Nature Digest News Feature

Size: px

Start display at page:

Download "Nature Digest News Feature"

ひとおいとえ
4 years ago
Views:

1 FAST AND FURIOUS 疾走する ips 細胞研究 Nature Vol. 458( )/23 April 2009 ips 細胞の研究はスタートして 3 年あまりが経過しまさに疾走爆走状態となっている Monya Baker がこれまでの経過と今後の課題をさぐる 2007 年初春山中伸弥京都大学教授は ips 細胞 ( 人工多能性幹細胞 ) の研究レースで余裕をもって好スタートが切れたと感じていたありふれたマウスの体細胞から ES 細胞 ( 胚性幹細胞 ) によく似た細胞を世界で初めて作製し 1 まだ半年も経っていなかった山中の成果に対しては畏敬の念と疑念が相半ばしていたそれでも細胞のアイデンティティーがこなければならない多くの人々に納得してもらうためにはさらに成果を積み重ねる必要があることは山中自身にもわかっていたそして実際山中は作製方法に改良を加えて 2007 年 6 月 6 日に次の論文を発表した 2 彼にとって予想外だったのは同じ日に別の 2 つの研究室が同じ成果を発表したことだった 3,4 最初の論文発表から 10 か月足らずのことだったのバード大学はトロント大学や京都大学と同様 ips 研究の専用施設を設立したこうして現在 (2009 年 ) は研究がさらに急ピッチで進展し競争もさらに激化すると予想されているこの 3 月だけでも再プログラム化技術の大きな改良を報告する 4 本の論文が Nature Cell Science に掲載されている 5-8 RICK WOOD/RAPPORT PRESS/NEWSCOM れほど柔軟に変化すること具体的にはでものすごく驚きました同時にとても研究を加熱させる ips 細胞のメリットわずか 4 種類の胚性遺伝子を挿入するだ恐ろしくなりましたと当時を思い起こすこうした熱気には無理からぬ事情があるけでほぼすべての体組織に分化しうる細 2006 年の 8 月に ips 細胞という研究 ips 細胞では ES 細胞と同じ幹細胞治療胞に再プログラム化できることを心から分野を開拓した時この研究に携わって薬剤スクリーニング疾患モデルの作製な信じる者は当時ほとんどいなかったいたのは京都大学の山中の研究室だけどができしかも ES 細胞に伴う倫理的山中たちが樹立した細胞が正真正銘のだったしかしその後 Addgene 社 ( 米技術的問題の大半を回避できるとみられ多能性細胞であるためにはこれがどんな国マサチューセッツ州ケンブリッジ ) が製ているからだ初期のヒト ES 細胞研究の種類の細胞にも分化できしたがって精造する再プログラム化用の各種ベクター製多くはヒトの胚を入手できる科学者だけ細胞や卵細胞の形成にも寄与し新たな品に対して実に 1000 以上の研究室かが進めていたとシェフィールド大学 ( 英世代の動物の発生に関与しうることを示さら 6000 件以上の注文が寄せられたハー国 ) の幹細胞科学者 Peter Andrews は 11

