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2024-12-31 16:45:00
数十年の試みを経て、幹細胞研究におけるミッシングリンクがついに発見された
ロンドン — 科学者たちは、人間の組織の発達を実験室で再現するという大きなマイルストーンを達成し、脊索の生成に成功しました。脊索は、生物学的な GPS システムのように機能し、脊椎と神経系がどこでどのように発達するかを指示する脊椎動物の特徴です。ロンドンのフランシス・クリック研究所の研究者らによるこの画期的な成果は、人類の初期発達の理解にさらに近づき、脊椎の状態や腰痛の研究を加速させる可能性がある。
すべてのヒトの胚の内部では、発生初期に棒状の脊索が出現します。過去 10 年間、科学者たちは研究室でさまざまな人間の組織を培養することで大きな進歩を遂げてきましたが、脊索の再作成は現在に至るまで根強い課題となっています。
「この重要な組織を研究室で生成することは困難であり、人間の発達と障害を研究する能力が制限されてきました」と研究の主著者であり、同研究所の発達動態研究室のグループリーダーであるジェームス・ブリスコ氏は声明で説明する。 「機能するモデルを作成したので、これまで闇の中にあった発達条件の研究への扉が開かれました。」
研究チームはまず、正常な発生中に脊索の形成を導く分子シグナルをマッピングした。彼らは、ニワトリの胚を研究して、組織が組織化されるにつれてさまざまな種類の細胞でどの遺伝子が活性化するかを理解し、その結果をマウスやサルの胚から得られた既存のデータと比較しました。ジャーナルに掲載された彼らの包括的な分析 自然、タイミングが重要であることがわかります。細胞が適切に発生するには、正確な順序で特定のシグナルにさらされる必要があります。
幹オルガノイドの断片を非常に詳細に観察した電子走査型顕微鏡画像。 (クレジット: Tiago Rito、Marie-Charlotte Domart)
「脊索を生成するための正確な化学シグナルを見つけることは、適切なレシピを見つけることに似ていました」と、この研究の筆頭著者であるティアゴ・リトは述べています。 「研究室で脊索を成長させるというこれまでの試みは、成分を加えるのに必要なタイミングを理解していなかったために失敗した可能性があります。」
この知識をもとに、科学者たちは脊索組織を成長させるためのフレームワークを開発しました。彼らは、BMP と NODAL という 2 種類の分子シグナルを特定の時間に一時的にブロックすることが重要であることを発見しました。組織発生の開始から 24 時間後にこれらのシグナルが抑制されると、多くの細胞が脊索の特性を採用しました。ただし、これらの信号を遮断するのが早すぎたり遅すぎたりすると、代わりに別の組織タイプが生成されます。
研究チームが「ノトロイド」と名付けた研究室で生成した組織は、発生中の胚で見られるものと非常によく似た細長い構造を発達させた。これらの構造は自然に長さ 1 ～ 2 ミリメートルに伸長し、その中心を通る脊索細胞の顕著な縞模様が含まれ、神経組織と筋肉前駆細胞に囲まれています。試みの約 70 ～ 75% でこれらの構造の作製に成功し、脊索細胞は適切な遺伝子を発現し、特殊な細胞区画や細胞間の接続などの特徴を示しました。
幹オルガノイドの断片はテープで固定されています。これらのサンプルはその後、プラチナの薄層でコーティングされ、電子顕微鏡を使用して画像化されます。 (クレジット: Tiago Rito、Marie-Charlotte Domart)
「特に興味深いのは、私たちの研究室で作製した構造の脊索が、発生中の胚と同じように機能しているように見えることです」とリト氏は説明する。 「典型的な発育時と同じように、周囲の組織を組織化するのに役立つ化学信号を送ります。」
この研究では、組織の発達を調整する分子ダンスについての新たな洞察も明らかになりました。研究チームは、YAPと呼ばれるタンパク質が、細胞が特定の遺伝子をいつ、どこで活性化するかを調整するのに役立っていることを発見した。この発見は、複雑な組織が発生中にどのように組織化されるかを理解する上で、より広範な意味を持つ可能性がある。
