β細胞新生の新たな特徴を高時間分解能解析で明らかに　インスリンを産生するβ細胞を補充する糖尿病再生医療の実現に向けて

　研究は、順天堂大学大学院医学研究科代謝内分泌内科学の宮塚健客員教授(現：北里大学医学部内分泌代謝内科学教授)、綿田裕孝教授、大阪大学大学院医学系研究科糖尿病病態医療学寄附講座の佐々木周伍特任研究員、同内分泌・代謝内科学の下村伊一郎教授、ブリティッシュコロンビア大学のFrancis Lynn准教授らの研究グループによるもの。研究成果は、「Diabetologia」に掲載された。

新生β細胞を時間軸にそって詳細に解析できるマウスを作製

　糖尿病は膵β細胞から分泌されるインスリンの相対的・絶対的不足により発症する。そのため、糖尿病の根治を実現するためには、失われたインスリン分泌を補う必要があり、インスリンを産生する膵β細胞を補充する糖尿病再生医療が注目されている。

　この実現に向けたひとつの手がかりは、「膵β細胞がいつ・どこで・どのようにして生まれるのか？」を明らかにすることにある。膵β細胞は胎生期膵臓内にある膵管領域に存在する内分泌前駆細胞に由来することが知られているが、正確にどこから生まれ、どのような遺伝子がβ細胞新生を規定しているのかよく分かっていない。

　そこで研究グループは、生まれたばかりのβ細胞を高時間分解能で標識できるマウスを作製し、その位置情報を解析した。高時間分解能は、2つの細胞を時間軸にそって詳細に識別する能力のこと。β細胞の解析では、従来法では内分泌前駆細胞から分化したばかりのβ細胞と成熟したβ細胞を区別する方法がなかった。今回の研究では内分泌前駆細胞から分化したばかり(8時間以内)のβ細胞を標識することに成功した。

　そして、1細胞レベルでRNA発現量を解析できる最新技術であるシングルセルRNAシークエンシング(scRNA-seq)を用いて、新生β細胞の特徴を高解像度で解明することに取り組んだ。また、ヒトのβ細胞新生過程に特徴的な遺伝子情報を明らかにするために、ヒトES細胞由来β細胞とマウス新生β細胞との類似性・相違性を解析した。

新生β細胞の生まれる場所を特定し、遺伝子発現プロファイルを解明

新生β細胞の空間的不均質性および遺伝子発現プロファイルの不均質性

　研究グループはまず、β細胞新生の位置情報を高解像度で解析するために、新生β細胞を蛍光タンパク質で識別する「Ins1-GFP;Timerマウス」を確立した。

　このマウスの胎生期膵組織を顕微鏡で観察したところ、以前から予想されていた膵管近傍で生まれる新生β細胞(β^duct)の存在を確認し、加えて、血管近傍で生まれる新生β細胞(β^vessel)を同定した。この研究により、膵β細胞の新生経路が2つ存在すること(空間的不均質性)を世界ではじめて明らかにした。

　次に、新生β細胞のmRNA情報を明らかにするため、新生β細胞のscRNA-seqを実施。scRNA-seqの無作為的な解析によって、新生β細胞は5つの異なる細胞集団で形成されることが判明した。

　scRNA-seqおよび組織学的検討により、β^duct細胞にはグルカゴン陽性・MafB陽性というより未熟な特徴をもつ細胞が多く、β^vessel細胞はMafA陽性細胞が多く含まれることが明らかになった。

　擬時系列解析によって、β細胞はNeurog3陽性新生β細胞からソマトスタチン陽性細胞を経由して分化することを見出した。Neurog3は、膵内分泌細胞および腸管内分泌細胞の分化に不可欠な転写因子。

　さらに、マウスとヒトの新生β細胞の特徴を比較するため、ヒトES細胞からin vitroで分化誘導した膵β様細胞(ヒト新生β細胞分画を含む)のscRNA-seq解析を実施。その結果、ヒトES細胞由来のインスリン産生細胞でも、ソマトスタチンが高発現していることが分かった。マウスとヒトで共通する新規のβ細胞新生経路の存在が明らかになった。

　このように、β細胞の新生過程を高時間分解能で解析するマウスモデルを確立したことにより、β細胞の生まれる場所(微小環境)や遺伝子発現プロファイルの特徴を解明することに成功した。

より効率的かつ安全な膵β細胞作製法への応用に期待

　近年、ES細胞やiPS細胞からインスリン産生細胞を作製できるようになったが、ヒトの体に内在する膵β細胞と比較して、質的にも量的にも不十分であることが大きな課題となっている。

　今回の研究成果は、これまで区別不可能だった新生β細胞と成熟β細胞を区別しながら解析することに成功しただけでなく、新生β細胞の特長を1細胞レベルで解明し、さらにβ細胞を取り巻くニッチ(発生に必要な微小環境)の特徴を明らかにしたことにあるという。

　この知見を応用することにより、より効率的かつ安全な膵β細胞作製法への応用が期待される。研究グループは、糖尿病根治に向けた新たなβ細胞誘導法の開発に取り組んでいるとしている。

順天堂大学大学院医学研究科代謝内分泌内科学
Spatial and transcriptional heterogeneity of pancreatic beta cell neogenesis revealed by a time-resolved reporter system (Diabetologia 2022年3月30日)