概要

神戸大朋 生命科学研究科准教授、Erinn Sim Zixuan 東京工業大学大学院生（研究当時）、榎本孝幸 同研究員、白木伸明 同准教授、粂昭苑 同教授らの研究グループは、東京大学、熊本大学、味の素株式会社などと共同で、ヒト多能性幹細胞の未分化性維持にメチオニン代謝と亜鉛が寄与することを明らかにし、それぞれの除去培地を組み合わせて利用する新たな膵臓β細胞への分化誘導方法を開発しました。

ヒト多能性幹細胞からの膵臓β細胞の分化誘導では、細胞株ごとに分化誘導効率が異なるという問題があります。本研究グループはこれまでの研究で、多能性幹細胞の未分化性の維持や分化誘導に、メチオニンやその代謝物が重要であることを明らかにしてきました。

本研究では、幹細胞の分化制御におけるメチオニン代謝の下流シグナルを明らかにするため、網羅的遺伝子発現解析を行いました。その結果、メチオニン欠乏によって亜鉛排出トランスポーターSLC30A1が有意に増加しました。そこで細胞内亜鉛濃度を測定した結果、5時間のメチオニン欠乏で幹細胞内のタンパク質結合型亜鉛が有意に減少しました。この亜鉛濃度低下には、メチオニン代謝物であるホモシステインが寄与することもわかりました。次に、味の素株式会社と共同で新たに開発した亜鉛除去培地で幹細胞を数日間培養して、亜鉛含量低下を再現したところ、メチオニン欠乏によって引き起こされる現象の一部（増殖抑制・メチオニン代謝変動・分化状態移行）を模倣することを確認しました。これらの結果から、メチオニン欠乏は、幹細胞内の亜鉛含有量を低下させることにより、細胞分化を促すと結論づけました。

さらに、開発した亜鉛除去培地を用いて、複数の多能性幹細胞を効率的に内胚葉へ分化させることに成功しました。最終的にはメチオニン欠乏と亜鉛欠乏を組み合わせることで、多能性幹細胞から機能的な膵臓β細胞を分化誘導する新規培養方法を確立しました。

本研究成果は、多能性幹細胞の未分化性維持や分化におけるアミノ酸とミネラルの関連性を世界で初めて明らかにし、培養液中の栄養因子が細胞分化に重要な役割を果たすことを示すものです。今後、これらの栄養因子が細胞分化に与える影響を詳細に把握することは、再生医療や創薬研究に利用可能な細胞製造に有益です。

本研究成果は、2022年7月19日に、「Cell Reports」に掲載されました。

A）多能性幹細胞を通常培地で培養した場合。メチオニン代謝およびSLC30A1による亜鉛排出が起きる。
B）メチオニン除去培地で5時間培養した場合。ホモシステイン排出阻害、タンパク質結合型亜鉛（Zn）の低下、SLC30A1発現増加が引き起こされ、細胞は分化傾向へ推移する。
C）ホモシステインは細胞内のタンパク質結合型亜鉛濃度を低下させる。

論文タイトルと著者

• タイトル

  Methionine metabolism regulates pluripotent stem cell through zinc mobilization

• 著者

  Erinn Zixuan Sim, Takayuki Enomoto, Nobuaki Shiraki, Nao Furuta, Soshiro Kashio, Taiho Kambe, Tomonori Tsuyama, Akihiro Arakawa, Hiroki Ozawa, Mizuho Yokoyama, Masayuki Miura, Shoen KumeMasak Takaine, Hiromi Imamura, Satoshi Yoshida

• 掲載誌

  Cell Reports