多能性幹細胞からの骨形成前駆細胞の系統特異的分化により、神経堤由来の骨形成前駆細胞におけるFGF1-RUNX2の関連性が明らかになった

Lineage-specific differentiation of osteogenic progenitors from pluripotent stem cells reveals the FGF1-RUNX2 association in neural crest-derived osteoprogenitors.

• Fahad Kidwai
• Byron W H Mui
• Deepika Arora
• Kulsum Iqbal
• Madison Hockaday
• Luis Fernandez de Castro Diaz
• Natasha Cherman
• Daniel Martin
• Vamsee D Myneni
• Moaz Ahmad
• Katarzyna Futrega
• Sania Ali
• Randall K Merling
• Dan S Kaufman
• Janice Lee
• Pamela G Robey

抄録

ヒト多能性幹細胞（hPSC）は、骨の器官形成や疾患をモデル化するためのプラットフォームを提供することができる。ヒト骨格の発生過程を反映するために、hPSCの分化方法は、3つの異なる胚系統に由来する骨原性前駆細胞（OP）を含むべきである：傍軸中胚葉、側板中胚葉、および神経堤。OPの分化プロトコルが開発されていますが、それらが由来する系統だけでなく、それらの遺伝的および分子的違いの特性評価は、よく報告されていません。そこで、ヒト胚性幹細胞とヒト誘導多能性幹細胞から系統特異的なOPを生成するために、それぞれのOPサブ集団に向けて、側板中胚葉様細胞、側板中胚葉様細胞、神経堤様細胞を段階的に分化させていきました。その結果、分化に成功し、遺伝子発現とin vivoアッセイで確認されたことから、3つの細胞集団すべてのトランスクリプトームシグネチャーを同定することができた。また、神経クレスト由来のOPではFGF1が高レベルであることを初めて明らかにしました。本研究の結果は、FGF1がRUNX2レベルに影響を与え、同時にERK1/2シグナル伝達にも影響を与えていることを示しています。以上の結果から、我々の研究は、骨の発達と疾患のモデル化を可能にするhPSCsの能力をさらに検証し、これらのプロセスに影響を及ぼす新たな重要な経路を明らかにした。

Human pluripotent stem cells (hPSCs) can provide a platform to model bone organogenesis and disease. To reflect the developmental process of the human skeleton, hPSC differentiation methods should include osteogenic progenitors (OPs) arising from three distinct embryonic lineages: the paraxial mesoderm, lateral plate mesoderm, and neural crest. Although OP differentiation protocols have been developed, the lineage from which they are derived, as well as characterization of their genetic and molecular differences, has not been well reported. Therefore, to generate lineage-specific OPs from human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells, we employed stepwise differentiation of paraxial mesoderm-like cells, lateral plate mesoderm-like cells, and neural crest-like cells toward their respective OP subpopulation. Successful differentiation, confirmed through gene expression and in vivo assays, permitted the identification of transcriptomic signatures of all three cell populations. We also report, for the first time, high FGF1 levels in neural crest-derived OPs-a notable finding given the critical role of fibroblast growth factors (FGFs) in osteogenesis and mineral homeostasis. Our results indicate that FGF1 influences RUNX2 levels, with concomitant changes in ERK1/2 signaling. Overall, our study further validates hPSCs' power to model bone development and disease and reveals new, potentially important pathways influencing these processes.

©2020 The Authors. Stem Cells published by Wiley Periodicals, Inc. on behalf of AlphaMed Press 2020.