生化学講座

　生化学講座では、骨、軟骨および関節の発生・分化・代謝に関する研究を中心に行っています。特に、骨・軟骨疾患および悪性腫瘍の骨転移に対する新規治療法の開発の基盤構築を目指して、骨、軟骨、関節の発生・分化・代謝が、どのように制御されているかを分子、細胞、そして個体レベルで明らかにすべく研究に取り組んでいます。未曾有の超高齢社会の到来に伴い、骨および軟骨組織を破壊する歯周疾患、骨粗鬆症、変形性関節症、関節リウマチ、悪性腫瘍の骨転移などの骨・軟骨疾患の増加が大きな社会問題となりつつあります。骨粗鬆症が進行し、大腿骨骨折を来たしますと、患者の QOLのみならず生命までも脅かされます。また関節疾患は中高年齢者の活動性を著しく損ないます。近年の抗癌療法の格段の進歩により、悪性腫瘍の原発巣、あるいは肺、肝などの軟組織臓器への転移はかなり制御可能となり、その結果、癌患者の生存率は大幅に向上しました。しかしその一方で、 形成速度がゆるやかなためにこれまで殆ど発見できなかった骨への転移が、生存期間の延長により俄かに大きな問題としてクローズアップされております。癌が骨に転移すると、激しい骨性疼痛、あるいは病的骨折などが誘発され、患者のQOLおよび予後が大きく脅かされます。このように21世紀においては、骨・軟骨におけるこれら疾患の増大に対して科学的に有効な解決策を打ち出す必要があります。このことを現実化、具現化するためには、骨、軟骨、関節の形成・分化・代謝機構および上記疾患の発症メカニズムを分子レベルで明らかにする必要があります。そこで本教室では、最新の細胞生物学、分子生物学、遺伝子工学、マウスジェネティクスならびに形態学的解析を駆使して研究を行っています。特に、超高速シークエンサー解析や質量分析のバイオインフォマティクス技術も駆使して、細胞内シグナル伝達、転写因子、エピゲノム制御を研究アプローチの中心としています。さらにin vivoでの検討を展開するために、ゲノム編集技術を活用して、精力的にノックアウトマウスおよびノックインマウスを作製し、その表現型の解析を行っています。また研究を有機的かつダイナミックに進めるために、多くの国内外の研究者との共同研究、交流も積極的に行い、世界トップレベルに比肩できる研究の遂行を目指しています。さらに｢世界に羽ばたく“人財”の育成｣をスローガンに若い研究者の教育にも熱心に取り組んでおりますので、歯科医学、医学、生命科学および関連する臨床的研究に興味のある方は、当教室まで連絡ください。

職名	氏名	E-mail（以下に@osaka-u.ac.jp をつけてください）
教授
准教授	波多　賢二	hata.kenji.dent
講師	村上　智彦	murakami.tomohiko.dent
助教	杉原　真依子
(兼任）准教授	高畑　佳史	takahata.yoshifumi.dent
特任教授	西村　理行	nishimura.riko.dent

