「IPS細胞」の版間の差分

　上述の背景のもと、山中伸弥博士（当時、奈良先端科学技術大学院大学）はES細胞の分化多能性維持機構の解明を第一の目的とし、ES細胞で特異的に発現する遺伝子群の同定を行った。公共のデータベースを利用したin silicoのスクリーニングによってES細胞特異的な遺伝子群が同定され、ECAT（ES cell associated transcript）と命名された<ref name="ref4"><pubmed> 12787504 </pubmed></ref>。ECATの中にはEsg1/ECAT2/Dppa5やOct4等の既知のES細胞マーカー遺伝子のほか、ECAT1やTdrd12/ECAT8等の新規遺伝子も含まれていた。「ES細胞で特異的に発現している遺伝子≒ES細胞において機能的に重要な遺伝子」との仮説から各ECATのノックアウトや強制発現実験が試みられ、ホメオボックス転写因子であるNanog/ECAT4は多能性ネットワークの構築と維持における中心であること、恒常活性化型Rasタンパク質であるERas/ECAT5は増殖と造腫瘍性を担うこと等が示された。 また、iPS細胞を選択するために最初に利用されたFbx15/ECAT3も、このスクリーニングによって同定された遺伝子の一つである。&nbsp;  

　続いて、山中博士らは「ES細胞において機能的に重要な遺伝子≒体細胞の初期化を誘導する遺伝子」という仮説に基づき、ECATおよびES細胞の自己複製を支持する遺伝子（STAT3やβ-catenin等）を体細胞であるマウス胎仔繊維芽細胞（MEF）に導入する実験を試みた。初期化因子候補としては計24の遺伝子が絞り込まれ、上述のFbx15遺伝子座にネオマイシン耐性遺伝子が挿入されたノックインマウスの細胞が利用された。このマウスの体細胞はECATであるFbx15を発現していないため、G418（ネオマイシン耐性遺伝子によって不活性化される抗生物質）を添加すると細胞は死滅する。一方、ES細胞等の多能性幹細胞では、Fbx15の発現と一致してネオマイシン耐性遺伝子を発現することからG418に対して耐性となる。このシステムを用いて各候補遺伝子が1種類ずつ導入されたが、この場合にはG418耐性のES細胞様コロニーは観察されなかった。ところが、24種類全ての候補遺伝子を同時に導入した場合、ES細胞に類似したG418耐性細胞コロニーが出現することが明らかとなった。その後、24遺伝子から1遺伝子を差し引いた23遺伝子を導入する実験により、最終的にES細胞様コロニーの誘導には4種類の遺伝子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）の組合せで十分であることが判明した。得られた細胞はES細胞マーカー遺伝子を発現しているほか、胚葉体形成培養や皮下移植によるテラトーマ形成実験により三胚葉に分化する能力を有することが確認され、iPS細胞と名付けられた<ref name="ref1" />。また、iPS細胞を誘導する遺伝子セットは通称「山中4因子」とも呼ばれる。  

　iPS細胞の誘導法の発見に付随して、体細胞の初期化レベルには多様性があることが明らかとなった。まず、山中4因子が同定される過程において、Sox2を除いた3遺伝子（Oct4、Klf4、c-Myc）の導入によってもG418耐性コロニーが得られていた。しかし、この細胞はES細胞マーカー遺伝子を一部しか発現しておらず、また造腫瘍性は有するものの分化能は獲得していなかった。一方、Fbx15の発現に基づいて誘導されたiPS細胞は確かに分化多能性を獲得してはいるが、キメラマウスは胎性致死であり、遺伝子発現においてもECAT1の発現が認められない等とES細胞とは明らかに異なっていた。しかし、iPS細胞選択の指標をFbx15からNanogやOct4の発現に変更することによって、キメラマウスの出生および生殖系列に寄与するiPS細胞が樹立できるようになった<ref name="ref5"><pubmed> 17554338 </pubmed></ref><ref><pubmed> 17554336 </pubmed></ref>。Fbx15の発現に基づく初期化レベルの低いiPS細胞は「第一世代」、Oct4やNanogの発現に基づく初期化レベルの高いiPS細胞は「第二世代」と呼ばれる。  

　iPS細胞の一般的な細胞特性として、ES細胞を規定する特性である自己複製能、分化多能性、造腫瘍性、活発な増殖能を備えている。後述の通り、培養下においてiPS細胞を様々な細胞系譜へと分化誘導することも可能である。多能性幹細胞が有する分化多能性を表す一つの基準として、ナイーブ状態（naive state）とプライムド状態（primed state）の区分がある。ナイーブ状態は胚盤胞の内部細胞塊の起源をより強く反映していると考えられ、マウスやラットのES細胞はこちらに分類される。形態的にはドーム状のコロニーを形成し、LIFとBMP4依存的に自己複製する。ナイーブ状態の中でも、非常に高いキメラ形成能および生殖系列への寄与を示す細胞はグラウンドステート（ground state）にあるとも表現される。一方、プライムド状態は胚盤胞より発生が進んだエピブラストの起源に相当すると考えられ、ウサギや霊長類のES細胞が含まれる。 自己複製にはFGF2とActivin Aを必要とし、扁平なコロニーを形成して増殖する。iPS細胞の多能性状態（ナイーブまたはプライムド）は基本的に同種のES細胞と相同であるが、これは種の相違によって規定されているものではなく、各々の細胞株として反映する発生段階の差に起因すると考えられる。  

