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繊維芽細胞から卵を作り出した科学者たち

Nature ダイジェスト Vol. 10 No. 11 | doi : 10.1038/ndigest.2013.131114

原文:Nature (2013-08-22) | doi: 10.1038/500392a | Stem cells: Egg engineers

David Cyranoski

京都大学の研究チームが、2012年10月、マウスの多能性幹細胞から卵を作製することに成功した。彼らは以前、精子の作製にも成功しており、そうして作られた卵と精子からは繁殖能力のある仔マウスが生まれた。ヒトへの応用が期待される一方で、この技術を失速させないためには、これらの細胞を安全に、かつ倫理にかなうように使用する方法を探る必要がある。

分子生物学者の林克彦は、2012年10月からこれまでに、十数組のカップルから電子メールを受け取った。そのほとんどは中年の夫婦からで、どうしても子どもが欲しいという内容だった。更年期に入った1人の英国人女性は、妊娠を手助けしてもらえるよう、京都大学の彼の研究室を訪れたいとまで言ってきた。「ただただ、子どもが欲しいのです」と彼女はつづっていた。

そうした問い合わせは、ある実験の結果1を林たちが発表した後からポツポツと来始めた。彼は当初、この結果に興味を持つのは主に発生生物学者だろうと思っていた。林たちは、マウス胎児の繊維芽細胞を出発点にして誘導した多能性幹細胞から、精子と卵のどちらにも発生できる始原生殖細胞(PGC)によく似た「PGC様細胞」を作り出した。研究室で作り出したこのPGC様細胞が生体のPGCと同じように機能することを実証するために、彼はPGC様細胞を使って卵を作り出し、さらに、その卵から生きた仔マウスを誕生させた。

彼はこのマウス産出を、研究の「副次的効果」にすぎないと言っているが、この基礎的な実験の影響は副次的とはとてもいえないものだった。この技術を使えば、不妊女性の皮膚細胞から受精能力のある卵を作り出せるかもしれないからだ。それに、遺伝子操作を行えば、男性の皮膚細胞を使って卵を作り出したり、女性の細胞から精子を作り出したりできることにもなる。(実際、この研究成果が発表された後、林の元には、同性愛者を読者層とする雑誌の編集者から「もっと詳しく教えてほしい」という電子メールが届いた。)

この研究成果は確かに画期的である。それにしても、一般市民の関心があまりに高いことに、林も、研究室の教授である斎藤通紀も驚いた。彼らは10年以上を費やして、哺乳類で配偶子(精子と卵)が形成される過程の詳細な情報をつなぎ合わせ、その過程を培養容器内で再現したわけだが、彼らの研究は純粋な科学に重きを置いたものであった。医療への応用には時間がかかり、まだ現実的ではないと考えていたためだ。

今や、彼らが開発した手法によって、従来は入手が困難だったPGCをいくらでも作り出すことができる。そして、この貴重な細胞の定期的供給はすでに、哺乳類の生殖研究の促進に役立っている。しかし、研究対象をマウスからサルやヒトへ移す(技術的に簡単ではないが)につれて、将来の不妊治療に新たな道を開くことになり、おそらく、生殖に関わる広範囲な実験が進められるようになるだろう。それを見越して、研究者も一般社会も、この新技術に伴う倫理的問題に取り組み始めている。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)で生殖能力と不妊について研究しているAmander Clarkは、「いうまでもないことですが、彼らはマウスの生殖研究分野を大きく変えました。この技術の有用性が実証される前の段階でつぶされてしまわぬよう、この方法で配偶子を作製する際の倫理的問題を現時点で話し合うべきです」と話す。

出発点に戻る

マウスの生殖細胞は、胚発生の開始からちょうど1週間後に、約40個のPGCからなる集団として生じる2。この小さい細胞集団が、雌マウスでは誕生時に数万個の卵になり、また、雄マウスでは毎日、精子細胞を数百万個作り出す。そして、この細胞集団は、その個体の全遺伝情報を次世代に伝える。斎藤は、PGCがどんなシグナルを受けて生殖細胞へ分化するのか解明したいと考えた。

