先端生命科学特論(7)

(1)

(2)

(3)

幹細胞 – Stem cells

発生 スクリー ニング創薬食品人工授精品種改良遺伝子治療がん Cancer 分化ゲノム編集診断再生医療不妊治療リプログラミング

ES細胞

体性

幹細胞

iPS細胞

(4)

(5)

発生 – Development

1種, 1個 1 type, 1 cell 神経 Neuron 200種, 40兆個 200 types, 40T cells 成体 Adult 血液

Blood Muscle筋肉 Liver肝臓

皮膚

Skin Pancreas膵臓

外胚葉 Ectoderm 中胚葉 Mesoderm 内胚葉 Endoderm

接合子

(6)

細胞分化 – Cell differentiation

1種, 1個 1 type, 1 cell 神経 Neuron 200種, 40兆個 200 types, 40T cells 成体 Adult 血液

皮膚

Skin Pancreas膵臓

接合子

(7)

細胞増殖 – Cell proliferation

1種, 1個 1 type, 1 cell 神経 Neuron 200種, 40兆個 200 types, 40T cells 成体 Adult 血液

皮膚

Skin Pancreas膵臓

接合子

Zygote

(8)

幹細胞と発生 – Stem cells and development

1種, 1個 1 type, 1 cell 神経 Neuron 200種, 40兆個 200 types, 40T cells 成体 Adult 血液

皮膚

Skin Pancreas膵臓

接合子

(9)

幹細胞の定義 – Definition of stem cells

幹細胞は、 1. 未分化な細胞である。 2. 娘細胞の片方が、未分化状態を維持する。 (自己複製) 3. 娘細胞のもう片方が、分化へと進む。 Stem cell... 1. is an undifferentiated cell.

2. produces one daughter cell keeping undifferentiated state.

(Self-renewal)

3. produces another daughter cell which undergoes differentiation.

未分化な幹細胞 Undifferentiated stem cell

細胞分裂 Cell division 分化 Differentiation 分化した細胞 Differentiated cell 自己複製 Self-renewal 幹細胞 Stem cell

(10)

幹細胞と再生 – Stem cells and regeneration

幹細胞 Stem cell 分化した細胞 Differentiated cell T5 組織・器官 Tissue/Organ T4 時間 T im e T1 T2 T3 発生 De vel opm ent 再生 R eg ener at ion 幹細胞は組織の発生と再生に不可欠である。

Stem cells are required both for

(11)

(12)

全能性細胞 – Totipotent cells

接合子 Zygote 発生 Development 2細胞期 2-cell stage 4細胞期 4-cell stage 8細胞期 8-cell stage

全能性細胞は、胎盤の栄養芽細胞を含む、全ての細胞に分化する能力を持つ。

（全能性）

Totipotent cells can differentiate into all cells including trophoblast.

(13)

多能性幹細胞 – Pluripotent stem cells

接合子 Zygote 発生 Development 桑実胚 Morula 胚盤胞 Blastocyst

多能性幹細胞は、栄養芽細胞以外の、全ての細胞に分化する能力を持つ。

（多能性）

Pluripotent stem cells can differentiate into all cells but not trophoblast.

(Pluripotency)

栄養芽細胞

Trophoblast

内部細胞塊

Inner cell mass

胚性幹細胞 (ES細胞)

Embryonic stem cell

(14)

多分化能性幹細胞 – Multipotent stem cells

接合子 Zygote 発生 Development 原腸胚 Gastrula 外胚葉 Ectoderm 中胚葉 Mesoderm 内胚葉 Endoderm

多分化能性幹細胞は、胚葉を超えた分化はできない。

Multipotent stem cells CAN‘T differentiate into other germ layers.

血液 Blood 筋肉 Muscle 神経 Neuron 皮膚 Skin 膵臓 Pancreas 肝臓 Liver

(15)

発生運命の方向付け – Commitment

8細胞 8-cell 接合子 Zygote 全能性細胞 Totipotent stem cell 栄養芽細胞 Trophoblast 内部細胞塊

Inner cell mass

胚性幹細胞 ES cell iPS細胞 iPS cell

=

≒

多能性幹細胞 Pluripotent stem cell 神経 Neuron 皮膚 Skin : 膵臓 Pancreas 肝臓 Liver : 血液 Blood : 最終分化細胞, 200種 Terminally differentiated cells, 200 types 好中球 Neutrophil 好酸球 Eosinophil 単核球 Monocyte 血小板 Platelet 赤血球 Erythrocyte Ｂ細胞 B cell Ｔ細胞 T cell ﾘﾝﾊﾟ球 Lymphocyte 外胚葉 Ectoderm 中胚葉 Mesoderm 内胚葉 Endoderm 多分化能性 幹細胞 Multipotent stem cell