　これまでにマウスおよびヒトiPS細胞から分化誘導が試みられた細胞系譜は多岐に亘る。例えば、神経系（神経幹細胞、運動ニューロン等の各種ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイト）、眼・耳（網膜色素上皮細胞、視細胞、網膜神経節細胞、有毛細胞）、表皮（ケラチノサイト、メラノサイト）、血球系（造血幹細胞、マクロファージ、樹状細胞、T細胞、ナチュラルキラーT細胞、好中球、巨核球、血小板、赤血球）、心血管系（心筋細胞、心血管、血管内皮、血管芽細胞）、筋（骨格筋幹細胞、骨格筋、平滑筋）、骨・間葉系（間葉系幹細胞、造骨細胞、破骨細胞、軟骨、白色・褐色脂肪細胞）、歯（エナメル芽細胞、象牙芽細胞）、消化器系（肝内胚葉、肝芽細胞、肝細胞、腎臓系列、後腎間充織、尿細管細胞、腸管様組織、膵島細胞）、生殖細胞等が挙げられる。

　ヒトiPS細胞を用いた細胞移植医療を目指す上で、品質評価と安全性の確保は最重要事項である。実際、iPS細胞の治療用途には克服すべき様々な懸念材料がある。例えば、c-MycをゲノムDNAに導入したマウスiPS細胞は、キメラマウスおよびその子孫において高頻度に腫瘍を誘発する<ref name="ref5" />。これらの腫瘍では外来性c-Mycが再活性化しており、初期化因子のゲノムへの組込みはiPS細胞利用における永続的なリスクファクターであることが示された。また、分化誘導時に残存する未分化細胞、とりわけ「分化抵抗性」細胞の混入は、移植レシピエントにおいてテラトーマ形成を引き起こす。慶應義塾大学の三浦恭子博士らは、複数のマウスiPS細胞株から分化誘導した神経幹細胞（ニューロスフェア）を免疫不全マウス成体脳へと移植し、腫瘍形成の有無について検証を行った<ref><pubmed> 19590502 </pubmed></ref>。その結果、移植を受けたマウス全体の4割において未分化細胞に起因するテラトーマ形成が観察された。こうした造腫瘍性はiPS細胞樹立過程におけるc-Mycの導入や薬剤選択の有無ではなく、iPS細胞の起源と相関（胎仔由来では低頻度、成体由来では高頻度）していた。一方、成体マウスの肝実質細胞由来のiPS細胞はキメラマウスへと寄与するものの、周産期において原因不明の高い死亡率を示すことが報告されている。極めて人工的な手法で作成される細胞であるがためにiPS細胞の基本特性について不明な点も多く、医療適正のあるiPS細胞株を精査、選別、作成していくことが必要不可欠である。

　最も早期の実用化が期待されるヒトiPS細胞の利用法には創薬研究が挙げられる。例えば、心機能におよぼす副作用の評価系としてiPS細胞由来の心筋細胞を用いた薬剤誘発性QT延長試験が提示されており、こうした利用を見据えてヒトiPS細胞由来の心筋細胞、ドーパミン神経細胞、肝細胞が既に市販ベースにある。一方、細胞移植治療に向けた実践的な基礎研究も活発に進められている。iPS細胞を用いた最初の自家移植治療モデルとして、Rudolf Jaenisch博士らは鎌状赤血球貧血症マウスからiPS細胞を作成して疾患原因遺伝子の修復を施し、分化誘導した造血幹細胞による自家移植治療の実例を示した<ref><pubmed> 18063756 </pubmed></ref>。同グループは、マウスiPS細胞から分化誘導したドーパミン神経をパーキンソン病モデルラット成体脳に異種移植し、行動改善がみられることについても報告している<ref><pubmed> 18391196 </pubmed></ref>。一方、パーキンソン病患者のiPS細胞由来のドーパミン神経を異種移植したラットにおいても、同様に運動機能の改善がみられている。また、正常マウスのiPS細胞から内皮細胞を誘導し、血友病Aモデルマウスの肝臓へと他家移植した治療実験例もある。国内では、慶應義塾大学の岡野栄之博士のグループがマウスおよびヒトiPS細胞から分化誘導したニューロスフェアを脊髄損傷モデルマウスに移植し、下肢運動機能に改善が認められることを報告している<ref><pubmed> 20615974 </pubmed></ref><ref><pubmed> 21949375 </pubmed></ref>。脊髄損傷に関しては、奈良先端科学技術大学院大学の中島欽一博士らもヒトiPS細胞の神経幹細胞（神経上皮様幹細胞）分化誘導と移植を行い、モデルマウスの運動機能が回復することを確認している。最近では、iPS細胞を介さずに任意の細胞種を直接誘導する「ダイレクトリプログラミング」の研究も盛んに進められており、iPS細胞以外の選択肢も並行して開発されることが期待される。