斎藤はここ10年ほどの間に、苦労しながら、StellaBlimp1Prdm14など数種類の重要な遺伝子を見つけ出した。これらは、特定の時期に特定の組み合わせで発現することで、PGCの発生に極めて重要な役割を果たす3–5。彼は、これらの遺伝子をマーカーにしてPGCを他の細胞から選別し、細胞に何が起こっているかを調べることができた。2009年、理化学研究所の発生・再生科学総合研究センター(兵庫県神戸市)に所属していた彼は、培養条件が適切であれば、胚の細胞をPGCに変換するには、適切な時期に、本質的にはわずか1種類の成分(骨形成タンパク質4;Bmp4)を加えれば十分であることを見いだした2。この原理を検証するために実際に高濃度のBmp4を胚の細胞に加えたところ、ほぼ全ての細胞がPGCへ分化した2。実はそれまで、PGCへの分化過程はもっと複雑だろうと、彼も他の研究者も思い込んでいたのだ。

「斎藤のやり方は、生体での過程を念入りにたどるものです。他の研究者とは一線を画していました」と、ワイツマン科学研究所(イスラエル・レホヴォト)の幹細胞研究者Jacob Hannaは話す。多くの研究者は、培養容器内で特定の細胞種を作り出すために、まず幹細胞にシグナル伝達分子を投与して、さまざまに分化・成熟した細胞が混合した状態を作り、その中から望みの細胞を選び出していた。しかしこのやり方だと、これらの細胞がどのように形成されるのか、また、これらの細胞が生体内で自然に生じる細胞とどう違うのかを明らかにすることは難しい。従って、生殖細胞を作るのに必要なものが何かを正確に突き止め、余計なシグナル分子を取り除き、さまざまな分子が働く正確な時期を知ろうとする斎藤の努力に対して、同じ分野の研究者たちは感銘を受けているのだ。「この研究には、実に美しいメッセージが隠されています。それは、培養容器内での細胞の分化が実際には簡単ではないということです」とHannaは言う。シェフィールド大学(英国)の幹細胞生物学者Harry Mooreは、生殖細胞の分化が今回入念に再現されたことを「快挙!」と言っている。

2009年まで斎藤は、分化実験の出発点となる細胞をマウスのエピブラスト(胚体外胚葉)から調達していた。エピブラストは、杯状の細胞がマウス初期胚の一端の内側に1層に並んだ、PGCになる直前の組織で、発生5日目に形成される。しかし斎藤は、この過程を把握するために、もっと容易に入手できる培養細胞を出発点にしたいと考えた。

このプロジェクトを任されたのが林であった。彼は、この分野のパイオニアであるケンブリッジ大学(英国)のAzim Suraniの研究室に、斎藤と前後して4年間留学し、2009年に帰国したところだった。Suraniはこの2人のことを高く評価し、「彼らは性格の点でも研究スタイルの点でも互いを補い合い、問題解決に取り組みます。2人がタッグを組むと、実に強力なチームになるのです」と話す。Suraniによれば、斎藤は「体系的に取り組み、目標を設定して一直線にそれに向かって打ち込むタイプ」で、一方の林は「もっと直観的で、対象をより広い視野で捉え、一見楽観的に取り組んでいるように見えるタイプ」という。

京都大学にある斎藤の研究室に所属することになった林は、研究の進め方がケンブリッジとは異なることに気が付いた。理論的なディスカッションに費やす時間はケンブリッジより少なく、実験での検証を重視していたのだ。「とにかくやってみることが大事、という考え方が日本にはあります。効率が悪くなる場合もありますが、対象と素直に向き合うことで大成功を収める場合もあるのです」と彼は言う。

林は、斎藤が出発点として用いていたエピブラストを使ってみた。ただし、マウスから取り出した細胞をそのまま使うのではなく、取り出した細胞を培養して安定した細胞株として樹立させ、そこからPGCを産生しようと考えた。しかし、この試みは思ったほどうまくいかなかった。そこで林が目を付けたのは、重要な調節分子(アクチビンA)と増殖因子(塩基性繊維芽細胞増殖因子)を1種類ずつ加えるだけで胚性幹細胞をエピブラストに似た細胞群に変換できることを示した別の研究だった。彼のアイデアは、この2つの因子を使って胚性幹細胞をエピブラストへ分化誘導し、その後、この細胞を、斎藤がすでに確立させた方法でPGCに分化させるというものだった。林は、このやり方でPGCに似た細胞を得ることに成功した6