2 NEWS FEATURE NATURE DIGEST VOL 6 AUGUST 2009 R. WOOD/MILWAUKEE JOURNAL SENTINEL/RAPPORT SYNDICATION/NEWSCOM 指摘するそれが ips 技術の発明によって論文を大急ぎで発表し成果を共有するこ有能な分子生物学者や細胞生物学者でとには消極的であるどの研究者も似たあれば誰でも参入できる研究分野になっような研究をしているため投稿した論文たのだ 1981 年に初めてマウス ES 細や印刷中の論文についてあまりオープ胞が単離されてからヒト ES 細胞の単離まンな話をしませんと Jaenisch は話すでに 17 年の歳月を要したが ips 細胞のその結果再プログラム化の作用機場合マウスからヒトまでわずか 15 か構や再プログラム化された細胞の正確月だった注目すべきことは患者と適合な治療効果など重大な問題点を見失うするヒト ES 細胞は作られていないが ips おそれがありますとスクリプス研究所再細胞では既にそれに相当する目標が達生医学センター ( 米国カリフォルニア州ラ成されている点だ糖尿病ハンチントンホーヤ ) の Jeanne Loring センター長は病筋ジストロフィー症の患者から ips 細警告する細胞を作製することが終着点胞が作られているのである 9 なのではありません新たな知見が得ら次の目標はより多くの疾患に対して疾れないならそんな細胞に価値はないこ患特異的 ips 細胞を作製することでありとを知るべきですと Loring より安全でより効率の高い作製法を開発ヒトの疾患研究と治療に関して ips 細することであるこの明確な目標に向かっ胞は ES 細胞よりもはるかに有用なもて生物学者はしのぎを削っているわけのとなる可能性が高い ips 細胞を使えだしかしこの状況は健全ではありまば究極的には患者の体から細胞を取せん過熱しすぎです研究室では来り出しそれを処理して治療用細胞に変る日も来る日も先を越されないかびくえ拒絶反応のリスクなしに同じ患者のびくしているんですからこう話すのは体内に戻す方法が考えられるからだ既 ES 細胞と ips 細胞研究の第一人者であるに筋萎縮性側索硬化症脊髄性筋萎縮ホワイトヘッド生物医学研究所 ( 米国マ症などの神経変性疾患の患者から作製さサチューセッツ州ケンブリッジ ) の Rudolf れた ips 細胞がニューロンに転換されてい Jaenisch だ研究者は準備もそこそこにる 10,11 マウスの実験ではその先の段山中伸弥は 2006 年にマウス ips 細胞を作製した 12 階に進んでおり血液細胞や神経細胞が作製されそれを利用して鎌状赤血球貧血とパーキンソン病のマウスモデルの症状が改善された 12,13 一方の疾患研究の面ではより直接的な恩恵が期待される例えば脳や心臓疾患の研究者は厳密な実験を行うには十分な量の組織を生検や死体から得なければならないがもちろん現実には限りがあるしかし患者から作製された ips 細胞であれば供給量に制限はなくシャーレで疾患過程の研究ができると期待されているわけだより安全で効果的な作製法をめざしてしかし当初の 2 年間研究者は ips 細胞の作製法の改良にかかりっきりだった山中はウイルスを用いて遺伝子を成体細胞のゲノムに挿入し成体細胞の再プログラム化に必要な遺伝子を探索した具体的には ES 細胞で発現する 24 種類の遺伝子を使って実験を進め 4 種類の遺伝子 (c-myc Klf4 Oct4 Sox2) を突き止めた細胞が多能性を備えるとこうした遺伝子の活性は弱まるが一方で遺伝子の挿入により ips 細胞には ES 細胞よりも予想外のことが起こりやすくなり危険性も高まると考えられている例えばがん遺伝子 c-myc を使って再プログラム化された細胞をマウス胚に組み込んだ実験ではマウスはがんを発症して死んだ 1 また山中の未発表研究では c-myc を使わずに再プログラム化された細胞から作製したマウスは寿命が短くなることが示されているより安全性が高くより効果的な細胞再プログラム化の方法を開発するための研究が急ピッチで進められているそれに伴い傑出した研究論文も相次いで発表されることが多くなった (p.14 画期的な研究成果参照 ) 研究の目標はゲノム損傷の危険を伴う遺伝子挿入をせずに細胞の再プログラム化を達成することだ去る 3 月複数の研究グループが役目を終えた再プログラム化用遺伝子を切除する方法を発表したがその 1 つが

