課題番号：２４指１１５
研究課題名 ：MODY患者由来のiPS細胞を用いた糖尿病の発症機序ならびに病態の解明
主任研究者名 ：大河内仁志
分担研究者名 ：安田和基、岩﨑直子
キーワード ：MODY, iPS 細胞、膵β細胞、糖尿病
研究成果
大河内仁志：iPS 細胞から膵臓β細胞への分化と機能解析
iPS 細胞から膵臓β細胞を分化誘導する in vitro の実験系において、培養法に検討を加えて、健常人由来の iPS 細胞と MODY 患者由来の iPS 細胞からインスリンを産生する細胞の誘導に成功した。
インスリンの産生量は 2000-3000pg/well と昨年までの１０倍以上に増加し, 高濃度グルコースに反応して 2 倍程度のインスリン分泌を示すようなグルコース応答性をもつ膵臓β細胞を誘導できるようになった。
MODY3 患者において HNF-1αの P291fsinsC の変異によるフレームシフトがおこり、PTC（prematuretermination codon）が生じることが予想される症例を検討した。患者由来 iPS 細胞からβ細胞に誘導した細胞から mRNA を抽出し、PCR で増幅し、ゲノム配列を解析したところ、確かに変異 mRNA が存在することが証明できた。MODY の遺伝子変異はヘテロ変異なので、理論的には正常と変異 mRNA の発現は半々のはずであるが、正常の HNF-1αの mRNA に比べて変異 mRNA は少量であり、NMD(nonsense mediateddecay)が生じて変異 mRNA が速やかに分解されていることが示唆された。そこでシクロヘキシミドを添加してタンパク合成を阻害すると、変異 mRNA の量が相対的に増加したことより、実際に NMD が起こっていることが証明できた。次に MODY5 の患者においても HNF-1βにおける R177X 変異による nonsense
変異で PTC が形成されると予想されているので、同様に mRNA の解析をしたところ、変異 mRNA の検出はできたが、NMD が起こって分解されていることが示唆された。MODY においては変異タンパクによる
dominant negative 効果が発症原因であるという説があるが、本症例において変異 mRNA は速やかに分解されているので、変異タンパクが蓄積するとは考えにくく、むしろ haplo-insufficiency によるものと考えられた。
安田和基：MODY 由来 iPS 細胞を用いた、糖代謝関連分子の探索と機能解析作成方法の違いによる iPS 細胞の遺伝子発現の比較を行った。その結果、同一人に由来する iPS 細胞の遺伝子発現は、作製法の違いによらず予想以上に近似しており、一方で由来する個人の差を大きく反映していた。患者由来の iPS 細胞では、分化誘導段階で、野生型のアリルに対して変異型のアリルの RNA が減少していること、cycloheximide 処理で変異型アリルの発現が相対的に回復するデータを共同で吟味し、これらは premature termination codon に対する nonsense-mediated decay によりRNA 発現が低下し、haploinsufficiency が生じていると考えられた。このように罹患臓器でのメカニズムがヒトで確認された例は非常に少なく、今後、こうした分化段階での遺伝子発現の変化、などを検討してゆく予定である。
岩﨑直子：ミトコンドリア機能からみたMODY 患者iPS細胞由来膵β細胞の機能評価および新規MODY-X
遺伝子の同定による糖尿病治療方法の開発
MODY 家系の DNA を収集し、連鎖解析によって染色体上の関心領域を決定し、遺伝子の絞り込みを行い、最終的に 2 種類の遺伝子 FOXP4 と CUL9 (PARC)にまで絞り込みができた。原因遺伝子不明の MODY
発端者 34 名を対照として FOXP4 遺伝子と CUL9 遺伝子の全エクソンについてシークエンスを行い、これらの遺伝子に変異を有する患者の検索を実施した。その結果、FOXP4 遺伝子エクソン 11 に(Chr6;41,557,897;C>T) P449L ヘテロ変異、Polyphen 2 (0.941) and SIFT(0.000)を有する 1 例、CUL9遺伝子にエクソン 14 に(Chr6;43,167,697;C>T) R1063C ヘテロ変異、Polyphen 2 (0.999) and SIFT(0.00)を有する 1 例を認めた。

Subject No.

：24A115

Title：Research on the pathophysiology of MODY using iPS cells derived from MODY patients

Researchers ：Hitoshi Okochi, Kazuki Yasuda, Naoko Iwasaki,
Key word：MODY、iPS cell、pancreatic β cell、diabetes mellitus

Abstract：MODY（maturity onset diabetes of the young）is a special type of diabetes caused by a single

gene mutation.

