人工多能性幹細胞

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iPS細胞の作製法生体から得た細胞を培養するウイルスベクターを用いて分化万能性の獲得に必要な遺伝子を導入する（赤色が遺伝子導入された細胞）細胞を一旦集め、ES細胞の培養法にしたがい、フィーダー細胞の存在下、専用培地で培養する遺伝子導入された細胞の一部がiPS細胞となり、ES細胞様のコロニーを形成する
iPS細胞の作製法
  1. 生体から得た細胞を培養する
  2. ウイルスベクターを用いて分化万能性の獲得に必要な遺伝子を導入する（赤色が遺伝子導入された細胞）
  3. 細胞を一旦集め、ES細胞の培養法にしたがい、フィーダー細胞の存在下、専用培地で培養する
  4. 遺伝子導入された細胞の一部がiPS細胞となり、ES細胞様のコロニーを形成する
再生医療におけるiPS細胞の肺の再生への適用例の模式図（実用化は未だなされていない。また器官の大きさは実際のものと異なる）
再生医療におけるiPS細胞の肺の再生への適用例の模式図（実用化は未だなされていない。また器官の大きさは実際のものと異なる）

iPS細胞 (induced pluripotent stem cells、人工多能性幹細胞、じんこうたのうせいかんさいぼう,もしくは「誘導多能性幹細胞｣[1])とは、体細胞（主に線維芽細胞）へ数種類の転写因子(遺伝子)を導入することにより、ES細胞（胚性幹細胞）に似た分化万能性（pluripotency）を持たせた細胞のこと。京都大学の山中伸弥教授らのグループによって世界で初めて作出された。

元来、生物を構成する種々の細胞に分化し得る分化万能性は、胚盤胞期の胚の一部である内部細胞塊や、そこから培養されたES細胞、及びES細胞と体細胞の融合細胞、一部の生殖細胞由来の培養細胞のみに見られる特殊能力であったが、iPS細胞樹立法の発見により、受精卵やES細胞をまったく使用せずに分化万能細胞を単離培養することが可能となった。

分化万能性を持った細胞は理論上、体を構成するすべての組織や臓器に分化誘導することが可能であり、ヒトの患者自身からiPS細胞を樹立する技術が確立されれば、免疫拒絶の無い移植用組織や臓器の作製が可能になると期待されている。予てよりヒトES細胞の使用において懸案であった、胚盤胞を滅失することに対する倫理的問題の抜本的解決に繋がることから、再生医療の実現に向けて、世界中の注目が集まっている。

目次

[編集] 概略

植物は基本的には組織切片から全体を再生することができる。例えばニンジンを5mm角程度に切り出し、エタノールなどにつけて消毒し、適切な培地に入れて適切な（温度・日照などの）条件におけば胚・不定芽などを経て生育し、元のニンジン同様の形になる。（組織培養）

しかし、（高等）動物では、受精卵以外の組織はこうした能力（分化全能性）を持たない。一方、培養下において、すべての組織に分化し得る能力（分化万能性）を持つ細胞は存在する。一般論をいえば、これらの分化万能性を持つ動物の細胞を適切な培地にいれて適切な条件で培養しても、秩序だった組織は形成されず、細胞の塊ができるだけである。しかし、これらの細胞から組織、器官を分化・形成させることができれば、事故や病気などで失ってしまった体の部分を移植元の人体の提供なしに移植することができる。また、他人の組織移植に伴う拒絶反応の発生を抑制することも可能となると考えられる。そのため培養による組織の形成には様々な試みがなされてきた。

ES細胞はその代表例であり、体を構成する様々な器官に誘導することが可能であることが知られていた。しかしES細胞は胚（受精卵）からしか得ることができず、胚の採取は危険を伴うこと、順調に発育すれば一個の生命となる胚を実験用に扱うことについては倫理的な問題も指摘されている。また、ES細胞の研究過程では韓国人研究者による捏造事件の発生などもあり、研究は一時期停滞していた。

そのため、皮膚や血液といった「一応再生が利く」組織からの分化万能性をもった細胞の作出が検討されていた。体細胞に特定の遺伝子を導入することでES細胞と類似の分化性を持たせた細胞が、人工多能性幹細胞である。

