光照射で増殖と分化を制御

京都大学ウイルス研究所の影山龍一郎教授らのグループは、神経幹細胞の多分化能と細胞分化制御において、分化運命決定因子の周期的な発現が重要であることを発見。これをもとに、マウスの神経幹細胞の増殖と分化を光照射で人工的に制御する技術を開発した。11月1日に大学が発表、研究成果は「Science」のオンライン版に掲載されている。

（画像はプレスリリースより）

自己複製と分化の相反性

神経幹細胞は、自己複製ができ、かつ脳を構成するニューロン・アストロサイト・オリゴデンドロサイトの3種の細胞を生み出す多分化能を持っている。しかし、自己複製能と多分化能という全く異なる能力がどのようなメカニズムで保持されているかは未解明のままであった。また、ニューロンやアストロサイト、オリゴデンドロサイトのいずれかをどのように選択して分化するのかという細胞分化運命決定についてもわかっていなかった。

bHLH転写因子に着目

研究では、神経幹細胞の自己複製と細胞分化を制御していると考えられているbHLH型転写因子（塩基性へリックス・ループ・ヘリックス構造を持つ転写因子）のうち、Hes1の神経幹細胞の未分化性の維持とアストロサイト分化という相反性、Ascl1やOlig2のニューロン分化・オリゴデンドロサイト分化と神経幹細胞の増殖・維持という相反性に着目。この相反する機能の制御について、ルシフェラーゼとbHLH転写因子の融合タンパク質を発現させた遺伝子改変マウスを作製して、その発現動態を解析した。

転写因子の発現振動と蓄積で制御

その結果、神経幹細胞においてHes1、Ascl1は2〜3時間周期で、Olig2は5〜8時間周期で発現振動していることがわかった。さらにHes1、Ascl1、Olig2のいずれかを欠損した神経幹細胞では細胞増殖減少していたことから、bHLH型転写因子が、発現振動を繰り返すことで、神経幹細胞の細胞増殖を促進していることが示唆された。また、各細胞への分化の際には、それぞれの因子の一つが蓄積し、発現振動していた他の2種の因子は消失していたという。

光応答性コドンで発現動態をコントロール

同一因子の発現動態を変化させることで、特定の種類の細胞に分化誘導できる可能性が示されたことから、光応答性の転写因子GAVPOのコドンをヒト化したhGAVPOを用い、光照射依存的にAscl1の発現動態を人工的にコントロールできる実験系を開発。3時間毎に青色光を照射してAscl1のオシレーションを、30分ごとに青色光を照射してAscl1を神経幹細胞に蓄積させることが誘導できた。この手法でAscl1の周期的な発現振動で細胞増殖が促進でき、一方Ascl1の蓄積の誘導でニューロンへの分化を誘導できたという。

この光の照射パターンを用いた分化コントロール技術は、従来の外来タンパク質や化合物の投与を必要とせずに細胞増殖や分化誘導できる画期的なものである。今後再生医療研究への応用とともに、脳内の神経幹細胞への適応の可能性もあり、さらなる研究の発展が期待される。（長澤　直）

▼外部リンク

国立大学法人京都大学　プレスリリース
http://www.kyoto-u.ac.jp/