More than 13 genes were identified to cause MODY so far and most of them are transcription

factors closely related hepatic and pancreatic development. It is very hard to obtain the fresh pancreatic tissue
from the patients. No suitable mouse model has been established yet because heterozygous mutation in micedoes not show similar phenotype to human. In this study we aimed at elucidating the pathophysiology ofdiabetes mellitus and MODY by establishing patient-derived iPS (induced pluripotent stem) cells anddifferentiating them into pancreatic beta cells.

Pancreatic cell induction from iPS cells
We tried to differentiate iPS cells into pancreatic beta cells based on the Melton’s method reported in PNAS in2009. We modified the protocol to promote endoderm differentiation and replaced FBS (fetal bovine serum) forKSR (knockout serum replacement) to avoid the effect of different lot. We detected insulin and glucagon gene
expression after 4 weeks culture by RT-PCR. Immunohistochemical analysis revealed that approximately 10%of the cells were positive for c-peptide. We measured insulin concentration secreted to the media by ELISA anddetected 2000-3000 pg/ml of insulin, which was ten times more than last year. Moreover, we confirmed glucose
response of induced  cell by increasing glucose concentration in the media.

Detection of Mutant Disease Gene mRNA Expression from MODY-iPS cells
We established 3 types of MODY-iPS cells from Japanese patients: MODY1 (R127W), MODY3(P291fsinsC), and MODY5 (R177X). These MODY-iPS cells possessed the characteristics of pluripotent stem
cells. Disease gene mRNA expression was detected and cloned: HNF1a; beta stage, HNF1b; primitive gut tubestage, HNF4a; primitive gut tube stage. After those disease gene mRNA were sequenced, we found that R177X
and P291fsinsC mutant transcripts were much less frequent than wild ones, but they increased after adding
cycloheximide (CHX) to the medium.

R177X and P291fsinsC mutant mRNAs, which have prematuretermination codons (PTC), are thought to be disrupted by nonsense mediated mRNA decay (NMD) in
differentiated MODY-iPS cells. The results indicate that those MODY may be caused by a haplo-insufficiency
effect rather than a dominant negative manner.

Analysis of MODY-X family by using whole exome sequencing
Previous linkage analysis indicated unidentified MODY gene (MODY-X) might be located chromosome 6, 7,or 22. We picked up two candidate genes, FOXP4 and CUL9 by sequencing. We performed thewhole exon sequence of these genes and we found several heterozygous mutations. We are now
confirming the data again using next generation sequencer to increase the rate of coverage.

Researchers には、分担研究者を記載する。

２４指１１５ 研究の概要
研究課題名 ：MODY患者由来のiPS細胞を用いた糖尿病の発症機序ならびに病態の解明

MODY患者由来iPS細胞の樹立

MODY患者由来のiPS細胞から膵β細胞と肝細胞の誘導

東京女子医科大学
糖尿病センター
岩崎直子准教授（新規MODY遺伝子の探索とミトコンドリア機能解析）

膵β細胞と肝細胞の機能の比較解析

MODYの発症機序ならびに病態解明

国立国際医療医療センター細胞組織再生医学研究部
匿名化した検体 大河内仁志、矢部茂治（iPS細胞樹立と分化誘導法）
膵臓β細胞

代謝疾患研究部
安田和基部長膵臓β細胞の機能解析

pM
ELISA (insulin C-peptide)

iPS細胞から膵β細胞への分化誘導
３種類のiPS細胞からグルコース濃度に反応してインスリンを産生する膵β細胞の誘導に成功した。
454E2

253G1

TKDN4-M

MODY3患者の変異HNF1a遺伝子のmRNAは通常では速やかに分解されてしまうが、シクロヘキシミド添加で分解が抑制された。
+C+C

P291fsinsC mRNA

P291fsinsC mRNA (+CHX)

