するとともに、国際学術誌であるCell Reportsへ投稿・掲載した。

Pluripotent stem cells are derived from cells that differentiate along the axis of mesoderm (lamina cells), and are used to analyze bone tissue that is composed of cells that are immunocompromised and transplanted under the renal membrane. The results of ATAC-seq analysis and multi-ome analysis were verified and analyzed. Each cell species has a common set of writing factors that are activated, determined, differentiated, and maintained. In one case, the number of transcription factors is limited, RNA velocity analysis and cell species-specific gene expression are combined, and all transcription factors are extracted, important factors for bone bud differentiation are extracted, and the function of bone tissue selection is determined. ZEB2 is used in the development of mesenchymal stem cells in the bone field, and the development of important genes in bone bud differentiation is low. Add, bone bud cell-specific ZEB2 missing, make, neonatal period, bone cell low formation, special head and face (along the axis of the embryonic lobe), make, confirm. The result is that ZEB2 is a complex factor in the bone development process. The above contents are reported in international and domestic academic journals and published in Cell Reports.

项目成果

Elucidating human skeletal development using single-cell analyses with a model of endochondral bone formation using human pluripotent stem cells

利用人类多能干细胞软骨内骨形成模型进行单细胞分析，阐明人类骨骼发育

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoichiro Tani;Hiroyuki Okada;Masahide Seki;Yutaka Suzuki;Taku Saito;Sakae Tanaka;Ung-il Chung;Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
• 通讯作者: Hironori Hojo and Shinsuke Ohba

Elucidating Gene Regulatory Networks Underlying Human Skeletal Development by Integrating a Model of Human Endochondral Bones and Single-cell Multiomics

通过整合人类软骨内骨模型和单细胞多组学来阐明人类骨骼发育背后的基因调控网络

• 发表时间: 2022
• 作者: Shoichiro Tani;Hiroyuki Okada;Masahide Seki;Yutaka Suzuki;Taku Saito;Sakae Tanaka;Ung-il Chung;Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
• 通讯作者: Hironori Hojo and Shinsuke Ohba

ヒト多能性幹細胞由来3次元骨組織誘導法と単一細胞解析を用いたヒト骨形成機構の探索

利用人类多能干细胞来源的3D骨组织诱导方法和单细胞分析探索人类骨形成机制

• 发表时间: 2021
• 作者: 谷 彰一郎; 岡田 寛之; 齊藤 琢; 田中 栄; 鄭 雄一; 北條 宏徳; 大庭 伸介
• 通讯作者: 大庭 伸介

Elucidating Human Skeletal Development Using Single-Cell Analysis By Inducing Bone Tissue Formation From Human Pluripotent Stem Cells

通过诱导人类多能干细胞形成骨组织，利用单细胞分析阐明人类骨骼发育

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoichiro Tani;Hiroyuki Okada;Masahide Seki;Yutaka Suzuki;Taku Saito;Sakae Tanaka;Ung-il Chung;Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
• 通讯作者: Hironori Hojo and Shinsuke Ohba

ELUCIDATING HUMAN SKELETAL DEVELOPMENT BY INTEGRATING SINGLE-CELL ANALYSIS AND BONE TISSUE INDUCTION USING HUMAN PLURIPOTENT STEM CELLS

通过整合单细胞分析和使用人类多能干细胞的骨组织诱导来阐明人类骨骼发育

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoichiro Tani;Hiroyuki Okada;Masahide Seki;Yutaka Suzuki;Taku Saito;Sakae Tanaka;Ung-il Chung;Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
• 通讯作者: Hironori Hojo and Shinsuke Ohba