　脊椎動物の骨格は、骨芽細胞による直接的に骨が形成される膜性骨形成と、軟骨細胞形成を経た内軟骨性骨形成の二つの様式により形成されています。頭蓋骨と一部の骨を除き、多くの骨は、内軟骨性骨形成により形成されています。したがって、ヒトの顎顔面を始めとする骨格形成を理解するためには、内軟骨性骨形成に関する研究が重要です。本教室では、未分化間葉系幹細胞から軟骨細胞の分化に必須である転写因子Sox9の機能制御やエピゲノム調節に関与する分子群のクローニングと機能解析について精力的に研究を進めています。また増殖軟骨細胞から肥大軟骨細胞に分化する過程にインディアンヘッジホッグ(Ihh)が重要な役割を果たしていることを明らかにしました。さらに内軟骨性骨形成の最終過程に転写因子Osterixが必須であることを示しています。またシングルセルRNA-seq解析を用いた、軟骨細胞の分化プロファイリングも進めている。
★ 関連論文
1. Ono K, Hata K, Nakamura E, Ishihara S, Kobayashi S, Nakanishi M, Yochida M, Takahata Y, Murakami T, Takenoshita S, Komori T, Nishimura R, Yoneda T. Dmrt2 promotes transition of endochondral bone formation by linking Sox9 and Runx2. Communications Biology 2021. 4: 326 doi.org/10.1038/s42003-021-01848-1
2. Nakamura E, Hata K, Takahata Y, Kurosaka H, Abe M, Abe T, Kihara M, Komori T, Kobayashi S, Murakami T, Inubushi T, Yamashiro T, Yamamoto S, Akiyama H, Kawaguchi M, Sakata N, Nishimura R. Zfhx4 regulates endochondral ossification as the transcriptional platform of Osterix in mice. 4: 1258 Communications Biology 2021. DOI: org/10.1038/s42003-021-02793-9
3. Yoshida M, Hata K, Takashima R, Ono K, Nakamura E, Takahata Y, Murakami T, Iseki S, Takano-Yamamoto T, Nishmura R, Yoneda T. The transcription factor Foxc1 is necessary for Ihh-Gli2-regulated endochondral ossification. Nature Commun. 2015, 6:6653 DOI: 10.1038/ncomms7653
4. Hata K, Takashima R, Amano K, Ono K, Nakanishi M, Yoshida M, Wakabayashi M, Matsuda A, Maeda Y, Suzuki Y, Sugano S, Whitson RH, Nishimura R, Yoneda T. Arid5b facilitates chondrogenesis by recruiting the histone demethylase Phf2 to Sox9-regulated genes. Nature Commun. 2013, 4: 2850 DOI: 10.1038/ncomms3850
5. Nishimura R, Wakabayashi M, Hata K, Matsubara T, Honma S, Wakisaka S, Kiyonari H, Shioi G, Yamaguchi A, Tsumaki N, Akiyama H, Yoneda T. Osterix regulates calcification and degradation of chondrogenic matrices through matrix metalloproteinase 13 (MMP13) expression in association with transcription factor Runx2 during endochondral ossification. J Biol Chem. 2012, 287:33179-90
6. Ichiyama-Kobayashi S, Hata K*, Wakamori K, Takahata Y, Murakami T, Yamanaka H, Takano H, Yao R, Uzawa N, Nishimura R. Chromatin profiling identifies chondrocyte-specific Sox9 enhancers important for skeletal development. JCI Insight. 2024 DOI: 10.1172/jci.insight.175486 20247.

7. Takigawa Y, Hata K, Muramatsu S, Amano K, Ono K, Wakabayashi M, Matsuda A, Takada K, Nishimura R, Yoneda T.　The transcription factor Znf219 regulates chondrocyte differentiation by assembling a transcription factory with Sox9. J Cell Sci. 2010, 123:3780-8.

8. Amano K, Hata K, Sugita A, Takigawa Y, Ono K, Wakabayashi M, Kogo M, Nishimura R, Yoneda T. Sox9 family members negatively regulate maturation and calcification of chondrocytes through up-regulation of parathyroid hormone-related protein. Mol Biol Cell. 2009, 20: 4541-51.
9. Hata K, Nishimura R, Muramatsu S, Matsuda A, Matsubara T, Amano K, Ikeda F, Harley VR, Yoneda T. Paraspeckle protein p54nrb links Sox9-mediated transcription with RNA processing during chondrogenesis in mice. J Clin Invest. 2008, 118: 3098-108.
10. Amano K, Ichida F, Sugita A, Hata K, Wada M, Takigawa Y, Nakanishi M, Kogo M, Nishimura R, Yoneda T. MSX2 stimulates chondrocyte maturation by controlling Ihh expression. J Biol Chem. 2008, 283: 29513-21.

