新しいヒト細胞アトラスは組織がどのように発達するかを追跡し、研究のロードマップを提供する

2つの新しいヒト細胞アトラスにより、受精後数週間で組織を構築する分子機構が解明され、最終的には発達障害の解決への道が示される可能性がある。

このアトラスを作成した研究者らは、科学誌「サイエンス」に発表された2つの研究論文で詳細が説明されている単一細胞分析の手法によって、個々の細胞が胚から成体へとどのように発達するかを追跡する取り組みが劇的に加速される可能性があると述べている。

「重要なのは、この手法が指数関数的に拡張できることです」と、両研究の筆頭著者であるワシントン大学の遺伝学者ジェイ・シェンデュア氏は述べています。「人体を考えてみると、37兆個の細胞があります。私たちが本当に求めているような包括的なアトラスを作成するには、このような拡張性が必要なのです。」

研究の共著者でワシントン大学小児科教授のダン・ドハティ氏は、この手法の将来性をハッブル宇宙望遠鏡やヒトゲノム計画のインパクトに匹敵するものとして評価した。「単一細胞法は、発生生物学を理解する上でその重要性を過大評価することはできません」と彼は述べた。「この手法は、私たちにこれまで見たことのない新たな像を与えてくれるのです。」

どの遺伝子がオンまたはオフになっていますか?

あるアトラスは、受胎後10週から18週までの発達段階における15種類の胎児組織における遺伝子発現に焦点を当てています。遺伝子発現とは、細胞内の個々の遺伝子がどのようにオンまたはオフになり、細胞の構造と機能を決定するタンパク質が生成されるかを指します。

121のサンプルから400万個以上の細胞を、3段階の標識技術を用いてプロファイリングしました。3回の分割と標識化を経て、各細胞は3つのDNA「バーコード」の固有の組み合わせで標識されました。これにより、細胞を物理的に分離することなく、追跡することが可能になりました。

「これらのデータから、ヒト組織全体にわたる主要な細胞タイプのカタログを直接作成することができ、組織間での細胞タイプの遺伝子発現がどのように変化するかを含めることができます」と、本研究の筆頭著者である曹俊悦氏はニュースリリースで述べています。曹氏はシェンデュア研究室のポスドク研究員として本研究に携わり、現在はロックフェラー大学の助教授を務めています。

研究者たちは、発見を確認し、アトラスの空白を埋めるために、マウス胚細胞の類似アトラスと結果を比較した。「いくつかのシステムでは、これにより、哺乳類の発生における胚段階から胎児段階までの遺伝子発現動態を橋渡しすることが可能になりました」と、彼らは論文の中で述べている。

研究者らは77種類の主要な細胞型をカタログ化し、さらに657種類のサブタイプに分類しました。主要な細胞型の中には複数の組織細胞に見られるものもありましたが、そのほとんどは臓器特異的でした。場合によっては、細胞の発生様式は、それが見つかった組織の種類によって異なることもありました。

「これはおそらく、臓器の組織特有の機能に関係しているのでしょう」とシェンデュア氏は説明した。「肺では、血管が収縮したり拡張したりする理由や環境要因がそれぞれ異なる可能性があります。つまり、異なる酸素レベルに応じてどのような信号を発するかということです。よく考えれば、納得できます。」

シェンデュア氏は、彼と同僚たちは赤血球が副腎で作られていることを発見し、驚いたと述べた。「一般的に、発達期の血液の供給源は肝臓と脾臓と考えられています」と彼は述べた。

DNA のどの領域が開いていて、どの領域が閉じていますか?

このコンパニオンアトラスは、遺伝子の活動を司るもう一つの要素に焦点を当てています。クロマチンと呼ばれる物質は、DNAが染色体内でどのようにパッケージ化されるかを制御しています。DNAの一部は開かれ、指示を読み取る分子機構がアクセスできる一方で、他の部分は閉じられ、アクセスできないようになっています。

「クロマチンを研究することで、細胞を制御する『文法』を理解することができます」と、シェンデュア研究室の卒業生で、現在はアリゾナ大学の教授を務める、研究共著者のダレン・クサノビッチ氏は述べた。「開いている、つまりアクセス可能な短いDNA領域には、特定の『単語』が豊富に存在し、それが細胞が特定の遺伝子を発現させたいと指示する基礎となっているのです。」