3 Jaenisch をリーダーとする研究グループだった 7 その 3 週間後にはウィスコンシン大学マディソン校の James Thomson らが遺伝子挿入を全く必要としない方法でヒト細胞の再プログラム化に成功し Science に報告した 8 これは染色体に組み込まれないプラスミドという環状 DNA を使って多能性遺伝子を細胞に組み込む方法であるそれでもさらにすぐれた方法をめざして研究は続けられている現在の再プログラム化の方法では細胞が生理的に正常な状態から相当にかけ離れた状態に無理やり変えられている可能性があり細胞が病的状態に陥ることを研究者は心配している再プログラム化の過程では腫瘍抑制経路が阻害され発がん経路が活性化されるとスクリプス研究所の化学者 Sheng Ding は説明するまたこの過程では遺伝子の活性化を個別的に制御するエピジェネティックな目印をつける細胞過程も阻害される細胞は非常にストレスのかかる条件下に置かれていますそれなのにこの隠れた問題が議論されていないのですと Ding は言う Ding をはじめ多くの研究者は現在の方法を改良して多能性状態へゆるやかに移行させる研究を進めているその中から薬剤に近い分子を添加しまた特定のタイプの細胞に絞って再プログラム化を行うことで再プログラム化に使用する遺伝子のタイプと数が減らせること再プログラム化率を上げられることがわかった 2009 年末までには再プログラム化用遺伝子を全く使わずその代わりに小型の分子とタンパク質を組み合わせて使用し ips 細胞を作製する方法が複数発表されるだろうと多くの研究者は予想するそれでも治療目的に使う細胞の安全性を確保するには不十分だと Thomson は言うどのような方法による場合でも再プログラム化には突然変異や厄介なエピジェネティック変化の危険性がある再プログラム化を化学的に行うか遺伝学的に行うかにかかわらず作製された細胞のゲノムを徹底的に調べなければならないのですと Thomson は話すこの点は山中も同じ考えで次のように説明する ips 細胞を作る時に使う遺伝因子の数を減らしあるいはゼロにしてその代わりに化学物質を使えば ips 細胞の安全性が高まると誰もが考えがちですが本当にそうなのかどうかはわかりません結局は 1 つ 1 つのクローンを調べなければならないのです ips 細胞を誘導する方法を改良するのは大事ですが確立された ips 細胞の評価法の方がはるかに重要なのですこの点はいくら強調してもしすぎることはないと思います研究ターゲットがこの種の評価法にシフトを始めるだろうと研究者は予想するいろいろな方法を比較して最もうまくいく方法を採用することになると思いますとハーバード幹細胞研究所の Konrad Hochedlinger ただし最良の方法は用途によって異なると考えられる再プログラム化用遺伝子の挿入による ips 細胞作製法は所要時間が短く技術的難易度も低いしたがって他の再プログラム化法を持たない研究室であれば当然選択肢の1つとして残るであろう ips 細胞の比較評価法をめざして研究者は ips 細胞どうしの比較や ips 細胞と ES 細胞の比較もめざしている ES 細胞は真の標準と見なされている ES 細胞は 10 年以上も研究されてきておりすべて胚が起源であることからさまざまなタイプの組織から樹立された ips 細胞よりもばらつきが少ないと考えられるからだ Jaenisch が最近 Cell に発表した論文では再プログラム化用遺伝子が切除される前と後で ips 細胞の特性がどう変わっているか解析結果を報告している 7 再プログラム化用遺伝子が残存する ips 細胞では 271 個の遺伝子の発現が ES 細胞と異なっていたが一方再プログラム化用遺伝子が除去された ips 細胞では発現の異なる遺伝子は 48 個に減っていた理由はわかっていない ips 細胞は ES 細胞ほどには成果が得られないとか ips 細胞は ES 細胞とは違うといった事例はずいぶんあるのですがいずれも未発表ですと Jaenisch ips 細胞は胚に由来していないのでもともと独自の存在なのかもしれないあるいは現在の ips 細胞作製法が不適切なために ips 細胞と ES 細胞が異なっているとも考えられる今のところ ips 細胞の評価法については研究者の意見は一致していない最も厳格な再プログラム化の検証方法は再プログラム化されたマウス細胞を胚に挿入しその胚を代理母に移植して生まれたキメラマウスを成体になるまで育てその体内で産生された精子や卵で健康な子孫が生まれるかどうかを調べることであるつまり ips 細胞から全く新しい胚が生じれば当初の細胞の生物学的設定が初期化されたことが確認されるわけだしかしこのような検証をヒトで行うことは倫理的に認められないそこでヒト ES 細胞のアッセイを借用したものが現在の標準的なアッセイとなっているすなわちヒト ips 細胞を免疫不全マウスに注入し 6 ~ 8 週間後に奇形腫という腫瘍を形成するかどうかを調べるのである自然発生する奇形腫の中には分化した組織の塊 ( 例えば毛髪や骨 ) に成長するものがあるがこのアッセイで移植された細胞が ips 細胞と認定されるには主な種類の組織すべてに分化している細胞の塊を観察できることが要件となっているただし外観と表面マーカーの点で完全に再プログラム化されたように見える細胞でも奇形腫を形成しない事例は決して珍しくないと研究者は話している一部の研究者は ips 細胞の認定と言うからには奇形腫形成能の実証を要件とすべきだと考えているこの分野の第一人者であるボストン小児病院 ( 米国マサチューセッツ州 ) の George Daley はあ 13

