細胞効力

マウスの始原生殖細胞では、全能性につながるゲノム全体の再プログラミングには、エピジェネティックな刻印の消去が関わっています。再プログラミングは、DNA塩基除去修復酵素経路を含む活性なDNA脱メチル化によって促進されます。 ^{[ 12 ]} この経路では、始原生殖細胞におけるCpGメチル化（5mC）の消去が、5mCから5-ヒドロキシメチルシトシン（5hmC）への初期変換によって行われ、この反応は、高レベルのテトラヒドロビオキシゲナーゼ酵素 TET-1および TET-2によって促進されます。^{[ 13 ]}

誘導多能性幹細胞（一般的にiPS細胞またはiPSCと略される）は、特定の遺伝子と転写因子の「強制」発現を誘導することにより、非多能性細胞（通常は成体体細胞）から人工的に誘導される多能性幹細胞の一種である。[ 16 ^{]これらの}転写因子は、これらの細胞の状態を決定する上で重要な役割を果たし、これらの体細胞が初期胚細胞と同じ遺伝情報を保持しているという事実も強調している。^{[ 17 ]}細胞を多能性状態に誘導する能力は、2006年にマウス線維芽細胞と4つの転写因子、Oct4、Sox2、Klf4、c- Mycを使用して最初に開拓された。^{[ 18 ]}リプログラミングと呼ばれるこの技術は、後に山中伸弥とジョン・ガードンにノーベル生理学・医学賞をもたらした。 ^{[ 19 ]}その後、2007年にマウス細胞の誘導に使用された方法と同様の方法を使用して、ヒト真皮線維芽細胞からヒトiPSCの誘導に成功しました。^{[ 20 ]}これらの誘導された細胞は、胚性幹細胞（ESC）と同様の特性を示しますが、胚の使用を必要としません。ESCとiPSCの類似点には、多能性、形態、自己複製能力（無限に分裂および複製できる特性）、および遺伝子発現が含まれます。^{[ 21 ]}

エピジェネティック因子は、多能性を誘導するための体細胞の実際の再プログラミングにも関与していると考えられています。特定のエピジェネティック因子は、多能性状態を達成するために必要な新しいエピジェネティックマークを獲得するために、元の体細胞のエピジェネティックマークを除去する働きをしている可能性があると理論づけられています。iPSCではクロマチンも再編成され、ESCに見られるように凝縮度が低くなり、アクセスしやすくなります。ユークロマチンの修飾もよく見られ、これはESCに見られるユークロマチンの状態とも一致しています。^{[ 21 ]}

iPSCはESCと非常に似ているため、医療界や研究界はiPSCに関心を寄せている。iPSCはESCと同様の治療効果や応用が期待できるが、その過程で議論の的となっている胚の使用は、生命倫理上の大きな議論の的となっている。体細胞から未分化iPS細胞への誘導多能性は、当初、議論の的となっている胚性幹細胞の使用の終焉として歓迎された。しかし、iPSCは腫瘍形成の可能性があることが判明し、進歩にもかかわらず、最近まで米国では臨床段階の研究が承認されることはなかった^{[ 16 ] 。現在、自己由来のiPSC由来ドーパミン作動性前駆細胞は、パーキンソン病の治療の試験で使用されている[ 22 ]} 。iPSCの作製時には、複製率の低さや早期老化などの問題にも遭遇しており^{[ 23 ]} 、 ESCの代替としての使用を妨げている。

複合転写因子の体細胞発現は、他の特定の体細胞運命（分化転換）を直接誘導することができます。研究者らは、マウス線維芽細胞（結合組織細胞）を完全に機能するニューロンに直接変換できる3つの神経系特異的転写因子を特定しました。^{[ 24 ]}この結果は、細胞分化の最終的性質と系統決定の完全性に疑問を投げかけ、適切なツールがあれば、すべての細胞が全能性を持ち、あらゆる種類の組織を形成できることを示唆しています。

患者由来のiPSCの医学的および治療的用途としては、一般的に見られる拒絶反応のリスクなしに細胞や組織の移植に使用できることが挙げられる。iPSCは、不向きな動物モデルや疾患研究に使用されるin vitroモデルに取って代わる可能性を秘めている。^{[ 25 ]}

奇形腫形成アッセイ

ES細胞とiPS細胞の研究と再生医療モデルへの応用が拡大するにつれて、試験細胞の品質チェックが必要になっています。哺乳類ES細胞とiPS細胞の両方に有効な広く受け入れられている手順は、奇形腫形成アッセイです。^{[ 26 ]}奇形腫は、外胚葉（神経、上皮）、中胚葉（筋肉、骨、軟骨）、内胚葉（腸）の3つの胚葉を形成する能力によって特徴付けられる良性（通常）腫瘍です。^{[ 26 ]}