(16)

体性幹細胞 – Somatic stem cells

多分化能性 幹細胞 Multipotent stem cell 中胚葉 Mesoderm 最終分化細胞, 200種 Terminally differentiated cells, 200 types

前駆細胞は、特定の細胞へ分化する前に、

数回だけ分裂する。

Progenitor (precursor) cells can proliferate

several times before restricted differentiation.

血液 Blood : 好中球 Neutrophil 好酸球 Eosinophil 単核球 Monocyte 血小板 Platelet 赤血球 Erythrocyte Ｂ細胞 B cell Ｔ細胞 T cell ﾘﾝﾊﾟ球 Lymphocyte 造血幹細胞 Hematopoietic stem cell リンパ球前駆細胞 Lymphoid progenitor 骨髄前駆細胞 Myeloid progenitor 体性幹細胞

Somatic stem cell

成体幹細胞

(17)

(18)

(19)

(20)

多能性幹細胞 – Pluripotent stem cells

接合子 Zygote 発生 Development 桑実胚 Morula 胚盤胞 Blastocyst

多能性幹細胞は、栄養芽細胞以外の、全ての細胞に分化する能力を持つ。

（多能性）

Pluripotent stem cells can differentiate into all cells but not trophoblast.

(Pluripotency)

栄養芽細胞

Trophoblast

内部細胞塊

Inner cell mass

胚性幹細胞 (ES細胞)

Embryonic stem cell

(21)

2007年ノーベル医学・生理学賞: ES細胞の発見と応用

Mario R. Capecchi Martin J. Evans Oliver Smithies

ES細胞を用いてマウスに特定の遺伝子変化を導入する方法の発見について

for their discoveries of principles for introducing specific gene modifications in mice by the use of embryonic stem cells

(22)

マウスと霊長類のES細胞 – Murine and primate ES cells

A: マウスES細胞

B: サルES細胞

C: ヒトES細胞

(23)

ES細胞の樹立方法

Yu & Thomson, 2006

人工授精

In vitro fertilization

全能性幹細胞 (~8細胞)

Totipotent stem cells

胚盤胞 (day 5)

Blastocyst

割腔 Blastocoel

栄養芽細胞 Trophoblast

内部細胞塊 Inner cell mass

_{胚性幹細胞 (ES細胞)}

(24)

ES細胞は全ての体細胞に分化することができる

Yu & Thomson, 2006

自己複製

Self-renewal

分化

Differentiation

ES細胞

ES cells

外胚葉中胚葉内胚葉

胚盤胞 (day 5)

Blastocyst

(25)

ES細胞由来心筋細胞 – ES cell-derived cardiomyocytes

(26)

ES細胞と再生医療 – ES cells & regenerative medicine

ES細胞

ES cells

心筋細胞

Cardiomyocytes

分化誘導

Induction of

differentiation

(27)

ES細胞の利点 – Benefits of ES cells

無限に増殖する：

未分化なES細胞は無限に増殖する。体細胞は無限に増殖しない。

再生医療には膨大な細胞数 (~10

8

_{) が必要である。}

身体を構成する全ての細胞に分化できる：

ES細胞は全ての細胞に分化できる。

体性幹細胞は限られた種類の細胞にしか分化できない。

(28)

ES細胞の問題点 – Problems of ES cells

倫理的問題：

ヒトES細胞はヒト受精卵から発生した胚盤胞を破壊して得られる。

命の源である受精卵の破壊は「殺人」であると考える文化もある。

免疫的問題：

患者自身のES細胞は存在しない。

移植されるES細胞は「他人の細胞」であるため、免疫的に適合しない。

(患者は免疫抑制剤を服用し続けなければならない)

(29)

体細胞のリプログラム – Reprogramming of somatic cells

心筋細胞

Cardiomyocytes

分化誘導

Induction of

differentiation

体細胞

Somatic cells

多能性幹細胞

Pluripotent

stem cells

リプログラム (初期化)

Reprogram

(30)

2012年ノーベル医学・生理学賞: 体細胞の多能性の獲得

成熟した細胞がリプログラミングによって多能性を獲得するという発見について

for the discovery that mature cells can be reprogrammed to become pluripotent

Nobelprize.org John B. Gurdon Shinya Yamanaka

(31)