NEWS FEATURE NATURE DIGEST VOL 6 AUGUST 2009 る一定の水準を確保しなければ文献が混乱すると言う特にこの分野は始まったばかりだし手法も開発段階にある状態なので ES 細胞に典型的な何々のマーカーを発現しているから ips 細胞だと認いる均一な分化細胞試料を入手するのが難しいためこの種の評価に関する研究論文はいまだに発表されていないと

4 NEWS FEATURE NATURE DIGEST VOL 6 AUGUST 2009 る一定の水準を確保しなければ文献が混乱すると言う特にこの分野は始まったばかりだし手法も開発段階にある状態なので ES 細胞に典型的な何々のマーカーを発現しているから ips 細胞だと認いる均一な分化細胞試料を入手するのが難しいためこの種の評価に関する研究論文はいまだに発表されていないと Jaenisch は話すそれでも薬剤スクリーニングや疾患モデルの作製の際に研究 c-myc 定するのは危険だと彼は言う幹細胞性 (stemness) の性質を何かしら備えていれば ips 細胞と呼ぶとすればどういうことになると思いますか ips 細胞という用語が高潔さを失い始めますと Daley は警告する実用化をめざした課題一方現実問題として 1 つの細胞株からすべてのタイプの細胞に分化できるかどうかが問題とされない場合もある例えば奇形腫を形成できないが肝細胞に分化する傾向が非常に強い ips 細胞は肝疾患モデルの作製には適切で臨床使用における安全性も高い可能性があるそれに奇形腫アッセイは多額の費用もかかるとオンタリオヒト ips 細胞研究所 ( カナダトロント ) の William Stanford は言う彼の研究グループはトロント小児病院の患者から疾患特異的な細胞株を作製しており細胞株を作製するための試料より再プログラム化のために提出される試料の方が多くなることを既に予想している作製する細胞株を減らしてすべての細胞株について奇形腫試験を行うべきかそれとも作製する細胞株を増やすべきなのかを議論しましたと彼は言うその結果作製する細胞株を増やすことに決めた Stanford らは分化初期における遺伝子発現試験と in vitro 試験を用いて再プログラム化細胞の多能性を評価するがそれ以上の特性分析については原則として後にその細胞を使用する個々の研究室に委ねることにしたのだ ips 細胞自体の評価のほかにも ips 細胞から作製され細胞治療薬剤スクリーニングやその他の用途に利用できる可能性のある分化細胞を厳格かつ長期的に評価することをめざした研究も進められて者は ips 細胞由来のニューロンや心筋細胞が正常な脳や心臓の細胞と同じように老化し病気にかかることを覚悟しておく必要はあるだろうまた細胞治療の際には研究者は細胞が安定しており腫瘍を形成する恐れのある ips 細胞の残りが含まれていないことを確認できなければならないこの腫瘍形成の可能性については ES 細胞でも評価が行われているこのような評価が行われた ips 細胞であっても臨床使用までにはいくつかの非常に厄介な問題が残る規制当局者に対しては ips 細胞のリスクが許容できる程度に低くしかも移植された細胞が体内で生存し疾患に冒された脳や膵臓の機能を実際に増進する可能性があることを納得させる必要があるわけだこの 1 月にヒト ES 細胞に由来する細胞の臨床試験が承認されたがヒト ES 細胞が初めて作製されてから 10 年以上の時が流れている遺伝子組換えをせずに ips 細胞を作製できるようになった今臨床試験承認までの期間は相当に短縮されるかもしれない山中は ips 細胞が 3 ~ 4 年以内に薬剤スクリーニングと薬剤毒性試験に広く用いられるようになると考えており 10 年後には臨床試験が行われることを期待しているこうした研究の相当部分は主として企業が手がける可能性が高く既に数社が ips 細胞の実用化分野で市場独占を狙っている新興のバイオテクノロジー企業 izumi Bio 社 ( 米国カリフォルニア州サウスサンフランシスコ ) の最高経営責任者 John Walker は多くを語らないが現状では細胞治療ではなく薬剤の試験に重点を置いた事業展開を行うことを明らかにした同社はウィスコンシン大学卒業生研究財団 ( 米国マディソン ) などとと FROM BOTTOM TO TOP: CNRI/SPL/PPS; REF. 5; MEHAU KULYK/SPL/PPS; SUE FORD/SPL/PPS; PPASIEKA/SPL/PPS; REF. 20; S. YAMANAKA, KYOTO UNIV.; REF. 4; ISTOCKPHOTO 14