変形性関節症と関節リウマチの患者数は、それぞれ2000～3000万人、100万人と推定されている。変形性関節症ならびに関節リウマチの原因は異なっているが、双方とも関節軟骨の破壊を来たす難治性疾患です。これら関節疾患に対する治療戦略を構築するためには、疾患の発症機序の解明ととともに、関節軟骨の発生・分化に対する理解を深める必要があります。関節軟骨は、肥大化あるいは石灰化しない永久軟骨であり、内軟骨性骨形成に携わる成長軟骨とは、大きく異なる特性を有しています。本研究室では、ゲノム編集技術を駆使して、関節軟骨細胞の発生ならびに分化に関わる転写因子およびシグナル分子の同定を行っています。またインフラマソームと関節リウマチとの関連についても検討を進めています。また、関節リウマチの発症に転写因子Arid5aが関与している可能性を検討している。特に最近では、ゲノム編集技術を応用してハイスループットスクリーニング系を構築して、関節軟骨の再生あるいは修復を促す創薬開発にも取り組んでいます。さらにRNA-seqやMicrosarrayを始めとする遺伝子クローニング手法にて同定した転写因子を用いて、ダイレクトリプログラミング法による組織再生療法の開発にも注力しています。
★ 関連論文

1. Murakami T, Takahata Y, Hata K, Ebina K, Hirose K, Ruengsinpinya L, Nakaminami Y, Yuki Etani Y, Kobayashi S, Maruyama T, Nakano H, Kaneko T, Toyosawa S, Asahara H, Nishimura R. Semaphorin 4D induces articular cartilage destruction and inflammation in joints by transcriptionally reprogramming chondrocytes. (2022) Science Signaling 15 (758) eabl5304. doi: 10.1126/scisignal.abl5304.

2. Yagi H, Takahata Y, Murakami T, Nakaminami Y, Hagino H, Yamamoto S, Murakami S, Hata K, Nishimura R. Transcriptional regulation of FRZB in chondrocytes by Osterix and Msx2. J Bone Miner Metab2022, DOI: org/10.1007/s00774-022-01345-3

3. Takahata Y, Nakamura E, Hata K, Wakabayashi M, Murakami T, Waqkamori K, Yoshikawa H, Matsuda A, Fukui N, Nishimura R. Sox4 is involved in osteoarthritic cartilage deterioration through induction of ADAMTS4 and ADAMTS5. FASEB J 2019, 33: 619-630.

4. Tanaka J, Ogawa M , Hojo H, Kawashima Y, Mabuchi Y, Hata K, Nakamura S, Yasuhara R, Takamatsu K, Irié T, Fukada T, Sakai S, Inoue T, Nishimura R, Prof, Ohara O, Saito I, Ohba S, Tsuji T, Mishima K. Generation of orthotopically functional salivary gland from embryonic stem cells. Nature Commun 2018, 9: 4216 doi.org/10.1038/s41467-018-06469-7

5. Masuda K, Ripley B, Nishimura R, Mino T, Takeuchi O, Shioi G, Kiyonari H, Kishimoto T. Arid5a controls IL-6 mRNA stability, which contributes to elevation of IL-6 level in vivo. Proc Natl Acad Sci USA. 2013, 110: 9409-14.

6. Amano K, Hata K, Muramatsu S, Wakabayashi M, Takigawa Y, Ono K, Nakanishi M, Takashima R, Kogo M, Matsuda A, Nishimura R, Yoneda T. Arid5a cooperates with Sox9 to stimulate chondrocyte-specific transcription. Mol Biol Cell. 2011, 22: 1300-11.