課題番号研究課題名：２４指１１５：MODY患者由来のiPS細胞を用いた糖尿病の発症機序ならびに病態の解明

分担研究課題名：iPS 細胞から膵臓β細胞への分化と機能解析
主任研究者名 ：大河内分担研究者名 ：大河内仁志仁志

キーワード：MODY、iPS 細胞、膵β細胞

研究成果：MODY は、ヒト糖尿病の単一遺伝子病モデルとして Fajans らにより１９７０年代に提唱された、常染色体優性遺伝を示す若年発症糖尿病である。臨床的には、インスリン分泌不全が病態の中心であるが、マウスでは MODY の病態を再現することはできず、ヒト組織で解析する必要がある。
これまでに３種類の MODY４症例（MODY1 が１例、MODY3 が 2 例、MODY5 が１例）の患者から iPS 細胞を樹立したので、本研究では膵β細胞の効率的な分化法を検討することを目的とする。
今年度の大きな成果は２点あり、（１）iPS 細胞から分化誘導したβ細胞のインスリンの産生量の増加ならびにグルコース応答性が改善できたことと（２）MODY 患者由来のβ細胞から原因遺伝子である HNF の変異 mRNA の検出ができたことである。
（１）については昨年度に無血清、無フィーダー細胞の条件で iPS 細胞からグルコースに応答する膵臓β細胞の分化誘導という目標は一部の株で達成できたが、iPS 細胞の株間の違いにより、同じ培養条件ではグルコースに対する反応性が必ずしも一定しないことが問題となっていた。膵臓の発生段階を模した５段階のステップにおいて、最初の definitive endoderm（DE）に誘導する過程が非常に重要であり、誘導効率を挙げるためには、DE への分化は 90%以上にする必要があると考えて培養条件を見直した。ところが Sox17 の発現を分化マーカーにして DE への分化効率を 90%以上にすると、その後の細胞の状態が悪くなり、かえって最終的なβ細胞においてグルコース応答性がなくなってしまうことが判明した。そこで DE への分化効率を 70-80%にとどめつつ、細胞の活きをよくするように培養液を調節することで、高濃度グルコースに反応して 2 倍程度のインスリン分泌を示すようなグルコース応答性をもつ膵臓β細胞を誘導できるようになった。誘導効率はまだ 10%程度であり、効率を改善する余地は残っているが、インスリンの産生量は 2000-3000pg/well とこれまでの１０倍以上に増加した。また京都大学から譲渡された iPS 細胞株２種類についても、同様なインスリン産生を認めたことから、iPS 細胞株間の違いを乗り越えて、使用できるプロトコールの確立に向けて大きな前進がみられたことになる。
（２）についてはまず MODY3 患者において HNF-1αの P291fsinsC の変異によるフレームシフトがおこり、PTC（premature termination codon）が生じることが予想される症例を検討した。β細胞に誘導した細胞から mRNAを抽出し、PCR で増幅し、ゲノム配列を解析したところ、確かに変異 mRNA が存在することが証明できた。MODY の遺伝子変異はヘテロ変異なので、理論的には正常と変異 mRNA の発現は半々のはずであるが、正常の HNF-1αの mRNAに比べて変異 mRNA は少量であり、NMD(nonsense mediated decay)が生じて変異 mRNA が速やかに分解されていることが示唆された。そこでシクロヘキシミドを添加してタンパク合成を阻害すると、変異 mRNA の量が相対的に増加したことより、実際に NMD が起こっていることが証明できた。次に MODY5 の患者においても HNF-1βにおけるR177X 変異による nonsense 変異で PTC が形成されると予想されているので、同様に mRNA の解析をしたところ、変異 mRNA の検出はできたが、NMD が起こって分解されていることが示唆された。 MODY においては変異タンパクによる dominant negative 効果が発症原因であるという説があるが、本症例において変異 mRNA は速やかに分解されているので、変異タンパクが蓄積するとは考えにくく、変異タンパクが病態に関与している可能性は低いと思われた。一方で MODY3 の１症例と MODY1 の症例では PTC が起こらない変異のため、NMD はみられず、正常と変異 mRNAは同量検出された。