ガードン教授の実験

http://www.skip.med.keio.ac.jp/general/article/04/

未受精卵の中には、体細胞の核を

初期化する因子が含まれている。

ヒトで体細胞の核移植を行うことはできない

（ヒトクローンの作成になってしまう）

(32)

マスター遺伝子による細胞の形質転換

Davis, Cell, 1987 線維芽細胞 Fibroblasts 筋細胞 Myocytes

MyoD

ゲノム Genome 筋肉心臓神経肝臓筋肉骨神経筋肉皮膚心臓肺 26,000遺伝子 MyoD

転写因子：

遺伝子の発現を制御する因子

(33)

山中教授のアイデア

線維芽細胞 Fibroblasts 多能性幹細胞 Pluripotent stem cells

???

ES細胞のような多能性幹細胞を作りたい！

↓

どんな遺伝子を導入すれば良いだろうか？

↓

ES細胞だけに発現している転写因子

(34)

体細胞を初期化する山中因子の発見

線維芽細胞 Fibroblasts 多能性幹細胞 Pluripotent stem cells ES細胞で特異的に 発現する転写因子: Ecat1 Dppa5 Fbxo15 Nanog ERas Dnmt31 Ecat8 Gdf3 Sox15 Dppa4 Dppa2 Fthll7 Sall4 Oct3/4 Sox2 Rex1 Utf1 Tcl1 Dppa3 Klf4 β-catenin c-Myc Stat3 Grb2

山中因子:

Oct3/4

Sox2

Klf4

c-Myc

Takahashi, Cell, 2006

16,777,216 通り

(35)

iPS細胞の応用 – Application of iPS cells

心筋細胞

Cardiomyocytes

分化誘導

Induction of

differentiation

体細胞

Somatic cells

iPS細胞

人工多能性幹細胞

Induced

pluripotent

stem cells

リプログラム

Reprogram

(36)

iPS 細胞の心筋分化を促進する分子

Scale bar, 150 µm; miPSC (20D17), 3×104 _{cells/dish, gelatin, (10 µM 秘密の分子, day 5-9)}

秘密の

分子

Co

ntro

(37)

iPS細胞の応用 – Application of iPS cells

iPS細胞

細胞移植治療

・病態解明

・薬剤の評価

・新薬の開発

神経細胞

筋細胞

血液細胞

膵細胞

分化誘導

(38)

3Dプリンタ

(39)

https://prezi.com/p7bsfy3wkyjs/3d-bioprinting/

3Dプリンタ

(40)

(41)

骨格筋 /

Skeletal muscle

- 横隔膜 / Diaphragm - 舌 / Tongue

平滑筋 /

Smooth muscle

- 内臓 / Internal organ - 血管 / Blood vessel

心筋 /

Cardiac muscle

- 心臓 / Heart

３種類の筋肉 – Three types of muscles

(42)

筋肉の多様性 – Diversity of muscles

骨格筋 Skeletal 心筋 Cardiac 平滑筋 Smooth

細胞分裂

Proliferation No No Yes

再生

Regeneration Yes No Yes

細胞融合

Cell fusion Yes No No

筋節構造

Sarcomere Striated横紋 Striated横紋 Unstriated平滑

筋収縮

(43)

(44)

骨格筋幹細胞 – Skeletal muscle stem cells

骨格筋 (組織)

Skeletal muscle (tissue)

筋線維 (多核細胞)

Myofiber (multi-nuclear cell)

衛星細胞 (幹細胞)

(45)

筋線維 myofiber

骨格筋の恒常性 – Homeostasis of skeletal muscle

細胞増殖 Proliferation 筋形成 Mu sc le fo rm atio n 筋芽細胞 Myoblast 活性化 Ac tiv atio n 衛星細胞 Satellite cell 筋管 Myotube 細胞融合 Cell fusion 分化 Differentiation 筋細胞 Myocyte

加齢 Aging

→ 筋疾患 Motor disorders

(46)

筋芽細胞の分化 – Myogenic differentiation

M H C / D A PI

Day 0 Day 2 Day 4

Phas

e

(47)

筋芽細胞に作用する分子の探索 - Screening

筋芽細胞 Myoblasts 免疫染色 Immunostain_(MHC/_DAPI₎ Multi-well plate

(48)

実験結果 – Experimental results

MHC/DAPI