5 もに ips 細胞と ips 細胞作製法に関する知的財産権訴訟を提起した ips 細胞の作製法が次々と発表されるにつれて知的財産権の状況はヒト ES 細胞の 10 倍も複雑化しているとカリフォルニア大学バークレー校法律経営経済センター ( 米国カリフォルニア州 ) のディレクター Ken Taymor は明かす科学の状況もますます複雑化している生物学者はある 1 つのタイプの分化細胞を別の分化細胞に転換するにはいったん ES 細胞のような多能性状態に戻さなければならないと長い間考えてきたところが最近の研究報告では多能性状態に戻らずに 1 つのタイプの細胞から別のタイプの細胞に直接転換することが可能だとされたこの 2008 年の研究成果で大いに称賛されたのがハーバード大学の発生生物学者 Doug Melton である彼は膵臓細胞にいくつかの膵臓遺伝子を挿入するとインスリン産生 β 細胞の外観を帯びその機能を果たすように変わることを実証した 14 再プログラム化の進む方向が逆向きか横向きはさておき研究者はその過程の解明をめざしているそもそもこの点が未解明だったので功成り名を遂げた科学者の多くが ips 細胞の分野に参入したのだった 1950 年代の核移植によるカエルのクローン作製や 1996 年のクローンヒツジのドリーがなければ再プログラム化の実験に取り組もうとは思わなかったと山中は述懐しているそれ以前は遺伝子が不可逆的に不活化しあるいは細胞の発生が進むと切除されるのではないかと一部の研究者は考えていた成体細胞から作られたクローンであるドリーの研究でたとえ哺乳類の分化細胞であっても遺伝子が無傷のまま保持され再プログラム化できることが明らかになったのだった再プログラム化過程の解明がカギ再プログラム化の概要は既に判明している細胞内のクロマチンという DNA とタンパク質の複合体において DNA とタンパク質のもつれがほどかれそしてエピジェネティックな目印が再編成されて分化細胞で活性化していた遺伝子の発現が抑制され ES 細胞で活性化する遺伝子が発現するようになるこうして発現した遺伝子は大量のタンパク質を動員し細胞内機構を別の状態に変化させるこれらの各段階がいつどのように起こるのかについては精力的な研究活動にもかかわらずなお解明には至っていない ips 細胞の研究が成熟してこの点の研究が重点的に進められるようになることを多くの研究者が望んでいる ips 細胞を使えば再プログラム化の実際の仕組みを探究できますこの論点は今から 50 年前に提起されたものですが今も手かがリはありませんと Hochedlinger は話す ips 細胞があるからといって問題の解明が楽になるわけではない一例をあげれば目的の細胞を正しく単離することが難しいのである一般に ips 細胞の作製実験で再プログラム化の成功率は細胞 1000 個中 1 個にも満たないたとえ多能性遺伝子が活性化していても一部の細胞は分化状態にとどまっている 15 中間的な状態が解明されていないことが問題なのですこう話すのはカリフォルニア大学ロサンゼルス校の細胞生物学者 Kathrin Plath である彼女は遺伝子発現解析と細胞形態解析によって完全な再プログラム化の途中で立ち往生しているように見える細胞の一部を調べている部分的に再プログラム化された細胞はその由来にかかわらずどれも非常によく似ていますこれが実際の再プログラム化過程で生じる正真正銘の中間体なのかそれとも脇道にそれてしまったものなのか誰にもわかりませんと Plath 再プログラム化過程の解明は単なる学究活動ではないさまざまな細胞状態や細胞が 1 つの状態から別の状態に移行する過程を解明すればこうした細胞の移行を支障なく誘導する方法や治療に必要なタイプの細胞を作製する方法の改良に役立つかもしれないからである組み換え DNA や RNA 干渉といった生物学の研究分野がスタートした時も今回のように息もつけない時期があったこうした時期を知る研究者は現在のすさまじいペースや激しい競争が徐々におさまる可能性が高いと予想している再プログラム化の方法を大急ぎで最適化しようという動きはなくなり科学者の関心は特定のタイプの疾患やより基礎的な研究テーマに枝分かれしていくだろうと南カリフォルニア大学幹細胞再生医療研究所 ( 米国ロサンゼルス ) の Martin Pera 所長はみている研究活動は多様化し共同研究が多くなると思いますと彼は言う共同研究が多くなるかどうかは別として ips 細胞をめぐる競争は新たなそしてより知的に報われるかもしれない段階へと向かって進んでいるこれまではとにかく技術技術技術でしたでも興味深い研究テーマの解明に取り組む段階が近づいています特に難題となるのは生物学的な論点だと思いますと Jaenisch は話している ( 菊川要訳 ) Monya Baker は Nature Reports Stem Cells のエディター 1. Takahashi, K. & Yamanaka, S. Cell 126, (2006). 