クロマチンアクセシビリティアトラスの研究者らは、遺伝子発現研究に使用されたものと同様の3段階バーコード化法を使用して、15種類の異なる組織タイプを代表する53の胎児サンプルから72万個の単一細胞を分析した。

研究者たちは、DNAの未解明領域と、疾患を含む臓器特異的な遺伝形質との関連性を探した。ほとんどの場合、彼らは探し求めていた関連性を発見した。例えば、2型糖尿病に関連するDNA領域は、膵島内分泌細胞だけでなく、肝臓、膵臓、胃に関連する細胞でもアクセス可能だった。

「喘息の遺伝子研究におけるシグナルの位置を調べてみると、肺の細胞にある開いた領域にシグナルが見つかるかもしれません」とシェンデュア氏は述べた。「胎児組織から得られたものであっても、一般的な成人疾患との関連でこれらのシグナルを観察することができます。」

クロマチン研究の主執筆者の一人であるワシントン大学の博士研究員シルビア・ドムケ氏は、この研究結果によって、ゲノムのどの部分がタンパク質配列をコード化していなくても機能するかが明らかになると述べた。

「遺伝子をコードしていないゲノムのうち、遺伝子制御に関与できる割合はまだ分かっていません」とドムケ氏は述べた。「私たちのアトラスは、現在、多くの細胞種についてその情報を提供しています。」

地図帳の活用方法

シェンデュア氏は、これらのアトラスは細胞内の仕組み、そしてその仕組みが細胞の種類によってどのように異なる発達をするのかについての理解を深めるのに役立つだろうと述べた。「個々にはまれだが、全体としては一般的で、発症するとしばしば壊滅的な影響を与える」発達障害の治療に新たなアプローチをもたらす可能性があるとシェンデュア氏は述べた。

「特にこの種の発達障害においては、治療の課題は深刻です」と彼は述べた。「一方で、遺伝子制御が発達過程においてどのように機能し、それがこれらの疾患の発現にどのように影響するかを理解する上で、豊富なデータがあります。」

シェンデュア氏によると、潜在的なフロンティアの一つはシス制御療法と呼ばれるものだという。このアプローチはCRISPRなどの遺伝子編集ツールを活用しているが、ちょっとした工夫が凝らされている。

「CRISPRは遺伝子を標的とするのではなく、制御シグナルを伝達する配列を標的としているのです」とシェンデュア氏は述べた。今日発表されたような細胞アトラスは、新たな標的を特定する可能性を秘めている。

シェンデュア氏とその同僚は研究論文の中で、彼らの技術は他の発達段階の単一細胞研究にも応用できると述べている。

「これらの技術が今後飛躍的に拡大していくことで、ヒト細胞アトラスを完成させる能力や、さまざまな疾患に応用できる可能性が広がることを期待しています」とシェンデュア氏は語った。

議論の焦点の一つは、これらの研究でヒト胎児組織が使用されている点です。サンプルは、1964年から存在するウィスコンシン大学の出生異常研究所から採取されました。同研究所は国立衛生研究所（NIH）が策定した倫理ガイドラインに基づいて運営されていますが、数十年にわたる中絶をめぐる議論に時折巻き込まれてきました。

ウィスコンシン大学のダン・ドハティ氏は、この組織サンプルは細胞アトラスプロジェクトや他の多くの研究にとって「非常に貴重」なものだったと語った。

「この研究は他の生物ではできなかっただろう」と彼は語った。

両方の単一細胞アトラスとその他のリソースは、シアトルのブロトマン・バティ研究所のウェブサイト「DESCARTES」（DE velopmental Single Cell A tlas of gene Regula T ion and Expre S sionの略）からオンラインで入手できます。シェンデュア氏は、ワシントン大学での職務に加え、ブロトマン・バティ研究所の科学ディレクターも務めています。

本研究には、ワシントン大学医学部、ブロトマン・バティ研究所、イルミナ、アリゾナ大学、フレッド・ハッチンソンがん研究センター、マックス・プランク分子遺伝学研究所、ロチェスター大学医学センターの協力者が参加しました。本研究の一部は、ブロトマン・バティ研究所、ポール・G・アレン・フロンティア財団、チャン・ザッカーバーグ・イニシアチブ、ハワード・ヒューズ医学研究所、および国立衛生研究所の資金提供を受けました。