幹細胞の基本の“き”
国立大学法人東京医科歯科大学
難治疾患研究所 幹細胞制御分野
―最先端生命科学講座シリーズ 第1４回― 2016年2月19日（金）文京シビックセンター田賀 哲也
東京医科歯科 大学難治疾患研究所 市民公開講座 1キーワード：
幹細胞
2幹 細胞
3幹
細胞
チャールズ ダーウィン 種の起源
Charles Darwin (1809-1882) The Origin of Species (1859)
写真：第6版の最終改稿版 (1876 Ed., 1878 Pr.) ダーウィンが没する1882年以前の最終稿 5
幹細胞
自身が枯渇しないように自分を複製して増やす能力(自己複製能)を持つ細胞 木の幹から枝が分かれるように様々な細胞に分化する能力(多分化能)を持つ細胞幹細胞
6体の中のそれぞれの組織や臓器に幹細胞が存在する
キーワード：
組織幹細胞
(体性幹細胞)
7 1.神経幹細胞 2.造血幹細胞組織幹細胞
体の中のそれぞれの組織や臓器に幹細胞が存在する
(体性幹細胞)
8キーワード：
幹細胞の分化を制御するシグナル
9 幹細胞幹細胞の分化
分化 幹細胞が変化して形や機能が特殊化した別の種類の細胞になる 10 「シグナル」を受けたらどうなる? 幹細胞幹細胞の分化を制御するシグナル
細胞外シグナル 「シグナル」は１種類だけ? 幹細胞幹細胞の分化を制御するシグナル
細胞外シグナル 12「シグナル」の特異性と多様性と重複性と相互作用 幹細胞
幹細胞の分化を制御するシグナル
細胞外シグナル 「シグナル」の先にあるものは？ Picture ©: wallpaper.free-photograph 増殖・分化 その仕組みは？ 13キーワード：
遺伝情報の読み取り
14 遺伝子(DNA)DNAの構成要素はAとTとGとC
…ATGC…
…TACG…
遺 伝 情 報 の 読 み 取 り
塩基
15 A B C E D F A B C E D F 遺伝子(DNA) 遺伝子(DNA) 幹細胞 核 細胞質幹細胞や分化した細胞は、形態や機能が異なってい
ても同じ遺伝子のセットを核の中に保有する。
遺 伝 情 報 の 読 み 取 り
細胞の種類ごとに使われる遺伝子群が異なる。
16A B C E D F A B C E D F 遺伝子(DNA) 遺伝子(DNA) 幹細胞 核 細胞質
幹細胞や分化した細胞は、形態や機能が異なってい
ても同じ遺伝子のセットを核の中に保有する。
遺伝子の選択的活用が細胞の特性を決定する。
遺 伝 情 報 の 読 み 取 り
17 A B C E D F 核 遺伝子(DNA) 細胞質 細胞遺 伝 情 報 の 読 み 取 り
18 A B C E D F 核 遺伝子(DNA) 細胞質 転写因子 細胞遺伝子の選択的活用が細胞の特性を決定する
転写因子が遺伝子の選択的活用を制御する
必要な情報を写し取る (転写する) mRNA 蛋白質を合成する （翻訳する） 蛋白質 遺伝子(DNA)8個のヒストン蛋白質 遺伝子(DNA)
遺伝子の転写を制御するしくみ
：
転写因子転写因子による遺伝子の選択的読み取り
21 細胞外来性のシグナル 活用される標的遺伝子 受容体 細胞膜 核膜 22 mRNA 転写因子 細胞外来性のシグナル 活用される標的遺伝子 受容体 細胞膜 核膜 23 活用される標的遺伝子 受容体 細胞膜 核膜 蛋白質チロシンリン酸化酵素 P mRNA 転写因子 転写因子 転写因子P シグナル分子 24受容体 シグナル分子 P mRNA 転写因子 転写因子 転写因子P 活用される標的遺伝子 細胞膜 核膜 蛋白質チロシンリン酸化酵素 25 受容体 シグナル分子 P Y P P Y P mRNA 転写因子 活用される標的遺伝子 細胞膜 核膜 蛋白質チロシンリン酸化酵素 転写因子 26 受容体1 シグナル分子1 受容体2 シグナル分子2 Y P P Y
?