人間の体幹オルガノイドの断面図。脊索 (緑色) により、神経組織 (青色) がパターン化されます (マゼンタ )。細胞核は白く染色されます。 (クレジット: ティアゴ・リト)
この画期的な進歩は、人間の発達に関する理解を進めるだけでなく、脊椎や神経系に影響を与える症状の研究を加速させる可能性があります。脊索はこれらの組織の適切な形成に重要な役割を果たしており、脊索の異常な発達はさまざまな疾患に関連付けられています。この研究はまた、脊索組織から発達する椎骨間の重要な衝撃吸収クッションである椎間板に影響を与える状態を明らかにする可能性がある。これらの椎間板は加齢とともに変性することが多く、腰痛を引き起こすため、その発達をより深く理解することで、新たな治療アプローチにつながる可能性があります。
将来を見据えると、研究室で脊索組織を成長させることができることで、再生医療と医薬品開発の新たな可能性が開かれます。患者を直接治療する応用はまだ何年も先のことですが、これらの組織は新しい治療アプローチの貴重な実験場となる可能性があります。
発生生物学研究の将来は、さらに背筋がゾクゾクするようなものになっています。
ビデオ： 幹オルガノイド内部の脊索細胞 (赤色) と関連するパターン形成分子 (シアン色) を示す詳細な透明ビデオ。細胞核は灰色。 (クレジット: ティアゴ・リト)
論文概要
方法論
研究者らは、自然発生の分析と管理された実験室実験を組み合わせた体系的なアプローチを使用しました。彼らはまず、単一細胞RNA配列決定を使用してニワトリの胚を研究し、発生中にさまざまな細胞型でどの遺伝子が活性であるかを特定し、その結果をマウスおよびサルの胚からの既存のデータと比較しました。これにより、組織が通常どのように組織化されるかを示す分子マップが得られました。次に、彼らはこの情報を使用して、幹細胞からヒト組織を成長させるためのプロトコルを開発し、分子シグナルのさまざまな組み合わせとタイミングをテストしました。重要な進歩は、化学阻害剤を使用して特定のシグナル伝達経路がブロックされるタイミングを正確に制御することで実現しました。
結果
研究チームは、試行の約70～75％で脊索細胞を含む三次元組織の生成に成功した。これらの「脊索細胞」は自発的に長さ 1 ～ 2 ミリメートルに伸長し、脊索細胞は他の組織タイプに囲まれた中央の縞模様に配置されました。脊索細胞は、電子顕微鏡で観察できる特徴的な特徴を示し、適切な遺伝子を発現しました。重要なことに、それらは天然の脊索組織と同様に近くの神経組織の発達に影響を与え、単なる構造的類似性を超えた機能的能力を実証しました。
制限事項
研究室で培養された組織は、自然の脊索発達の多くの特徴を再現していますが、胚組織と完全に一致するわけではありません。構造は実際の胚に比べて小さくて単純です。さらに、それらは、自然の発育中に起こる他の組織との複雑な相互作用の一部を欠いています。この研究では、最初のマッピングでもニワトリの胚に大きく依存していましたが、重要な発見は複数の種にわたって検証されました。
ディスカッションと要点
この研究は、人類の初期の発達と組織組織を研究する能力における大きな進歩を表しています。機能的な脊索組織の生成に成功したことで、特に脊椎や椎間板に影響を与える疾患に対する、発達障害の研究と治療法の試験に新たな可能性が開かれました。この研究では、分子シグナルがどのように組織の発達を調整するか、特にYAPタンパク質の役割についての新たな詳細も明らかになった。これらの洞察は、発生生物学や再生医療においてより広範な応用が可能となる可能性があります。
資金提供と開示
この研究は主にフランシス・クリック研究所によって支援されており、同研究所は英国がん研究協会、英国医学研究評議会、ウェルカム・トラストから中核的資金提供を受けている。追加の支援は、工学および物理科学研究評議会とウェルカム トラストから来ました。著者らは競合する利益はないと宣言した。
#ヒト組織の発生における驚くべき進歩