課題番号：24指115
研究課題名 ：MODY患者由来のiPS細胞を用いた糖尿病発症機序の解明
主任研究者名 ：大河内仁志
分担研究者名 ：安田和基
分担研究課題：「MODY 由来 iPS 細胞を用いた、糖代謝関連分子の探索と機能解析」
キーワード ： MODY, 遺伝子発現、nonsense-mediated decay
研究成果： MODY（maturity-onset diabetes of the young）は代表的な単一遺伝子病であり、その主な病態は、インスリン分泌障害であるが、MODY における膵β細胞障害の分子機序はほとんど不明であり、MODY 原因遺伝子ごとの病態の違いも全く不明である。特にモデル動物とヒトとの間に種差があり、MODY の病態解明にはヒトの細胞を用いる必要がある。そこで原因遺伝子が明らかにされた
MODY 患者の細胞から iPS 細胞を作製し、そこから分化を誘導した膵β細胞を用いて、機能異常の分子基盤の解析を行う。
当初の研究計画に比べ、iPS 細胞由来の機能的なβ細胞の作製が難航していたため、当初は作成方法の違いによる iPS 細胞の遺伝子発現の比較を行った。その結果、同一人に由来する iPS 細胞の遺伝子発現は、作製法の違いによらず予想以上に近似しており、一方で由来する個人の差を大きく反映していた。
研究代表者大河内らが開発した、iPS 細胞からのβ細胞分化系を用いて、研究代表者らとともに
MODY-iPS 細胞由来β細胞の表現型（機能異常、遺伝子発現変化）の検討に着手した。今回対象とした
MODY 患者は、それぞれ MODY1(HNF4A)R127W、MODY3（HNF1A）P291fsinsC、MODY5(HNF1B) R177X の遺伝子異常をもつ。一般に MODY がヘテロ接合体の異常で発症する機序としては、機能的なタンパク量が少なくなる haploinsufficiency、異常なタンパクが正常タンパクの働きも抑制する dominat negative機構、などが考えられる。MODY 研究代表者大河内らは、分化誘導の途中段階からこれらの遺伝子の発現が認められること、ナンセンス変異（HNF1B R177X）及びフレームシフト（HNF1A P291fsinsC）による患者由来の iPS 細胞では、分化誘導段階で、野生型のアリルに対して変異型のアリルの RNA が減少していること、cycloheximide 処理で変異型アリルの発現が相対的に回復すること、を示している。
こうしたデータを共同で吟味し、これらは premature termination codon に対する nonsense-mediateddecay により RNA 発現が低下し、haploinsufficiency が生じていると考えられた。このように罹患臓器でのメカニズムがヒトで確認された例は非常に少なく、今後、こうした分化段階での遺伝子発現の変化、などを検討してゆく予定である。

課題番号：２４指１１５

研究課題名

：

生細胞ミトコンドリア機能評価システムを用いた MODY 由来 iPS 細胞誘導・細胞機能の評価、ならびに新規 MODY 遺伝子の同定
主任研究者名 ：大河内仁志
分担研究者名 ：岩﨑直子
キーワード ：糖尿病、MODY、β細胞、ミトコンドリア、次世代シークエンサー
研究成果：
インスリン分泌障害は糖尿病の発症機序において主要な役割を担っている。このインスリン分泌障害を遺伝的に有するMODY（maturity onset diabetes of the young）は1種類の遺伝子の機能障害によって糖尿病を発症することからヒト糖尿病の成因研究において重要な疾患モデルである。原因遺伝子が未だ明らかにされていないMODY家系も多数存在しており、この様な家系から新たなMODY遺伝子が同定することによって糖尿病の成因を明らかにすることができると期待される。また、β細胞の機能異常を評価する方法も多岐に渡るが、生細胞ミトコンドリア機能評価システムを用いて、MODYiPS細胞由来β細胞予定である。
35名から構成される若年発症糖尿病の1家系を対象とし、連鎖解析によって染色体6番上にその原因遺伝子が存在する可能性を既に報告した。本家系は、既知のMODY遺伝子に変異が認められず、その他の既知MODY遺伝子の存在領域にも有意なロッドスコアが得られなかった事から、新規MODY遺伝子の同定を目的として次世代シークエンサーを用いたwhole exome sequenceを施行した。
最初に実施した1回目のwhole exome sequenceではMODY患者3名と家系内の非糖尿病者1名を対照とし、合計4名のゲノムを用いてSoLiDにより解析した。Paired-end解析の3名の平均Total
read数は約450M、Mapped readは約300M、Total bases mapping to targetは4.7G、Mean target
coverageは約100回であった。1塩基置換変異が156,959個、挿入欠失変異が262個、合計164935個得られ、うちアミノ酸置換を伴う変異は20,599個であった。1000GenomeとｄｂSNP に非登録で、染色体6、7または22のロッドスコア2以上の場所に存在し、正常者に認めない変異は12個に絞られた。さらに、当初の連鎖解析データに基づいて染色体6番、次に可能性が否定できない7番と22番の3つの染色体上にあって、polyphen-2>0.15、かつSIFT<0.05を満たすという条件で絞ったところ、最終的に6つのVariant（SNP）が選択された。この6種類のSNPが存在する遺伝子はFOXP4、PRICKLE4、CUL9、ZNF318、C6orf154、HMGCLL1であり、家系内の患者において伝達を確認したところ、FOXP4とCUL9の両方において病型と遺伝子型が対応していた。次のステップとして、原因遺伝子不明のMODY発端者34名を対照としてFOXP4遺伝子とCUL9遺伝子の全エクソンについてシークエンスを行い、これらの遺伝子に変異を有する患者の検索を実施した。その結果、FOXP4遺伝子エクソン11に(Chr6;41,557,897;C>T) P449Lヘテロ変異、Polyphen 2 (0.941) andSIFT(0.000)を有する1例、CUL9 遺伝子にエクソン14に(Chr6;43,167,697;C>T) R1063Cヘテロ変
異、Polyphen 2 (0.999) and SIFT (0.00)を有する1例を認めた。
以上から、本来1種類の遺伝子により発症が規定される可能性のある家系に2種類の遺伝子において変異が同定される結果となったが（2012年,欧州糖尿病学会およびIDF meetingで発表）、その原因として、今回のSoLiDにより解析した4名のうち、Fragment 解析1名を実施した1例では、paired-end 解析3名と比較して情報量が小さく、10x coverageの割合は53％であり（他3名は81％、84％、74％）、十分なqualityとは言えない、すなわち解析に用いたデータ自体が不十分であった可能性が考えられた。このため、新たに理研ジェネシスに、MODY2例と対照1例、合計3例の次世代シークエンサーによるwhole exome解析を実施し、同じ結果が出るのか、あるいは新規の可能性が得られるか、染色体を問わずに再検討する必要がある。