[編集] iPS細胞樹立の背景

ヒトの体はおよそ60兆個の細胞で構成されているが、元をたどればこれらの細胞はすべて、たった一つの受精卵が増殖と分化を繰り返して生まれたものである。この受精卵だけが持つ、神秘的なまでの分化能力を分化全能性(totipotent)と呼び、ヒトを構成するすべての細胞、および胎盤組織を自発的に作り得る能力を指す。受精卵が胚盤胞まで成長すると、将来胎盤を形成する細胞と、身体を形成する細胞へと最初の分化が起こる。後者の細胞は内部細胞塊に存在し、胎盤以外の全ての細胞へ分化可能なことから、これらの細胞がもつ分化能力を分化万能性(pluripotent)と呼ぶ[2]。この内部細胞塊から単離培養されたES細胞もまた、分化万能性を持ち、体を構成するすべての細胞に分化可能である。なお、成人にも神経幹細胞や造血幹細胞など、種々の幹細胞が知られているが、これらの幹細胞のもつ分化能力は、多様な細胞に分化可能であるものの神経系や造血系など一部の系統に限られているため、分化多能性(multipotent)と呼ばれている。

ES細胞などの分化万能細胞は、培養条件によって分化万能性を維持したまま増殖したり、多種多様な細胞へ分化することができる。しかしながら、分化万能細胞も体細胞も核内にもつ遺伝子の塩基配列情報は（テロメア部分などの一部を除き）全く同一であり、様々な遺伝子の発現量と、それを制御しているクロマチンの修飾様式、及びDNAのメチル化修飾様式などのエピジェネティクスに関する違いが認められるだけである。例えば、ES細胞はOct3/4やNanogなどの遺伝子を発現してES細胞としての分化万能性を維持しているが、末端分化した体細胞ではOct3/4やNanogなどの遺伝子を発現していない。全ての体細胞はOct3/4やNanogの遺伝子を核内に持ってはいるが、様々な転写因子やエピジェネティック機構により、発現が抑制されているのである。

こうした遺伝子発現パターンの違いを解析し、人為的に切り替えることができれば、分化した体細胞から分化万能細胞へ変換可能であると考えられていた。この仮説を裏付けていたのが、核移植技術によるクローン胚作製の成功である。すなわち、体細胞の核を取り出し、除核した未受精卵[3]内に移植することによって、核内の遺伝子発現パターンが体細胞の物から受精卵やES細胞の物へ変換可能であることが示されている。また、体細胞をES細胞と融合させることにより、体細胞のもつゲノムがES細胞様に変化することも知られていた。これはつまり、卵やES細胞の中に、核内のエピジェネティックな状態を再プログラミングすることが可能な因子が含まれていることを意味している。ただし、その因子が一体何であるのかは、長い間謎に包まれていた。

[編集] マウスiPS細胞の樹立

京都大学山中伸弥らのグループは、体細胞からES様細胞に変化した細胞だけを単離するために、ES細胞のみで発現しているが、ES細胞の分化万能性維持には必要でないFbx15という遺伝子に着目。この遺伝子部位に相同組換え技術を用いてネオマイシン耐性遺伝子を導入し、培地中にこの耐性遺伝子によって無毒化されるG418[4]を添加することによって、Fbx15を発現するES様細胞のみG418耐性を獲得して生き残り、Fbx15を通常発現していない体細胞は死滅するという実験系を構築した。また、マウスES細胞で特異的に発現している転写因子群の中から、特にES細胞の分化万能性維持に重要な働きを持つ因子に注目し、マウスの24遺伝子をリストアップした。この24遺伝子全てをレトロウイルスベクターを用いてマウス線維芽細胞へ導入した所、G418耐性を獲得した(Fbx15遺伝子を発現するようになった)ES様細胞株の樹立に成功した。このES様細胞株を「iPS細胞」と命名し、24遺伝子からさらに絞り込みを進め、最終的にiPS細胞を樹立するには4遺伝子で十分であることを突き止めた。この4遺伝子とは、Oct3/4・Sox2・Klf4・c-Mycの4因子で、発見者の名を取り”山中因子(Yamanaka factors)”とも呼ばれている。これらの研究成果は、2006年8月に細胞生物学分野で最も権威ある学術雑誌セルに掲載された[5]。

