背景

ヒト多能性幹細胞（hPSC）は、ヒトの体内のすべての細胞型に分化する可能性を秘めています。特に、患者由来の誘導多能性幹細胞（hiPSC）は、脳や腎臓オルガノイドなどのオルガノイドを作成するための重要な材料とされています。しかし、実際の研究現場では、分化効率が細胞株間で大きく異なり、研究結果の信頼性を損なうという問題が頻繁に発生しています。同じ条件下でも、一部のhPSC細胞株は脳オルガノイドにうまく分化する一方で、他の細胞株は脳以外の組織に分化したり、分化が停止したりすることがあります。その原因を解明するため、研究コミュニティは、DNA配列の変化やDNAメチル化などの遺伝的要因を追跡してきましたが、これらだけでは分化の違いを完全に説明することはできませんでした。特定の細胞株が、培養プロセス中に自然に発生するエピジェネティックな修飾によって、分化能力を失うことが明らかになりました。特に、神経細胞につながる経路がブロックされる現象は、疾患モデリングや治療法の開発における重要な弱点として認識されています。幹細胞の独自の記憶を消去し、その分化能力を回復させる技術が必要とされていました。

主要な発見

英国ケンブリッジ大学のマデリン・ランカスター博士が率いる研究チームは、幹細胞の分化能力の限界がクロマチンレベルで決定されることを発見しました。研究チームは、脳オルガノイドを形成できない細胞株が、胚発生中に後方の組織を形成する後方中胚葉様の状態に固定されていることを発見しました。これらの細胞は、脳などの前方の組織に分化する前に、脊髄や尾を形成する遺伝子を早期に発現する傾向があります。研究者らは、この異常な状態が、遺伝子発現を調節する両価クロマチンの喪失に起因することを確認しました。研究チームは、クロマチンを正常化するための化学的クロマチン修復（CHR）プロトコルを考案しました。この3段階の技術は、クロマチン抑制マーカーであるH3K9メチルトランスフェラーゼを阻害し、細胞成長因子の濃度を調整することで機能します。この処理を適用した結果、hiPSCは元の未分化状態、すなわち、分化能力のある前方中胚葉様の状態を正常に回復しました。これらの細胞株は、皮質オルガノイドの形成を開始しました。特定の実験データもこれを裏付けています。脳オルガノイドの発達の指標であるSOX2マーカーの発現率を測定したところ、異常な細胞株sojd3では、以前の4.44％から60.72％へと大幅に増加しました。burb1細胞株でも、2.75％から66.71％へと増加しました。腎臓オルガノイドの発達マーカーであるPAX8の発現率は、sojd3では0.74％から42.68％に増加し、オルガノイドマーカーであるCDX2も、0.41％から14.21％へと大幅に増加しました。

意義と展望

この発見は、幹細胞の運命が固定されたものではなく、化学的操作によってリセットできる柔軟なシステムであることを示しています。特に、DNAメチル化には触れずに、ヒストン修飾のみを調節することで細胞の分化能が回復したという事実は、安全性という点でも好ましいと考えられます。研究者らが提案するCHR技術は、遺伝子編集を伴わずに、小分子化合物のみで処理できるため、産業応用価値が非常に高いと言えます。これにより、分化バイアスにより使用が停止されていた多くの患者由来の幹細胞株を、研究分野に戻す道が開かれます。ただし、この技術を直接標準的な細胞治療の生産プロセスに導入する前に、解決すべき課題はまだ多く残っています。CHRプロトコルをさまざまな幹細胞株に一貫して適用した場合に、長期的なゲノム安定性が維持されるかどうかを徹底的に検証する必要があります。その後の研究では、大規模な培養環境で、両価クロマチンが再び失われることがないように、培養培地の組成を改良する必要があります。また、オルガノイドを成人レベルまで成熟させるために、エピジェネティックな微調整の基準を確立することも、重要な研究課題です。