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ヒト胚性幹細胞（ESC）の軟骨形成過程における転写因子-マイクロRNA制御ネットワーク
The Transcription Factor-microRNA Regulatory Network during hESC-chondrogenesis.
PMID: 32179818 PMCID: PMC7075910. DOI: 10.1038/s41598-020-61734-4.
抄録
ヒト胚性幹細胞（ESC）は、変形性関節症（OA）の治療法として有望なアプローチを提供します。軟骨細胞への分化が可能な無限の細胞源は、損傷した軟骨の修復や、遺伝子編集による疾患モデルの作成の可能性を秘めています。しかし、軟骨細胞への分化の効率が悪いため、その利用には限界があります。軟骨形成の転写および転写後の制御の理解が向上すると、hESC 軟骨分化プロトコルを改善することが可能になります。スモール RNA-seq と全トランスクリプトームシークエンスは、hESC が誘導する軟骨形成の異なる段階で実施されました。その結果、既知の軟骨関連マイクロRNAやHox複合体から転写されたマイクロRNAのアップレギュレーションや、多能性関連マイクロRNAのダウンレギュレーションなど、いくつかのマイクロRNAの発現に大きな変化が見られました。hESCによる軟骨形成中に生成されたmiRomeとトランスクリプトームを統合することで、多能性、原始的な筋、四肢の発達、細胞外マトリックスに関連した共発現microRNAとタンパク質をコードする遺伝子の機能的に関連した主要なクラスタが同定された。解析の結果、10個のターゲットを持つmiR-29c-3pが共調節された「ECM組織化」遺伝子として同定され、またmiR-22-3pはECM遺伝子と高度に共発現しており、これらの遺伝子を間接的に調節している可能性があることが判明した。我々は、四肢のパターニングに関与するHOXA9/A10/D13、ECM関連遺伝子に富む標的を持つRELA、JUN、NFAT5など、アップレギュレーションされた転写因子を同定した。我々は、タンパク質-タンパク質相互作用、転写因子制御、miRNA標的相互作用を用いて、トランスクリプトームとmiRomeを統合するための偏りのないアプローチを開発し、hESC軟骨形成における主要な制御ネットワークを同定した。
Human embryonic stem cells (ESCs) offer a promising therapeutic approach for osteoarthritis (OA). The unlimited source of cells capable of differentiating to chondrocytes has potential for repairing damaged cartilage or to generate disease models via gene editing. However their use is limited by the efficiency of chondrogenic differentiation. An improved understanding of the transcriptional and post-transcriptional regulation of chondrogenesis will enable us to improve hESC chondrogenic differentiation protocols. Small RNA-seq and whole transcriptome sequencing was performed on distinct stages of hESC-directed chondrogenesis. This revealed significant changes in the expression of several microRNAs including upregulation of known cartilage associated microRNAs and those transcribed from the Hox complexes, and the downregulation of pluripotency associated microRNAs. Integration of miRomes and transcriptomes generated during hESC-directed chondrogenesis identified key functionally related clusters of co-expressed microRNAs and protein coding genes, associated with pluripotency, primitive streak, limb development and extracellular matrix. Analysis identified regulators of hESC-directed chondrogenesis such as miR-29c-3p with 10 of its established targets identified as co-regulated 'ECM organisation' genes and miR-22-3p which is highly co-expressed with ECM genes and may regulate these genes indirectly by targeting the chondrogenic regulators SP1 and HDAC4. We identified several upregulated transcription factors including HOXA9/A10/D13 involved in limb patterning and RELA, JUN and NFAT5, which have targets enriched with ECM associated genes. We have developed an unbiased approach for integrating transcriptome and miRome using protein-protein interactions, transcription factor regulation and miRNA target interactions and identified key regulatory networks prominent in hESC chondrogenesis.