?
P P 転写因子その１ 転写因子その２ 活用される標的遺伝子1,2 細胞膜 核膜 受容体1 シグナル分子1 P P P P Y Y 転写因子その１ 転写因子その２ 活用される標的遺伝子1,2 細胞膜 核膜 蛋白質チロシンリン酸化酵素受容体2 シグナル分子2 P P P PY Y 転写因子その１ 転写因子その２ 活用される標的遺伝子1,2 細胞膜 核膜 蛋白質チロシンリン酸化酵素 29 Y Y PP P P Y P P Y Y P P P Y mRNA1 P 転写因子その1が認識する場所 活用される標的遺伝子1,2 受容体1 細胞膜 核膜 シグナル分子1 蛋白質チロシンリン酸化酵素 転写因子その１ 転写因子その２ 30 P Y Y PP P P 転写共役因子 基本転写因子 Y P P P HAT Y mRNA1 Y P P Y
HAT, histone acetyltransferase（ヒストンアセチルトランスフェラーゼ）
転写因子その1が認識する場所 活用される標的遺伝子1,2 受容体1 細胞膜 核膜 シグナル分子1 蛋白質チロシンリン酸化酵素 転写因子その１ 転写因子その２ 31 + ++ + ++ + + + + + + + + + + + +
--
HATNucleosome (histone-DNA complex) ヌクレオソーム（ヒストンDNA複合体）
-Ac -Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac AcAc 転写因子
- -
-HATNucleosome (histone-DNA complex) ヌクレオソーム（ヒストンDNA複合体）
HAT, histone acetyltransferase（ヒストンアセチルトランスフェラーゼ） 33
今日のキーワード：
幹細胞
再び
34幹細胞の特性
幹細胞 幹細胞 自己複製能 多分化能 自己複製能 （多分化能を維持した増殖） 多分化能 （組織の構築に必要な細胞の供給） 組織幹細胞 多分化能 （組織の構築に必要な細胞の供給） 自己複製能 （多分化能を維持した増殖）組織の構築・再構築
組織幹細胞の特性
可塑性 自己複製 分化抑制 可塑性 排他性 自己複製 分化抑制 自己複製 分化抑制 血液系 組織幹細胞 その他の系 可塑性 排他性 排他性 中枢神経系
組織幹細胞の特性
37 38 39キーワード：
エピジェネティック制御
（エピゲノム制御）
エピゲノム制御：
DNA配列の変化を伴わない
遺伝子発現調節の仕組みで、ヒストンの修飾
や
DNAのメチル化、非翻訳RNA等による制御
40幹細胞の制御におけるエピジェネティック制御機構の関与
Waddington’s Epigenetic Landscape
Waddington, C. H., The Strategy of The Genes., 1957
41
Waddington’s Epigenetic Landscape
Waddington, C. H., The Strategy of The Genes., 1957
幹細胞の制御におけるエピジェネティック制御機構の関与
42
Waddington, The Strategy of The Genes (1957) Figures 4, 5より改変 幹細胞
幹細胞の制御におけるエピジェネティック制御機構の関与
細胞外来性 シグナル 幹細胞 細胞内在性プログラム (エピジェネティック制御)Waddington, The Strategy of The Genes (1957) Figures 4, 5より改変
Picture ©: hozugawa.cocolog 45 Picture ©: hozugawa.cocolog 46 Picture ©: togetsutei 47
Waddington’s Epigenetic Landscape
キーワード：
リプログラミング
49
Nature. 2010 Jun 10;465(7299):704-12.
Nuclear reprogramming to a pluripotent state by three approaches.