次にやるべきことは、人為的に作ったこのPGC様細胞が、機能する精子や卵に発生・成長することを示して、本物とほぼ同等の細胞であることを証明することだ。PGCから精子や卵が分化する過程は複雑でよく分かっていないため、研究チームはこの部分を「自然」に任せた。つまり、精子を作れないマウスの精巣内にPGC様細胞を移植して、生殖細胞へ分化するかどうかを見守ったのだ6。極めて高度な技術を要するこの移植は、研究チームの大田浩が担当した。

斎藤は、うまくいってほしいと思いつつ内心やきもきした。「成功するかどうかは半々かなと思いました。期待と不安の入り交じった気持ちでいました」と彼は言う。しかし、移植されたマウスの4分の1~3分の1で、精細管が太く黒っぽくなって、精子でいっぱいになっていることに気付いた。「精子の形成がしっかり起こっていました。この精子を使って仔マウスができそうに思いました」と林は回想する。チームはこの精子を卵に注入し、できた胚を仮親の雌マウスに移植した。その結果、雌雄それぞれの仔マウスが生まれ、その仔マウスには生殖能力があることも分かった6(「多能性幹細胞から仔マウスができるまで」参照)。

彼らは、人工多能性幹(iPS)細胞でも同じ手順の実験を行った。iPS細胞は、胎児の繊維芽細胞を再プログラム化(初期化)して胚に似た状態にした細胞である。この場合も、形成された精子を使って仔マウスが得られ、この精子が機能することが実証された。幹細胞を分化誘導する研究分野において、ここまでやり遂げた研究は少ない。この分野では、分化誘導してできた細胞が、見た目だけでなく目的の細胞と同等の機能を持つのかどうかが、しばしば議論になるくらいなのだ。「多能性幹細胞の研究分野全体を見ても、培養容器の多能性幹細胞から明らかに完全な機能を持つ細胞種が分化誘導された例は少ないのです。今回の研究はその希少な一例です」とClarkは説明する。

林も斎藤も、卵の形成は精子よりも複雑だろうと思っていた。ところがそうではなかった。2012年、林はまず、有色のマウス(眼が黒い)から採取した細胞を使って、培養容器内でPGC様細胞を作り出し、それを将来卵巣となる体細胞と凝集培養した。そしてこれを、アルビノのマウス(眼が赤い)の卵巣へ移植することで、未成熟卵を得ることに成功したのだ1。こうして形成した卵を成熟させた後に体外受精させて、仮親の雌マウスに移植した。生まれた仔マウスの半透明のまぶたを通して黒っぽい眼が見えたとき、「うまくいったと分かりました」と林は振り返る。

生殖細胞をたっぷりと

他の研究者たちもこの過程を再現して、実験室でPGCを人為的に作り出している(ただし、Natureが取材した中で、これまでに人工PGCから生きている個体を生み出した研究者はいない)。これらの人工PGCは、特に、エピジェネティクスの研究に使われている。つまり、DNAの生化学的な修飾が遺伝子の発現を制御する仕組みを調べる分野だ。こうした修飾の1つはDNAの個々の塩基にメチル基が付加したもので、場合によっては、その動物個体が過去に受けた経験、例えば、胎内で外来化学物質にさらされたことなどを「記録」していることもある。エピジェネティックな修飾は、他の細胞で働くのと同様のやり方で、発生期中のPGCをしかるべき運命へと誘導するが、PGCの特異な点は、精子や卵へ分化する際にエピジェネティックな修飾が消去されてしまうことだ。この仕組みのおかげで、PGCは、あらゆる細胞種を形成できる全能性を持った新しい接合子(受精卵)を作り出せるのだ。

