標的型エピゲノム編集がSox1otを活性化し、中間前駆細胞の増殖を誘導して脳サイズを決定する
背景
大脳皮質の厚さとサイズは、哺乳類の認知能力を決定する重要な要因である。特に、胎生期の脳発生中にニューロンを急速に供給する中間前駆細胞（IPC）亜集団の形成と拡大は、脳成長の主要な指標と考えられている。しかし、学界はIPCの増殖を制御するシグナル伝達遺伝子の配列解析に注力してきた。DNA配列を変更せずに遺伝子発現パターンを調節するエピゲノムが、IPCの分裂と脳の発育を調整するメカニズムは、いまだ完全に解明されていない。既存の遺伝子編集技術は、オフターゲット効果やゲノム損傷のリスクがあるため、生体内の複雑な脳発生調節メカニズムを模倣する能力に限界があった。したがって、複雑な発生中の脳内でエピゲノムの目印を正確に操作し、特定の細胞集団を制御する技術は、発生生物学において長年の課題であった。
主な発見
ルール大学ボーフムの研究チームは、マウス胎児の大脳皮質から単離したIPCのエピゲノム解析に注目した。彼らは、生体内の電気穿孔法（エレクトロポレーション）と、ゲノムを直接変更せずにエピゲノムの目印を付与する不活性型CRISPR-Cas9（dCas9）システムを組み合わせた。チームは、IPCゲノムにおける長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）であるSox1otのプロモーター領域に、ヒストンH3リシン9アセチル化（H3K9ac）の目印を人工的に埋め込む技術の開発に成功した。
結果として、Sox1otプロモーター領域へのH3K9acの蓄積により、密に詰まったクロマチン構造が緩和され、対照群と比較してSox1ot遺伝子の発現が有意に増加した。人工的に増加したSox1ot転写物は、IPCにおける自己複製関連遺伝子ネットワークを促進する重要なシグナルとして作用した。その結果、Sox1ot発現の増加により、発生中のマウス脳の脳室下帯における前駆細胞のアポトーシスが抑制され、細胞周期が加速し、IPCプールが拡大し、皮質神経発生の活性化がもたらされた。これは、H3K9ac化学スイッチが生体内の脳における生理学的成長率と神経発生率を動的に決定する主要な経路であることを実証している。
意義と展望
本研究は、CRISPRベースのエピゲノム編集技術を生体内の脳発生調節に応用し、特定のエピゲノムの目印の機能的因果関係を明らかにした点で重要である。DNA配列を直接切断しないことで安全性の懸念を最小限に抑えながら、特定の遺伝子活性を動的に調節できることを実証している。これにより、小頭症や自閉症スペクトラム障害など、脳の神経障害に起因する発達障害に対するエピゲノム治療の探索が加速することが期待される。しかし、動物実験の結果を副作用なく複雑なヒト脳組織に応用するためには、克服すべき課題がまだ残されている。オフターゲット領域における非特異的活性化を制御するための標的精度の向上や、効率的な生体内核酸送達システムの確保に関する研究を並行して行う必要がある。
中間前駆細胞を含む基底前駆細胞亜集団の発生と拡大を調節する因子は、皮質神経発生と脳の成長の重要な決定因子である。エピゲノム（クロマチン）の目印は、皮質発生の顕著な調節因子として浮上している。しかし、これらの因子がエピゲノム内でどのように特異的に相互作用して脳の発生を調整しているのかは不明である。本研究では、生体内エレクトロポレーションとCRISPR不活性（d）Cas9システムを組み合わせ、発生中のマウス大脳皮質から単離された中間前駆細胞のエピゲノムにおける特定のヒストン修飾の目印であるH3K9ac（H3K9アセチル化）の寄与を調査した。lncRNAのプロモーター領域へのCRISPR-dCas9を介したH3K9acの付加
本研究で得られたエピゲノム編集技術は、脳疾患のモデリングや薬物スクリーニングプラットフォームの分野に特異的に応用できる。考えられる応用シナリオの一つは、小頭症患者由来の人工多能性幹細胞（iPSC）から作製した脳オルガノイドをdCas9システムで処置することである。患者由来オルガノイドのSox1otプロモーター領域にH3K9acの目印を沈着させることにより、IPCの増殖能を回復させることができる。この人工的な刺激により、減少した皮質の厚さが大幅に回復し、正常な発達につながる可能性がある。化学的な目印の付加により、遺伝子損傷を引き起こすことなく独自の遺伝子ネットワークを回復させることができ、これは細胞毒性を最小限に抑えたカスタマイズされた医薬品を開発するための有用な経路となり得る。