　膜性骨形成を理解するためには、未分化間葉系幹細胞から骨芽細胞の分化機構を理解する必要があります。本研究室では、骨形成因子BMP2のシグナル伝達分子として世界で初めてSmad5の同定と機能解析に成功しました。Smad分子の下流で機能する転写因子として、Runx2およびOsterixの関与を明らかにしています。さらに、Runx2あるいはOsterixの標的分子を同定し、その候補分子のノックアウトマウスを作製し、これら標的分子の機能解析を進めています。またBMP2に加えて、骨形成作用を有するサイトカインIhhやWntの細胞内シグナル伝達機構に関する検討も行っています。
★ 関連論文
1. Takahata Y, Hagino H, Kimura A, Urushizaki M, Kobayashi S, Wakamori K, Fujiwara C, Nakamura E, Yu K, Kiyonari H, Bando K, Murakami T, Komori T, Hata K, Nishimura R. Smoc1 and Smoc2 regulate bone formation as downstream molecules of Runx2. Communications Biology 2021,4: 1199 doi.org/10.1038/s42003-021-02717-7
2. Omatsu Y, Aiba S, Maeta T, Higaki K, Aoki K, Watanabe H, Kondoh G, Nishimura R, Takeda A, Chung U, , Nagasawa T. Runx1 and Runx2 inhibit fibrotic conversion of cellular niches for hematopoietic stem cells. Nature Commun 2022,13: 2654 DOI: org/10.1038/s41467-022-30266-y | www.nature.com
3. Kida J, Hata K, Nakamura E, Yagi H, Takahata Y, Murakami T, Maeda Y, Nishimura R. Interaction of LEF1 with TAZ is necessary for the osteoblastogenic activity of Wnt3a. Sci Rep 2018, 8 :10375. doi: 10.1038/s41598-018-28711-42.
4. Kawane T, Qin X, Jiang Q, Miyazaki T, Komori H, Yoshida CA, dos Santos Matsuura-Kawata VK, Sakane C, Matsuo Y, Nagai K, Maeno T, Date Y, Nishimura R, Komori T. Runx2 is required for the proliferation of osteoblast progenitors and induces proliferation by regulating Fgfr2 and Fgfr3. Sci Rep 2018, 8: doi: 10.1038/s41598-018-31853-0.10.1038/s41598-018-31853-01.
5. Chudnovsky Y, Kim D, Zheng S, Whyte WA, Bansal M, Bray MA, Gopal S, Theisen MA, Bilodeau S, Thiru P, Muffat J, Yilmaz OH, Mitalipova M, Woolard K, Lee J, Nishimura R, Sakata N, Fine HA, Carpenter AE, Silver SJ, Verhaak RG, Califano A, Young RA, Ligon KL, Mellinghoff IK, Root DE, Sabatini DM, Hahn WC, Chheda MG. ZFHX4 interacts with the NuRD core member CHD4 and regulates the glioblastoma tumor-initiating cell state. Cell Reports 2014, 6: 313-24.
6. Matsubara T, Kida K, Yamaguchi A, Hata K, Ichida F, Meguro H, Aburatani H, Nishimura R, Yoneda T. BMP2 regulates Osterix through Msx2 and Runx2 during osteoblast differentiation.　J Biol Chem. 2008, 283: 29119-25
7. Shimoyama A, Wada M, Ikeda F, Hata K, Matsubara T, Nifuji A, Noda M, Amano K, Yamaguchi A, Nishimura R, Yoneda T. Ihh/Gli2 signaling promotes osteoblast differentiation by regulating Runx2 expression and function. Mol Biol Cell. 2007,18: 2411-8.