[編集] マウスiPS細胞作製法の改良

Fbx15遺伝子の発現を指標に樹立されたiPS細胞は、細胞形態や増殖能、分化能力などにおいてES細胞と極めて良く似ていたが、一部の遺伝子の発現パターンや、DNAメチル化パターンなどはES細胞と異なる部分もあった。そこで山中伸弥らのグループは、ES細胞の分化万能性維持に重要なNanog遺伝子の発現を指標に、Oct3/4・Sox2・Klf4・c-Mycの４因子を導入してiPS細胞を樹立した所、ES細胞とほぼ見分けのつかない分化万能性を持ったiPS細胞の樹立に成功した[6]。（2007年2月）

時をほぼ同じくして、マサチューセッツ工科大学のルドルフ・ヤニッシュ(Rudolf Jaenisch)らのグループ[7]、ハーバード幹細胞研究所のコンラッド・ホッケドリンガー（Konrad Hochedlinger）らのグループ、UCLA医科大学のキャスリン・プラース（Kathrin Plath）らのグループ[8]も、同様の方法を用いてマウスiPS細胞の樹立に成功した。

世界的にiPS細胞の樹立競争が激化する中、樹立方法も様々な改良が加えられて行く。 2007年8月、マサチューセッツ工科大学のルドルフ・ヤニッシュ(Rudolf Jaenisch)らのグループは、ES細胞特異的遺伝子の発現指標を使用しなくても、細胞の形態変化を観察するだけでiPS細胞を単離できることを示した[9] 。マウスにおいては、相同組換え技術により、指標となるES細胞特異的遺伝子の下流へ様々な遺伝子を組み込んだトランスジェニックマウスの作製が可能であるが、ヒトではまだ確立されていないので、ヒトiPS細胞の実現可能性に向けて一石を投じた。 また2007年9月には、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のミゲル・ハマーリョ-サントス（Miguel Ramalho-Santos）らのグループが、ヤニッシュらと同様に指標なしに加え、c-Mycの代わりにn-Mycを用い、レトロウイルスベクターの一種であるレンチウイルスベクターを用いてもiPS細胞の樹立は可能であることを示している[10]。

また、2007年12月には山中伸弥らのグループによって、c-Mycの遺伝子導入をせずにOct-4・Sox2・Klf4の３因子だけでも、効率は悪いもののマウスおよびヒトにおいてiPS細胞の樹立が可能であることを示し、iPS細胞が癌細胞に変化するのを抑えるのに成功した[11]。これは、ほぼ同時にマサチューセッツ工科大学のルドルフ・ヤニッシュ(Rudolf Jaenisch)らのグループも同様の実験にマウスで成功している[12]。

[編集] ヒトiPS細胞の樹立

マウスとヒトは遺伝子レベルで多くの類似性があるものの、マウスES細胞とヒトES細胞とでは、培養法や発現している遺伝子の種類などにおいていくつか異なる点がある。マウスiPS細胞の成功を受けて、同様の手法がヒトへも応用可能であるか大きな関心が集まった。

世界で初めてヒトES細胞を樹立したことで知られるジェームズ・トムソン（James Thomson）らのグループは、山中伸弥らがマウスiPS細胞樹立に成功した時と同じ戦略を用い、ヒトES細胞で特異的に発現している14遺伝子をリストアップ。この中から、OCT3/4・SOX2・NANOG・LIN28の４遺伝子を胎児肺由来の線維芽細胞や新生児包皮由来の線維芽細胞へ導入することで、ヒトiPS細胞の樹立に成功した[13]。(2007年11月20日)

時を同じく[14]して、京都大学山中伸弥らのグループも、マウスiPS細胞樹立で使用されたマウス遺伝子のヒト相同遺伝子であるOCT3/4・SOX2・KLF4・C-MYCを用いて、36歳女性の顔の皮膚から単離された線維芽細胞、69歳男性の線維芽様滑膜細胞、および新生児包皮由来の線維芽細胞から、それぞれヒトiPS細胞の樹立に成功した[15]。 (2007年11月20日)