Yamanaka S, Blau HM. １．核移植 ２．細胞融合 ３．リプログラミング因子導入 iPS細胞 ジョン ガードン 山中 伸弥 多田 高
分化した細胞をリプログラムして多能性幹細胞を樹立する
50キーワード：
エピジェネティック制御
（エピゲノム制御）
エピゲノム制御：
DNA配列の変化を伴わない
遺伝子発現調節の仕組みで、ヒストンの修飾
や
DNAのメチル化、非翻訳RNA等による制御
-- --
-Ac -Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac AcAc 転写因子
- -
-HATNucleosome (histone-DNA complex) ヌクレオソーム（ヒストンDNA複合体）
エピジェネティック制御（
DNA配列の変化を伴わない遺伝子発現制御）
Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me Me NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 DNA ヒストン
エピジェネティック制御（
DNA配列の変化を伴わない遺伝子発現制御）
ヒストンのメチル化による制御 ・ヒストンのメチル化 ・ヒストンの脱メチル化 53 シトシン メチル化されたシトシン CGI CGI転写されにくい遺伝子
転写されやすい遺伝子
CH
3エピジェネティック制御（
DNA配列の変化を伴わない遺伝子発現制御）
DNAメチル化による制御 54キーワード：
癌幹細胞
55 正常細胞 変異細胞 細胞死 放射線療法癌の形成
化学療法・ 変異の蓄積 癌の形成 癌の拡大 56変異の蓄積 正常細胞 変異細胞 癌幹細胞 細胞死 癌の再発 放射線療法
癌幹細胞の存在
化学療法・ 癌の形成 癌の拡大・転移 不均質な細胞 集団で構成さ れる癌組織 治療抵抗性 57 （＊）PubMed検索でtitleまたはabstractにcancer stemあるいはtumor stemを含む論文数 癌幹細胞に関する論文数（ ＊ ）癌幹細胞に関する論文数の推移
100 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 出版年： 2007 2008 2009 2010 2011 58ラット
C6神経膠腫における SP (side population) 細胞の癌幹細胞性
0 100 200 300 0 100 200 300 0.02% 0 100 200 300 0 100 200 300 0.38% With verapamil 非SP＝癌幹細胞でない癌細胞集団 Without verapamilProc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 781-786, 2004
Persistence of a small subpopulation of cancer stem-like cells in the C6 glioma cell line.
Toru Kondo, Takao Setoguchi, and Tetsuya Taga
(main population, MP) グリオーマ
癌幹細胞の存在報告
(side population) SP＝癌幹細胞の集団 青色蛍光強度 赤色蛍光強度 細胞をDNA染色色素 で染めて、細胞蛍解 析析器に入れる フローサイトメーター（細胞蛍光解析器） 解析後の細胞を回収 (特定の細胞を回収可能) Hoechst 33342 red-fluorescence (arbitrary intensity) Hoechst 33342 blue-fluorescence (arbitrary intensity ) 0 100 200 300 0 100 200 300 フローサイトメーター（細胞蛍光分析器） でSP細胞（癌幹細胞）を分離する SP (緑色蛍光で目印した癌幹細胞) MP (赤色蛍光で目印した非癌幹細胞) Right striatum Day 33 Hoechst 2mm 100μm 100μm 50個のSP細胞と50個のMP細胞を マウス脳内に移植Hoechst EGFP (SP-derived)
DsRed2 (MP-derived) Merged
癌幹細胞モデル：
C6グリオーマside population (SP)細胞
形成された癌は殆どSP
自己複製能 （多分化能を維持した増殖） 多分化能 （組織の構築に必要な細胞の供給） 組織幹細胞 多分化能 （組織の構築に必要な細胞の供給） 自己複製能 （多分化能を維持した増殖）
組織の構築・再構築
正常組織幹細胞の特性
61 自己複製能 （多分化能を維持した増殖） 多分化能 （癌組織の構築に必要な細胞の供給） 癌幹細胞 多分化能 （癌組織の構築に必要な細胞の供給） 自己複製能 （多分化能を維持した増殖）癌組織の構築・再構築
米国癌学会2006年の癌幹細胞ワークショップにおける「癌幹細胞」の定義 「がんにおいて、自己複製能と、がんを構成する様々な分化系統のがん細胞を生み出す能力を併せ持つ細胞」癌幹細胞
62 米国癌学会2006年の癌幹細胞ワークショップにおける癌幹細胞の定義 (Cancer Research 66, 9339-9344, 2006)The consensus definition of a cancer stem cell that was arrived at in this Workshop is a cell within a tumor that possess (sic) the capacity to self-renew and to cause the heterogeneous lineages of cancer cells that comprise the tumor. Cancer stem cells can thus only be defined experimentally by their ability to recapitulate the generation of a continuously growing tumor. The implementation of this approach explains the use of alternative terms in the literature, such as "tumor-initiating cell" and "tumorigenic cell" to describe putative cancer stem cells.