微細なエピジェネティック変化に誤りがあると、不妊症や、精巣がんなどの疾患になるのではないかと考えられている。すでにSuraniのチームやHannaのチームが、人工PGCを使って、エピジェネティックな調節に個々の酵素がどう関与しているかを調べており、いずれはエピジェネティックなネットワークが疾患にどう関与しているかを明らかにできるだろう。

Hannaの説明によると、培養容器内で作られたPGCから、研究用の細胞として何百万個も供給できるが、初期胚をバラバラにして得られるPGCはわずか40個程度でしかないという。「この技術は大変有用です。PGCは劇的なゲノム規模のエピジェネティックな変化を受けますが、これまでPGCは貴重でしたから、その仕組みはほとんど分かっていないのです」とHanna。Clarkも同意見で、「今回の林たちの体外培養モデルは、PGCの入手をこれまでにないほど簡単にしてくれました」と語る。

医療への関わり

一方で、助けを求める不妊カップルに対しては、今の林と斎藤には、してあげられることがほとんどない。今回使われた手順を治療で使えるようになるまでに、解決すべき大きな難題がいくつもある。

斎藤と林は、この技術で生まれた仔マウスが健康で生殖能力もあることを示したが、作り出したPGC様細胞そのものが完全に「正常」ではないことも多い。例えば、PGC様細胞からは壊れやすい卵やいびつな卵ができることもあり、さらには、形成された卵が支持細胞である顆粒膜細胞から解離してしまうこともある1。これらの事象との直接的な因果関係は不明であるが、PGC様細胞からできた卵は受精すると、正常な2つの染色体セットではなく、3つの染色体セットを持つ受精卵になることが多い。その上、人工PGCから仔マウスが生まれる率は、一般的な体外受精(IVF)の成功率のわずか3分の1だ。ハーバード大学医学系大学院(米国マサチューセッツ州ボストン)でエピジェネティクスを研究し、斎藤の手法を使ったこともあるYi Zhangは、体外培養で作製したPGCでは、過去のエピジェネティックなプログラミングを自然に生じるPGCほどしっかりとは消去されていないことを明らかにした。「あくまでPGC様細胞であって、PGCではない、ということを認識する必要があります」と彼は指摘する。

さらに、技術的に大きな2つの難題が待ち構えている。その1つは、人工PGCを精巣や卵巣に移植せずに、成熟した精子や卵へと分化させる方法を見つけ出すことだ。研究チームは現在、PGCを卵もしくは精子に分化させる、卵巣や精巣からのシグナルを突き止めようとしている。そうしたシグナル分子が見つかれば、培養する人工PGCにそれらを投与することで卵や精子の形成を誘導できるだろう。

もう1つの技術的難題は、マウスでのPGC研究の成果をヒトで再現することで、おそらくこれが最も手強い問題だ。京都大学のチームはすでに、マウス生殖細胞の分化に重要と斎藤が見極めた遺伝子を用いて、ヒトiPS細胞への応用を始めている。しかし、ヒトのシグナル伝達ネットワークがマウスのものと違うということは、斎藤も林もよく承知している。さらに、斎藤には分析用の生きたマウス胚を入手することはできるが、ヒト胚を調達する手だてはない。そこで彼らは、滋賀医科大学動物生命科学研究センターとの共同プロジェクトとして、サルの初期胚を毎週20個入手している。マウスでの研究を含め、こうした研究全体に5年間で12億円の研究助成がなされている。もし全てうまくいけば、マウスでの研究成果を5〜10年以内にサルで再現できるかもしれない、と林は語る。これが成功すれば、さらに細かい調整は必要だが、そう時間を置かずにヒトPGCを人為的に作り出せるだろう。

それでもまだ、不妊治療のためにPGCを作製するのは危険な賭けであり、斎藤をはじめとする多くの研究者は慎重な対応を促している。iPS細胞でも胚性幹細胞でも、培養中に高頻度で染色体異常や遺伝的変異、エピジェネティックな異常が生じる。「もしわずかでも不都合なことが起これば、広範で多世代に及ぶ影響が出る恐れがあります」とMooreは警告する。