　骨軟骨疾患、肥満、糖尿病、動脈硬化、神経変性疾患、がんなどの疾患発症に、慢性炎症や小胞体ストレスが関与することがわかってきました。しかし慢性炎症や小胞体ストレスがどのような分子メカニズムで病態形成に関わるかはよくわかっていません。近年、慢性炎症の発症に、インフラマソームと呼ばれるタンパク質複合体が密接に関与することが明らかにされ注目されています。インフラマソームは、感染や様々な生体ストレスに応答して、NOD-like receptors (NLRs), adaptor protein (ASC), Caspase-1が複合体を構築することにより形成され、インフラマソームが形成されると、Caspase-1が活性化され、引き続き炎症性サイトカイン（IL-β, IL-18）の分泌、そして細胞死（pyroptosis）を誘導します。インフラマソームが各種疾患発症に関わることが示唆されている一方で、インフラマソームがどのような分子メカニズムで活性化され、どのような分子経路で病態形成に関わるかは未だ不明です。インフラマソームが病態形成に関わる分子機構とその役割を明らかにすることは、慢性炎症が引き起こす歯周疾患や関節リウマチなど各種慢性炎症疾患の発症メカニズム解明につながり、その新規治療戦略を構築することに大きく貢献すると期待しています。
★ 関連論文
1. Murakami T, Ruengsinpinya L, Nakamura E, Takahata Y, Hata K, Okae H, Taniguchi S, Takahashi M, Nishimura R. G protein subunit beta 1 negatively regulates NLRP3 inflammasome activation. J Immunol (Cutting Edge) 2019, 202: 1942-1947.
2. Yu J, Nagasu H, Murakami T, Hoang H, Broderick L, Hoffman HM, Horng T. Inflammasome activation leads to Caspase-1-dependent mitochondrial damage and block of mitophagy. Proc Natl Acad Sci USA. 2014, 111:15514-15519
3. Murakami T, Ockinger J, Yu J, Byles V, McColl A, Hofer AM, Horng T. Critical role for calcium mobilization in activation of the NLRP3 inflammasome. Proc Natl Acad Sci USA. 2012, 109: 11282-7.
4. Murakami T, Saito A, Hino S, Kondo S, Kanemoto S, Chihara K, Sekiya H, Tsumagari K, Ochiai K, Yoshinaga K, Saitoh M, Nishimura R, Yoneda T, Kou I, Furuichi T, Ikegawa S, Ikawa M, Okabe M, Wanaka A, Imaizumi K. Signalling mediated by the endoplasmic reticulum stress transducer OASIS is involved in bone formation. Nature Cell Biol. 2009, 11: 1205-11.
5. Saito A, Hino S, Murakami T, Kanemoto S, Kondo S, Saitoh M, Nishimura R, Yoneda T, Furuichi T, Ikegawa S, Ikawa M, Okabe M, Imaizumi K. Regulation of endoplasmic reticulum stress response by a BBF2H7-mediated Sec23a pathway is essential for chondrogenesis. Nature Cell Biol. 2009, 11: 1197-204.

　骨粗鬆症、歯周疾患のみならず、多くの骨疾患では、破骨細胞による骨破壊が進行します。これら疾患に対して有効な治療法を樹立するためには、破骨細胞の分化機構ならびに骨吸収機構の解明が必須です。本教室では、破骨細胞形成因子RANKLにより活性化される転写因子、c-Junが破骨細胞の形成に必須であることを発見しています。さらにc-Junの転写パートナーとしてNFAT2/NFATc1の同定にも成功しました。一方、破骨細胞による骨吸収メカニズムを明らかにするために、破骨細胞の骨吸収機能に必須であるチロシンキナーゼc-Srcの制御機構に関する研究も行なっています。
★ 関連論文
1. DeSelm CJ, Miller BC, Zou W, Beatty WL, van Meel E, Takahata Y, Klumperman J, Tooze SA, Teitelbaum SL, Virgin HW. Autophagy proteins regulate the secretory component of osteoclastic bone resorption. Dev Cell. 2011, 21: 966-74.
2. Matsubara T, Ikeda F, Hata K, Nakanishi M, Okada M, Yasuda H, Nishimura R, Yoneda T. Cbp recruitment of Csk into lipid rafts is critical to c-Src kinase activity and bone resorption in osteoclasts. J Bone Miner Res. 2010, 25: 1068-76
3. Ikeda F, Matsubara T, Tsurukai T, Hata K, Nishimura R, Yoneda T. JNK/c-Jun signaling mediates an anti-apoptotic effect of RANKL in osteoclasts. J Bone Miner Res. 2008, 23: 907-14.
Ikeda F, Nishimura R, Matsubara T, Hata K, Reddy SV, Yoneda T. Activation of NFAT signal in vivo leads to osteopenia associated with increased osteoclastogenesis and bone-resorbing activity. J Immunol. 2006, 177: 2384-90.
4. Ikeda F, Nishimura R, Matsubara T, Tanaka S, Inoue J, Reddy SV, Hata K, Yamashita K, Hiraga T, Watanabe T, Kukita T, Yoshioka K, Rao A, Yoneda T. Critical roles of c-Jun signaling in regulation of NFAT family and RANKL-regulated osteoclast differentiation. J Clin Invest. 2004, 114: 475-84.