2007年12月には、ハーバード幹細胞研究所のジョージ・デイリー（George Daley）らのグループもOCT3/4・SOX2・KLF4・C-MYCの4遺伝子にhTERT・SV40 large Tを加えた6遺伝子を用いてヒトiPS細胞の樹立に成功しており、競争の激しさがうかがい知れる[16]。なお、トムソンらや山中らの報告では、市販されている培養細胞からiPS細胞を樹立していたが、この報告では、成人男性の手のひらから直接採取した皮膚細胞からiPS細胞を樹立しており、再生医療の実現へ向けて一歩進んだと言える。

[編集] iPS細胞の将来と課題

iPS細胞樹立の成功により、ES細胞の持つ生命倫理的問題を回避することができるようになり、免疫拒絶の無い再生医療の実現に向けて大きな一歩となった。 宗教界からの評価の一例として、ローマ法王庁の生命科学アカデミー所長のスグレッチャは「難病治療につながる技術を受精卵を破壊する過程を経ずに行えることになったことを賞賛する」との趣旨の発表を行った。[17][18]

しかし、真の実用化までには、まだ課題がある。

マウスの実験において表面化した最大の懸念は、iPS細胞の癌化であった。iPS細胞の分化能力を調べるためにiPS細胞をマウス胚盤胞へ導入した胚を偽妊娠マウスに着床させ、キメラマウスを作製した所、およそ20%の個体において癌の形成が認められた。これはES細胞を用いた同様の実験よりも有意に高い数値であった。これはiPS細胞を樹立するのに発癌関連遺伝子であるc-Mycを使用している点と、遺伝子導入の際に使用しているレトロウイルスは染色体内のランダムな位置に遺伝子を導入するため、変異が起こり、内在性発癌遺伝子の活性化を引き起こしやすい点が原因と考えられた。その後、山中らは発癌遺伝子を使用しないiPS細胞の作出に成功したが、作出効率が極めて低下（1/100といわれる）するとの問題があった。

2007年12月、マサチューセッツ工科大学のルドルフ・ヤニッシュ(Rudolf Jaenisch)らのグループは、ヒトの鎌状赤血球貧血症遺伝子を組み込んだモデルマウスのしっぽからiPS細胞を樹立した後、相同組換えにより鎌状赤血球貧血症遺伝子を正常型に変える遺伝子治療を行い、造血幹細胞に分化させた後、放射線照射したモデルマウスに移植して治療を行い、マウスを回復させるという、拒絶反応のない移植医療の理想を示した。[19]。 しかし、ヒトiPS細胞から分化した細胞が、実際にヒトで本当に免疫拒絶を回避可能であるかどうかは、まだ実験的には証明されていない。

マウスES細胞が樹立されてから16年[20]、ヒトES細胞が樹立されてから9年が経ち、ES細胞からさまざまな種類の細胞を作り出すことに成功している。定期的に脈打つ心臓細胞や軸索を持った神経細胞、インスリンを分泌する膵臓ベータ細胞などはその例であるが、大部分はまだ細胞レベルの再生基礎研究であり、実際に移植した際の機能や組織補完能力についてはまだ良く分かっていない。また、高度な機能と構造を持った組織や臓器レベル(心臓、脳、膵臓等)の再生は、実用化に程遠いのが実情である。

一方、iPS細胞は、患者自身の細胞を用いて薬を評価したり、病気の解明の研究に用いるなど、全く新しい医学の分野が生み出される可能性を秘めており、これらの創薬・基礎医学への応用は近い将来実現すると考えられている。