本ワークショップでコンセンサスに達した癌幹細胞（cancer stem cell）の定義は、「がんにおいて、自己複製能と、がんを構成する 様々な分化系統のがん細胞を生み出す能力を併せ持つ細胞」と いうものである。それゆえ癌幹細胞は、持続的に拡大する腫瘍 の形成を繰り返す能力にのみ定義されうる。このアプローチの 履行は、文献において推定的な癌幹細胞を記載するのに癌惹 起 細 胞 （ tumor initiating cell ） あ る い は 造 腫 瘍 性 細 胞
（tumorigenic cell）のような表現が使われることを説明している。 63 変異の蓄積 正常細胞 変異細胞 癌幹細胞 細胞死 癌の再発 放射線療法
癌幹細胞の生存戦略
化学療法・ 癌の形成 癌の拡大・転移 治療抵抗性 64一部が ニッチ に分化 一部が ニッチ に分化 変異の蓄積 正常細胞 変異細胞 癌幹細胞 細胞死 癌の再発 放射線療法
癌幹細胞の生存戦略
化学療法・ 癌の形成 癌の拡大・転移 治療抵抗性 65ニッチ
（壁龕）
66 O C4H8 H O O O C3H6 H O O O O O H O O N O N O H N O O O OCH3 O O OCH3モノマー群
X R1 O N R3 R2 O HN R4ポリマー
合成ポリマーによる人工癌幹細胞ニッチの構築
ポリマーの性質は、モノマーの種類 や組成、重合度合いで異なる PA (ポリアクリル系ポリマー) 癌幹細胞にとって、”いごこち”のよ いものがあるかもしれない 癌幹細胞ニッチを擬態するポリマー を探し出す ポリマーアレイ装置 インクジェットプリンター ポリマーアレイ スライド ポリマーをスポット 【エジンバラ大学 Mark Bradley教授のグループと共同研究】ポリマーアレイスライド
--癌幹細胞ニッチポリマーのスクリーニング--48 合計376種類の ポリマー 24 PA (ポリアクリル系ポリマー)SP MP 500,000 SP+ 500,000 MP細胞 C6-緑色蛍光 C6-赤色蛍光 Hoechst Blue Hoechst Red Mix SP (癌幹細胞)増殖速度
=EGFP intensity at 96 hrs / EGFP intensity at 24 hrs
MP (非癌幹細胞)増殖速度
=DsRed2 intensity at 96 hrs / DsRed2 intensity at 24 hrs SP (癌幹細胞)特異性
=SP growth rate/ MP growth rate
C6グリオーマSP細胞(癌幹細胞)支持ポリマーのスクリーニング
Hoechst Blue Hoechst Red 24時間と96時間後に蛍光解析 SP MP ポリマーアレイスライド上に播く 培養するTabu et al., Stem Cells, 2016
(癌幹細胞) (非癌幹細胞) 69 日経産業新聞 2016年2月4日 70 1.神経幹細胞