研究発表及び特許取得報告について

課題番号：24指115

研究課題名： MODY患者由来のiPS細胞を用いた糖尿病の発症機序ならびに病態の解明
主任研究者名：

大河内仁志

論文発表
論文タイトル

著者

掲載誌

掲載号

年

Hikichi T, Matoba R, Ikeda T,
Watanabe A, Yamamoto T, Yoshitake S,
Proc Natl Acad
Tamura-Nakano M, Kimura T, Kamon M,
Sci
Shimura M, Kawakami K, Okuda A,
Okochi H, Inoue T, Suzuki A, Masui S

110(16):6412-7

2013

Hara K, Fujita H, Johnson TA,Yamauchi T, Yasuda K, Horikoshi M,
Peng C, Hu C, Ma RC, Imamura M,
Iwata M, Tsunoda T, Morizono T,
Shojima N, So WY, Leung TF, Kwan P,
Genome-wide association study identifies
Zhang R, Wang J, Yu W, Maegawa H,
Hum Mol Genet
three novel loci for type 2 diabetes
Hirose Hi DIAGRAM Consortim, Kaku K,
Ito C, Watada H, Tanaka Y, Tobe K,
Kashiwagi A, Kawamori R, Jia W, ChanJC, Teo YY, Shyong TE, Kamatani N,Kubo M, Maeda S, Kadowaki T.

23(1): 239-246

2014

Transcription factors interfering withdedifferentiation induce cell typespecific transcriptional profiles.

Quantitative assessment of pdx1 promotor
activity in vivo using a secreted
luciferase reporter system

Nishimura W, Eto K, Miki A, Goto M,
Kawaguchi M, Nammo T,Udagawa H,
Hiramoto M, Shimizu Y, Okamura T,
Fujiwara T, Yasuda Y, Yasuda K.

Endocrinology

154(11): 43884395

2013

GLP-1-related proteins attenuate theeffects of mitochondrial membrane damage
in pancreatic ß cells

Makiko Ogata, Naoko Iwasaki, Risa
Ide, Miho Takizawa, Yasuko Uchigata

Biochem Biophys
Res Commun

25;447(1):133-8

2014

発表者

学会名

場所

学会発表
タイトル
単一遺伝子異常による糖尿病（MODY）患者由来ヒトiPS細胞の樹立

矢部茂治、岩崎直子、浜崎辰夫、今野雅 第１２回日本再生允、大河内仁志
医療学会

横浜年月

2013年3月

その他発表(雑誌、テレビ、ラジオ等)
タイトル

MODY原因遺伝子の現状と診断の進め方

特許取得状況について

発表者

岩﨑直子、他※出願申請中のものは(発表先

医学のあゆみ場所

244:1030-1034

年月日2013)記載のこと。

発明名称該当無し※該当がない項目の欄には「該当なし」と記載のこと。
※主任研究者が班全員分の内容を記載のこと。

登録番号

特許権者(申請者）（共願は全記載）

登録日(申請日)

出願国