2. Okita, K., Ichisaka, T. & Yamanaka, S. Nature 448, (2007). 3. Wernig, M. et al. Nature 448, (2007). 4. Maherali, N. et al. Cell Stem Cell 1, (2007). 5. Woltjen, K. et al. Nature 458, (2009). 6. Kaji, K. et al. Nature 458, (2009). 7. Soldner, F. et al. Cell 136, (2009). 8. Yu, J. et al. Science advance online publication doi: / science (26 Mar 2009). 9. Park, I. H. et al. Cell 134, (2008). 10. Dimos, J. T. et al. Science 321, (2008). 11. Ebert, A. D. et al. Nature 457, (2009). 12. Hanna, J. et al. Science 318, (2007). 13. Wernig, M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, (2008). 14. Zhou, Q., Brown, J., Kanarek, A., Rajagopal, J. & Melton, D. A. Nature 455, (2008). 15. Mikkelsen, T. S. et al. Nature 454, (2008). 16. Yu, J. et al. Science 318, (2007). 17. Takahashi, K. et al. Cell 131, (2007). 18. Park, I.-H. et al. Nature 451, (2008). 19. Wernig, M., Meissner, A., Cassady, J. P. & Jaenisch, R. Cell Stem Cell 2, (2008). 20. Nakagawa, M. et al. Nature Biotechnol. 26, (2008). 21. Stadtfeld, M., Nagaya, M., Utikal, J., Weir, G. & Hochedlinger, K. Science 322, (2008). 22. Okita, K., Nakagawa, M., Hyenjong, H., Ichisaka, T. & Yamanaka, S. Science 322, (2008). 15

を行った 2.iPS 細胞の由来の探索 3.MEF および TTF 以外の細胞からの ips 細胞誘導 4.Fbx15 以外の遺伝子発現を指標とした ips 細胞の樹立 ips 細胞はこれまでのところレトロウイルスを用いた場合しか樹立できていないまた 4 因子を導入した線維芽細胞の中で ips 細

を行った 2.iPS 細胞の由来の探索 3.MEF および TTF 以外の細胞からの ips 細胞誘導 4.Fbx15 以外の遺伝子発現を指標とした ips 細胞の樹立 ips 細胞はこれまでのところレトロウイルスを用いた場合しか樹立できていないまた 4 因子を導入した線維芽細胞の中で ips 細平成 19 年度実績報告免疫難病感染症等の先進医療技術平成 15 年度採択研究代表者山中伸弥京都大学物質 - 細胞統合システム拠点 / 再生医科学研究所教授真に臨床応用できる多能性幹細胞の樹立 1. 研究実施の概要胚性幹 (ES) 細胞は受精後間もない胚から樹立する幹細胞であり様々な細胞へと分化する多能性を維持したまま長期かつ大量に培養することが可能であることから脊髄損傷若年性糖尿病