初期哺乳類発生における細胞運命決定の分子メカニズムの概観

細胞生物学 生化学 遺伝学 生命科学
初期細胞運命決定 細胞の不均一性 細胞の極性 単一細胞オミクス 哺乳類胚の胚着前

細胞運命決定メカニズムのオミクス的観点

背景紹介

哺乳類の初期胚発生過程において、全能性を持つ受精卵(zygote)は数回の細胞分裂と2回の細胞運命決定(cell fate determination)を経て、最終的に成熟した胚盤胞(blastocyst)を形成します。この過程で、胚の圧縮に伴い、頂底細胞極性(apicobasal cell polarity)の確立が胚の対称性を破壊し、その後の細胞運命選択を導きます。内部細胞塊(inner cell mass, ICM)と栄養外胚葉(trophectoderm, TE)の系譜分離は細胞分化の最初の指標ですが、一部の分子はより早い段階(2細胞期や4細胞期など)で細胞間変異(inter-cellular variations)を通じて初期細胞運命に偏向することが証明されています。

初期細胞運命決定のメカニズムを解明することは重要な研究課題となっています。本レビューでは、初期胚発生過程で起こる分子イベントとその細胞運命決定における調節作用をまとめています。さらに、初期胚発生研究の強力なツールとして、単一細胞オミクス技術がマウスとヒトの着床前胚に適用され、細胞運命調節因子の発見に貢献しています。

論文出典

本論文はLin-Fang Ju、Heng-Ji Xu、Yun-Gui Yang、Ying Yangによって執筆され、中国科学院大学、北京ゲノム研究所、中国科学院精密医療・ゲノムイノベーション研究センターに所属しています。この論文は2023年の「Genomics Proteomics Bioinformatics」誌に掲載されました。

研究プロセス

初期研究

研究ではまず、哺乳類の初期胚発生過程における分子イベントに注目しました。着床前、受精卵は2細胞期、4細胞期、8細胞期、桑実胚(morula、16〜32細胞の胚)段階を経て、最終的に中空の球形胚盤胞を形成します。この過程で、受精卵ゲノム活性化(zygote genome activation, ZGA)、胚圧縮、2回の細胞運命決定など一連のイベントが発生します。

分子メカニズム

初期細胞運命決定の背後にある分子メカニズムをより理解するため、研究ではいくつかの重要な転写因子とシグナル経路の役割を探りました。

  1. 第一細胞運命決定：

    • 第一細胞運命決定は細胞をTEとICM系譜に分離します。代表的な転写因子としてSOX2、OCT4、NANOGがICMで活性化され、CDX2がTEで発現します。SOX2とOCT4は桑実胚と胚盤胞段階で高発現し、2細胞期と4細胞期でも検出可能です。
    • HippoとNotchシグナル経路も第一細胞運命決定で重要な役割を果たします。Hippo経路はTEAD4とYAPの状態変化を通じてICM細胞で活性化され、TE細胞では不活性です。非リン酸化YAPは細胞質から核へ移行し、TEAD4と相互作用してTE系譜特異的遺伝子CDX2とGATA3の発現を促進します。
    • Notchシグナル経路はYAPとTEAD4と協調して第一細胞運命決定を制御します。TE細胞では、HippoとNotch経路のNICD–RBPJ複合体が核に入り、CDX2などのTE特異的遺伝子の発現を上昇させます。

  2. 第二細胞運命決定：

    • 第二細胞運命決定ではさらにICM細胞をEPIとPE細胞に分化させます。NANOGとGATA6といった特定のマーカー転写因子がそれぞれEPIとPE系譜を識別します。NANOGとOCT4は協調してFGF4の発現を上昇させ、GATA6の発現を抑制します。FGF4はFGFRと特異的に結合し、FGF/MAPKシグナルカスケードを活性化し、GATA6の発現を高めNANOGを抑制することでPE系譜の形成を促進します。

細胞極性の確立

圧縮過程が始まると、胚の割球は細胞形態の対称性を破り、極性細胞と非極性細胞に分裂します。極性細胞は外部領域に、非極性細胞は中心領域に位置します。極性細胞の頂端皮質には頂端極性タンパク質を含むFアクチン環が形成され、この細胞極性がHippoシグナル経路と相互作用して細胞運命の配分を調節します。

細胞異質性

初期細胞運命決定過程において、細胞はRNA転写、ヒストン修飾、転写因子の動態などの面で顕著な異質性を示します。これらの細胞差異は特定の転写因子の機能に影響を与えることで、その後の細胞運命決定に影響を及ぼします。例えば、CARM1とそのメチル化ヒストンH3は4細胞期胚の細胞間で顕著な差異を示し、この差異が細胞運命の決定を推進します。

研究結果

  1. 第一細胞運命決定
  • 第一細胞運命決定では、ICMとTE細胞系譜がSOX2、OCT4、NANOGなどの転写因子の活性化により実現され、HippoとNotchシグナル経路の活性が異なる系譜で顕著に異なります。
  1. 第二細胞運命決定
  • 第二細胞運命決定ではさらにICM細胞をEPIとPE細胞に分化させ、FGFシグナル経路がここで重要な役割を果たします。
  1. 細胞極性
  • 細胞極性の確立において、細胞形態の対称性が破られ、極性細胞が徐々に形成されます。頂端極性タンパク質とそのFアクチン環が外部領域に蓄積し、細胞運命の調節に関与します。
  1. 細胞異質性
  • 初期胚の細胞は顕著な異質性を示し、これらの異質性がSOX2、NANOG、CDX2などの転写因子の動的挙動に影響を与え、さらに細胞運命の決定に影響を及ぼします。

結論と意義

研究結論

本論文は、初期哺乳類胚発生過程における分子イベントとその細胞運命決定における役割をまとめ、単一細胞オミクス技術がこの種の研究に強力な応用可能性を持つことを指摘しています。研究により、転写因子、シグナル経路、細胞極性、細胞異質性が複雑なネットワークを形成し、多層的な調節を通じて正確に細胞運命を決定することが明らかになりました。

科学的価値

これらの研究は哺乳類胚の初期発生メカニズムの理解に重要な意義を持ち、基礎生物学研究に深い理論的支援を提供するだけでなく、医学分野、特に生殖医学と幹細胞研究分野で幅広い応用の見通しがあります。

将来の展望

研究は多くの進展を遂げましたが、まだ多くの未解明の謎が残されています。例えば、RNA翻訳など他の重要な調節層が存在し、2-4細胞期またはそれより早い段階で非対称に分布し、初期細胞運命分離に関与しているのでしょうか？ヒストンアセチル化など他のタイプのヒストン修飾が、細胞運命の異なる調節軸を決定しているのでしょうか？細胞間異質性の起源は何でしょうか？これらの問題への答えは、初期細胞運命調節の詳細なメカニズムについてより明確な全体像を提供するでしょう。

単一細胞オミクス/マルチオミクス技術の発展により、ゲノムとエピゲノムのプロファイリングが可能になり、初期胚発生過程の包括的な理解に役立ちます。技術の継続的な革新と応用により、これらの問題は将来の研究でさらに解明されるでしょう。