細胞運命のコミットメントとワディントンのランドスケープモデル

ワディントンのエピジェネティック・ランドスケープは、発生時の細胞分化の進行的な制限を説明するために何十年にもわたって利用されてきました。


ワディントンのランドスケープモデルと現代の課題

1957年、Conrad Waddingtonは、哺乳類の発生は、一方向性であると説明しました。つまり、胚性幹細胞は、より成熟した分化状態に発達するということです。

この発想は、ワディントンの山の頂上から谷底に転がるボールとして形容されてきました(図1a)。正常発生時の細胞分化能は、自然に制限されていることを視覚的に示しています。しかし、一連の画期的な実験により、細胞運命は、柔軟で可逆的であることが示されました。人工多能性幹細胞(iPSC)は、多様な種類の体細胞をリプログラミングすることで作製でき、またこれらのiPSCが他の体細胞型に分化できるという画期的な発見により、多能性の状態は、ワディントンモデルの頂上にある、異なる系統の経路をつなぐハブのような状態と言えます(図1b)。さらに、細胞運命が相互変換可能であるかどうかという概念は、多能性の文脈外で、すでに数十年前に議論されていました。その後のさらなる研究で、同じ胚葉層内の関連する系統間の細胞運命の変換が成功したことを示す追加のエビデンスが提示されました(図1c)。

しかし、ある胚葉の細胞が別の胚葉に属する細胞型に変換できるかどうかは不明であるため、この考えを普遍的に拡張するためには、まだ多くの研究が必要です。

図1.ワディントンのエピジェネティック・ランドスケープモデル、a)正常発生時、b)多能性リプログラミング時、c)直接変換。

現在では、リプログラミングの際、細胞は実際に分化した状態から多能性の状態に移行することが知られています。細胞の可塑性を示す最初の実験的な兆候は、除核卵への体細胞核の移植実験、または体細胞と多能性幹細胞との融合実験でした。これらの実験により、体細胞ゲノムのエピジェネティックプログラムを消去し、細胞を多能性状態にまで若返らせることができることが実証されました。

また、組織特異的転写因子の異所性発現は、分化転換(直接細胞変換)として知られているプロセスで、分化した細胞を別の系統の細胞に変換できることを示唆します。概念的には、このプロセスは、ワディントンのランドスケープの尾根を横切って、一つの谷から別の谷へと移動するように描かれています(図2)。

図2.細胞運命の可塑性とワディントンのランドスケープ(2に基づく)。

ヒト多能性幹細胞の概念

2006年、山中らは、疾患モデリングと再生医療のための新しいパラダイムを作製しました(3)。彼らのコンセプトは、選択された4つの転写因子Oct3/4、Sox2(図3)、Klf4(図4)、およびc-Mycを組み合わせて、4つの遺伝子のレトロウイルス導入により、マウス胚性培養物または成体線維芽細胞培養物から直接iPSCを作製することでした。この概念は後に、ヒトの体細胞に翻訳されました(4)。

図3.1:50に希釈した20118-1-AP(SOX2抗体)と、Alexa Fluor 488標識AffiniPureヤギ 抗ウサギIgG(H+L)を用いて、(4% PFA)固定したマウス胚組織の免疫蛍光分析。 図4.1:200で希釈した11880-1-AP(KLF4抗体)を用いたパラフィン包埋マウス胚組織スライドの免疫組織化学染色(10倍レンズ下)。Tris-EDTA緩衝液(pH9)で回収された熱処理抗原。

ワディントンのモデルでは、幹細胞は山の頂上であり、小さなボールのように転がり落ちて、より分化した細胞になるとしています(5)。この間、細胞は不要な遺伝情報を削除したり、不活性化させたりすることで特殊化すると考えられていました。その後、1962年、ガードンは核リプログラミングによって、成体の体細胞を多能性幹細胞(PSC)に復元できることを初めて示しました。彼は、オタマジャクシの体細胞の核を除核卵母細胞に移植し、卵母細胞の細胞質中の因子が体細胞核を多能性状態にリプログラムでき、クローン化したカエルを得ることに成功したことを示しました(6)。これは、細胞が自らの分化中にその情報を失うことはないことを意味します。すなわち、使用されていない遺伝子は、ただ沈黙しているだけで、適切な刺激に曝されると再活性化することができる、ということです。

ヒト胚性幹細胞(ESC)とiPSC

ヒトESCとiPSCは、自己複製が可能であり、in vitroでは3つの胚葉層すべてに分化することができます。着床前胚の内部細胞塊から単離されたヒトESCは、実験目的での導出が倫理的に困難です(7)。このように、ヒトESCの研究利用には一定の制限があります。最近では、iPSCを作製する画期的な技術が幹細胞を使った研究や治療の新たな道を切り開きました。マウス由来のiPSCは、多能性転写因子の過剰発現を介して体細胞をリプログラミングすることにより得られました(3)。これらのiPSCsは、自己複製能力と3つの胚葉層すべてへの分化能に関してESCに類似しています。そのちょうど1年後、本家本元の山中の因子(Oct3/4、Sox2、Klf4、およびc-Myc)(4)または類似のヒト多能性遺伝子(OCT4(図5)、SOX2、NANOG、およびLIN28(図6))のいずれかを異所性で共発現させることにより、ヒトiPSCをヒト体細胞からリプログラミングさせることに成功しました(8)。

図5.1:50に希釈した11263-1-APを用いた、ヒト胚性幹細胞の共焦点免疫蛍光分析。FITCは11263-1-AP/FITCによる染色を示す。

図6.si-対照およびsi-LIN28をトランスフェクトしたNCCIT細胞による、LIN28抗体(11724-1-AP、1:500)のWBデータ。

ヒトiPSCは、形態学的および機能的特性を含めてヒトESCの特性を示します(9)。したがって、ヒト体細胞由来のヒトiPSCは、臓器発生の模倣、ヒト疾患のモデル化、新薬の標的のスクリーニング、in vitroおよびin vivoでの患者特異的な再生医療の開発に有望なツールです。


 

参考文献

1. Leveling Waddington: the emergence of direct programming and the loss of cell fate hierarchies.

2. A decade of transcription factor-mediated reprogramming to pluripotency.

3. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.

4. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors.

5. Genetic assimilation.

6. Adult frogs derived from the nuclei of single somatic cells.

7. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts.

8. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells.

9. A high-efficiency system for the generation and study of human induced pluripotent stem cells.

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Posted:
19 April, 2018

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