京都大学のチームの手法がサルで安全だと実証できれば、懸念を和らげるのに役立つだろう。しかし、この手法が安全だと見なせるようになるまで、いったい何匹の健康なサルが生まれる必要があり、またそれらを何世代にわたって観察すべきなのだろうか。

いずれにしても、最終的にはヒト胚を作製して試験する必要が出てくる。しかし、研究用のヒト胚の作製は制限されているため、試験には長い時間がかかるだろう。一方で、新しい非侵襲的な画像化技術が開発されて、悪い胚と良い胚を高精度で選り分けることが可能になるかもしれない7。そして正常なIVF胚によく似た胚が入手できれば、ヒトへの移植にゴーサインが出るかもしれない。ただし、ヒトへの移植は、民間資金によるか、あるいは、胚研究に対する規制が緩い国で行われると考えられる。

ヒト用の技術の準備が整ったとき、さらに世間を騒がせるような生殖技術まで可能になっているかもしれない。例えば、男性の皮膚から採った細胞を使って卵を作り出し、それをパートナーの精子で受精させて代理母の子宮で育てるという方法も、理論的に可能なのだ。しかし、中には、そうした技術が可能になるとは考えていない人々もいる。幹細胞の倫理問題や課題を議論する国際的な科学者コンソーシアムである「Hinxton Group」は、男性のXY細胞から卵を作ったり女性のXX細胞から精子を作ったりすることは難しいだろう、と結論付けている。コンソーシアムのメンバーでもあるClarkは、「男性の細胞から作られた卵は、女性の細胞でできた環境になじまないでしょう」と話す。

斎藤は、雄マウス由来のiPS細胞から精子を、雌マウス由来のiPS細胞から卵を作り出したが、その逆も可能なはずだと考えている。もし可能なら、マウスの同一個体に由来する卵と精子を作り出せることになり、それらを受精させれば、前代未聞の生き物を作り出せることになる。つまり、自家受精で生まれたマウスだ。ただし林も斎藤も、これを試す気持ちは今のところない。「これをマウスで実行するのは、科学的にもっともな理由がある場合のみでしょう」と斎藤は言う。現在のところ、彼にはそうした理由が見当たらない。

斎藤と林はすでに、患者や日本の研究資金提供機関からの「研究をさらに進めるように」という圧力を少なからず感じている。この技術は、IVFがうまくいかない女性や、幼少時のがん治療で精子や卵を形成する能力を失った人たちにとって、最後の希望となるかもしれないのだ。林は、彼に問い合わせてくる人たちに、この技術が不妊治療として実用化されるまでには今後10年、ひょっとすると50年もかかる可能性があると言って釘を刺している。「私の印象では、ゴールははるか彼方です。こうした人たちに、いたずらに希望を与えるわけにはいきません」と彼は言う。

患者たちは研究の最終的な結果(今回はマウスでの成功)には関心を抱くが、こうした革新的技術にたどり着くまでに要する長い年月、そしてそれまでの努力や忍耐にまでは、なかなか思い至らない。研究の対象をマウスからヒトへ変えると、手順をほぼゼロから調整し直すことになる。ヒトの初期胚はマウスとはかなり異なるからだ。「マウスで10年以上かかったプロセスをまたやり直すようなものなのです。それを、患者さんは理解しにくいのではないかと思います。仕方のないことではありますが……」と林は語る。

(翻訳:船田晶子)

David Cyranoski は、Nature のアジア太平洋地区特派員。

参考文献

  1. Hayashi, K. et al. Science 338, 971–975 (2012).
  2. Ohinata, Y. et al. Cell 137, 571–584 (2009).
  3. Saitou, M., Barton, S. C. & Surani, M. A. Nature 418, 293–300 (2002).
  4. Ohinata, Y. et al. Nature 436, 207–213 (2005).
  5. Yamaji, M. et al. Nature Genet. 40, 1016–1022 (2008).
  6. Hayashi, K., Ohta, H., Kurimoto, K., Aramaki, S. & Saitou, M. Cell 146, 519–532 (2011).
  7. Wong, C. C. et al. Nature Biotechnol. 28, 1115–1121 (2010).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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