奇形腫形成アッセイは、多能性細胞と予想される試験細胞をさまざまな組織に注入することによって行われます。いくつかの領域には、免疫不全マウスの腎被膜、精巣内、筋肉内領域が含まれますが、これらに限定されません。^{[ 26 ] [ 27 ]}多能性の判定は、試験細胞が3つの異なる胚葉を生成できる奇形腫を形成する能力によって特徴付けられます。

奇形腫形成アッセイは研究者の間で「ゴールドスタンダード」とみなされているが、この試験には多くの問題が生じている。^{[ 26 ]}特に問題となっているのは、奇形腫形成に影響を与える特定の詳細や要因に関する標準化が欠如していることである。標準化の懸念事項としては、移植部位、試験生物（通常はマウス）の年齢、試験生物に注入される細胞数などが挙げられる。これらのアッセイは費用がかかり、運用上の負担も大きく、試験生物の使用による倫理的な懸念も問題となっている。^{[ 26 ]}

この種の検査のもう 1 つの問題は、組織学的読み取りエラーの可能性です。iPSC に完全に再プログラム化されていない細胞は、特徴的に奇形腫に似た目立つ細胞塊を形成し、3 つの胚葉を欠いているにもかかわらず、多能性であると判断される可能性があります。細胞系統の追跡と宿主細胞とドナー細胞のマーキングの必要性も指摘されています。特定の細胞調製材料は、炎症反応または異種抗原免疫反応を誘発する可能性があります。これらの反応は、テスト細胞の分化を誤って識別する役割を果たす可能性があります。^{[ 26 ]}

着床前と着床後の上胚葉に関する知見から、多能性を「ナイーブ」と「プライムド」の2つの状態に分類するという提案がなされており、それぞれ着床前と着床後の上胚葉を表している。 ^{[ 28 ]}ナイーブからプライムドへの連続性は、ナイーブ多能性を制御するSoxOct DNAエレメント上のSox2/Oct4二量体化の減少によって制御される。^{[ 29 ]}異なる種のプライムド多能性幹細胞は、Klf4とSox2、またはOct4との二量体化能力が強化されたキメラ転写因子である「スーパーSox」を含むカクテルを使用してナイーブ状態にリセットすることができる。^{[ 29 ]}

科学で一般的に使用される胚性幹細胞（ESC）と呼ばれる基本幹細胞は、着床前の上胚葉から得られます。このような上胚葉は胎児全体を生成することができ、1つの上胚葉細胞が別の胚盤胞に注入されると、すべての細胞系統に寄与することができます。一方、着床前と着床後の上胚葉の間には、形態の違いなどいくつかの顕著な違いが見られます。着床後の上胚葉は、卵円筒と呼ばれるカップ状の形に形態が変化します。また、卵円筒の初期段階でX染色体の1つがランダムに不活性化される染色体異常（X不活性化）も観察されます。^{[ 30 ]}この発生過程において、卵円筒上皮細胞は、周囲の卵黄嚢および栄養膜組織を介して線維芽細胞増殖因子、Wntシグナル伝達、およびその他の誘導因子によって系統的に標的とされ、 ^{[ 31 ]}空間的組織化に応じて指示的に特異的になる。^{[ 32 ]}

もう1つの大きな違いは、着床後上胚葉幹細胞は胚盤胞キメラに寄与できないことであり、^{[ 33 ]}これは他の既知の多能性幹細胞と区別する点である。このような着床後上胚葉由来の細胞株は上胚葉由来幹細胞と呼ばれ、2007年に初めて実験室で樹立された。ESCとEpiSCはどちらも上胚葉由来であるが、発生の異なる段階である。EpiSCにおけるNanog、Fut4、およびOct-4の保存された発現によって^示されるように、着床後上胚葉では多能性は体節形成まで維持さ^れ、 Oct-4の誘導発現の途中^で逆転させることができる。^{[ 34 ]}

誘導されていない多能性は、特にKareemら（2015）、Kimら（2018）、およびRosspopoffら（2017）によって、根端分裂組織培養で観察されている。この多能性は、 PLETHORA 1およびPLETHORA 2、ならびにPLETHORA 3、PLETHORA 5、およびPLETHORA 7を含む様々な調節因子によって制御されており、これらの発現はKareemによってオーキシンによって誘導されることが発見された。（これらはPLT1、PLT2、PLT3、PLT5、PLT7としても知られており、同名の遺伝子によって発現される。）2019年現在これにより、根組織の多能性に関する今後の研究が開かれると期待される。^{[ 36 ]}

多能性状態の維持は、転写因子、シグナル伝達経路、エピジェネティック制御因子の精緻なバランスのとれたネットワークに依存しており、これらが連携して、細胞の無限の自己複製能力とあらゆる細胞型への分化の可能性を維持している。OCT4、SOX2、NANOGなどのコア転写因子は、自己複製に不可欠な遺伝子を活性化し、分化シグナルを抑制することで多能性を維持する中心的な制御回路を形成している。^{[ 37 ]}