Time-series measurement of totipotent state and establishment of totipotent stem cells using a novel long-term single-cell tracking method

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K19275
• Research Institution: Nara Medical University
• Principal Investigator: 堀江 恭二 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (30333446)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 全能性 / 幹細胞 / ES細胞 / iPS細胞 / 再生医学

Outline of Annual Research Achievements

これまでの医学・生物学研究の中で、ES細胞、生殖幹細胞、神経幹細胞といった様々な幹細胞が樹立され、細胞が持つ多能性の基礎的理解や再生医療への応用に貢献してきた。しかし、全ての細胞系譜の上位に位置する「全能性幹細胞」については、樹立が立ち遅れている。全能性状態では、前世代のエピジェネティックなゲノム情報が初期化されるとともに、個体発生の全プログラムが準備状態にある。このような性質は、他の細胞系譜には無い唯一無二のものである。本研究では、全能性状態を反映するレポーター遺伝子と、生細胞の長期１細胞追跡法を用いて、全能性幹細胞の樹立を目指した。
我々はまず、マウスES細胞を全能性状態に変換することを試みた。そのために、全能性状態で高い発現を有す遺伝子の下流に蛍光蛋白を挿入したマウスES細胞を作製し、全能性状態を生細胞のまま観察できるようにした。ES細胞を生きたまま追跡するために、核に局在する蛍光蛋白も恒常的に発現させた。
次に、全能性状態を制御する遺伝子を簡便に特定するために、ゲノム編集技術によって多数の遺伝子を効率的に破壊できる実験系を、上記のマウスES細胞において構築した。我々は、全能性状態から多能性状態への遷移を促進することが推測される転写因子群を特定していた。そこで、それらの遺伝子群を網羅的に破壊し、全能性状態を反映するレポーター遺伝子の発現が高まる遺伝子変異を特定した。
さらに我々は、ヒトiPS細胞において、多能性状態を高める活性を有す阻害剤を同定した。予備的結果として、この阻害剤が、ヒトiPS細胞を、発生学的に、より初期の状態へ遷移させる可能性を示唆するデータも得ている。この阻害剤は、マウスES細胞においても、細胞の初期化を誘発する活性があり、生物種を越えて保存された新規の機構が示唆された。