21世紀はバイオの時代という言葉もある。今後の発展がきわめて期待されている。

[編集] 脚注・参考文献

  1. ^ この訳が原語の意味を正確に表現している。
  2. ^ 「pluripotent」の日本語訳については、科学者間でも曖昧な部分がある。辞書的な訳では「多能性」の方が正しいが、「totipotent(全能性)」と「multipotent」の中間の分化能力として捉えた場合、「万能性」と表記した方が妥当であろう。なお、ES細胞は特定の条件化において、胎盤組織へと分化できることが分かっており、現在では「pluripotent」とは、それ自体では個体になり得ないが、すべての細胞・組織に分化できる能力とされている。
  3. ^ 受精卵が用いられる場合もある
  4. ^ ネオマイシンと類似の構造を持ち、真核細胞と原核細胞の両方に毒性を示す抗生物質。ジェネティシン (geneticin) とも。
  5. ^ Takahashi K, Yamanaka S. (2006). “Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.”. Cell 126: 663-676. PMID 16904174.
  6. ^ Okita K, Ichisaka T, Yamanaka S. (2007). “Generation of germline-competent induced pluripotent stem cells.”. Nature 448: 313-317. PMID 17554338.
  7. ^ Wernig M, Meissner A, Foreman R, Brambrink T, Ku M, Hochedlinger K, Bernstein BE, Jaenisch R. (2007). “In vitro reprogramming of fibroblasts into a pluripotent ES-cell-like state.”. Nature 448: 318-324. PMID 17554336.
  8. ^ Maherali N, Sridharan R, Xie W, Utikal J, Eminli S, Arnold K, Stadtfeld M, Yachechko R, Tchieu J, Jaenisch R, Plath K, Hochedlinger K. (2007). “Directly reprogrammed fibroblasts show global epigenetic remodeling and widespread tissue contribution”. Cell Stem Cell 1: 55-70.
  9. ^ Meissner A, Wernig M, Jaenisch R. (2007). “Direct reprogramming of genetically unmodified fibroblasts into pluripotent stem cells.”. Nat Biotechnol 25: 1177-1181. PMID 17724450.
  10. ^ Blelloch R, Venere M, Yen J, Ramalho-Santos M. (2007). “Generation of induced pluripotent stem cells in the absence of drug selection”. Cell Stem Cell 1: 245-247.
  11. ^ Nakagawa M, Koyanagi M, Tanabe K, Takahashi K, Ichisaka T, Aoi T, Okita K, Mochiduki Y, Takizawa N, Yamanaka S. (2008). “Generation of induced pluripotent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts”. Nat Biotechnol 26: 101-106.
  12. ^ Wering M, Meissner A, Cassady JP, Jaenisch R. (2008). “c-Myc is dispensable for direct reprogramming of mouse fibroblasts”. Cell Stem Cell 2: 10-12.
  13. ^ Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, Antosiewicz-Bourget J, Frane JL, Tian S, Nie J, Jonsdottir GA, Ruotti V, Stewart R, Slukvin II, Thomson JA. (2007). “Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells”. Science 318: 1917-1920. PMID 18029452.
  14. ^ 論文の提出はジェームズ・トムソンらの方が数日だけ早かったが、受理は山中伸弥らが早かった。発表に関してはサイエンスが11月23日発表予定だったのを前倒しして、同じ日の発表となった。
  15. ^ Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S. (2007). “Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors.”. Cell 131: 861-872. PMID 18035408.
  16. ^ Park IH, Zhao R, West JA, Yabuuchi A, Huo H, Ince TA, Lerou PH, Lensch MW, Daley GQ. (2007). “Reprogramming of human somatic cells to pluripotency with defined factors.”. Nature 451: 141-146. PMID 18035408.
  17. ^ 万能細胞：ローマ法王庁が京大などの研究成功を称賛 毎日新聞　2007年11月23日
  18. ^ APF BBニュース 人工多能性幹細胞の作製成功でローマ法王庁、「倫理的問題とみなさず」2007年11月22日
  19. ^ Hanna J, Wering M, Markoulaki S, Sun CW, Meissner A, Cassady JP, Beard C, Brambrink T, Wu LC, Townes TM, Jaenisch R. (2007). “Treatment of sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated from autologous skin.”. Science 318: 1920-1923.
  20. ^ Evans M, Kaufman M (1981). “Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos.”. Nature 292 (5819): 154-6. PMID 7242681.

[編集] 関連項目

[編集] 外部リンク

[編集] 関連文献

[編集] 和文総説

  • 山中伸弥（企画）『特集 再生医療への新たな挑戦：多能性幹細胞の維持と誘導』実験医学 Vol. 25 No.4（3月号）450-489. 2007年
  • 山中伸弥（監修）『幹細胞新世紀：ES細胞・体性幹細胞の新たなポテンシャル』細胞工学 Vol. 26 No.5 482-542. 2007年
  • 田中幹人『iPS細胞の衝撃』illume Vol.38(12月) 2007年


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