胚の休眠に基づく単一細胞解像度分析により明らかになった動的な転写反応とIntegrin-YAP/TAZ生存シグナル経路の活性化

はじめに

胚の休眠状態、すなわち胚停滞（diapause）は、発育のポテンシャルを損なうことなく胚の発育過程を停止できる一部の哺乳動物に特異的な生殖適応メカニズムです。停滞は通常、胚盤胞期で活性化され、この段階の胚は着床または休眠に入る選択能力を持っています。このメカニズムはエストロゲンやプロゲステロンなどの母体ホルモンによって調整され、これらのホルモンは子宮の受容状態を調節することで胚が母体の子宮に着床し、発育を続けるか休眠に入るかを決定します。胚停滞は広く研究されてきた現象ですが、停滞中の分子および細胞メカニズムはまだ完全には明らかになっていません。このため、Chenおよびそのチームはマウス胚の単一細胞RNAシークエンシング（Single-Cell RNA Sequencing, scRNA-seq）を通じて、停滞状態の胚を分子レベルで定義し、休眠胚における動的転写景観と休眠状態下での胚の発育ポテンシャルを維持するIntegrin-YAP/TAZシグナル経路の活性化について明らかにしました。

論文の概要と背景

この研究はMax Planck Institute for Molecular BiomedicineのRui Chen、Rui Fan、Fei Chenなどの研究者によって実施されました。この記事は2024年9月5日に《Cell Stem Cell》誌に発表されました。研究の主な焦点は、マウスモデルを使用して、単一細胞RNAシークエンシングを通じて、胚が停滞状態にあるときの分子メカニズムを探ることでした。この研究により、著者は停滞中の胚内細胞の転写動態だけでなく、休眠胚の発育能力維持におけるIntegrin-YAP/TAZシグナル経路の重要な役割も発見しました。この発見は、胚停滞の生物学的メカニズムを理解するための洞察を提供し、胚の保存や移植に関連する技術の開発においても重要な示唆を与えています。

研究方法および実験デザイン

a) 実験手順と方法

研究は、停滞への加入、停滞の維持、停滞からの脱出の3つの段階に分けられました。著者はマウス胚発育の4.5日（e4.5）、7.5日（edg7.5）、9.5日（edg9.5）、5.5日（e5.5）における胚サンプルを採集し、単一細胞RNAシークエンシングを行って、停滞状態の動的転写変化を捉えました。データの充実を確保するため、研究には停滞状態の胚だけでなく、エストロゲン誘導によって停滞から脱出した胚サンプルも含め、Wntシグナルレポーターマウスを用いて停滞期のシグナル活動を検証しました。

b) 細胞転写景観とYAP/TAZ信号の探求

停滞状態において、著者は停滞胚の胚外組織と胚内組織の両方がその細胞アイデンティティを保ち、転写活動は特定の停滞期動的応答を示すことを発見しました。特に注目されるのは、Integrin受容体の活性化がYAP/TAZシグナル経路と共に胚性幹細胞の活力を維持するということです。研究者は統合分析ネットワークを構築して複数の遺伝子発現パターンを分析し、免疫組織化学技術を通じて、停滞胚における関連タンパク質の分布を視覚的に確認しました。

胚外栄養層（trophectoderm, TE）と内細胞塊（inner cell mass, ICM）の研究において、著者は停滞状態ではTEの極性形成に明確な分化が見られず、ICMは独特の集積現象を示すことを発見しました。Integrin β1は主要なシグナル受容体としてICMの極性と細胞活力を維持し、ICMの極性形成過程ではIntegrin-YAPシグナル経路が重要な役割を果たします。Integrin β1が欠失すると、YAPタンパク質の核内蓄積が顕著に減少し、ICMの細胞死亡率が有意に増加することから、Integrin-YAPシグナルが停滞維持において重要な役割を果たしていることが示されています。

研究結果

単一細胞トランスクリプトームデータが示す転写動態

単一細胞解析により、研究では胚盤胞から停滞までの全体的な転写景観を明らかにしました。停滞期間中、胚組織の分化は抑制され、すべての細胞が特定の未分化状態を維持しますが、停滞が終了して着床段階に入ると、細胞は次第に特異的な細胞系譜へと分化し始めます。この過程は、Wntシグナル、FGF4シグナル、YAP/TAZシグナルなど、複数のシグナル経路の動的変化によって調節されます。

Integrin-YAP/TAZシグナルが胚の活力を維持

研究は、停滞期間中にIntegrin-YAP/TAZシグナルがICMの活力を維持し、細胞死を防ぐことを発見しました。Integrin β1は胚と細胞外マトリックスの相互作用における重要な受容体であり、YAPタンパク質の核内蓄積は主にIntegrinシグナル伝達に依存しています。遺伝子工学的にYAPとTAZをノックアウトした胚性幹細胞（ESC）を用いた実験により、研究者はこれら二つの転写因子が細胞アポトーシスを抑制し、停滞状態での胚の生存能力を有意に高めることを発見しました。このメカニズムは胚性幹細胞の活力を維持するだけでなく、胚を停滞状態に適応させる能力も強化します。

研究の結論と意義

本研究は、停滞状態における胚の動的転写反応を深く解析し、胚性幹細胞の活力維持におけるIntegrin-YAP/TAZシグナル経路の重要な役割を明らかにしました。この研究は、胚停滞という現象の生物学的メカニズムを理解するための新たな見識を提供し、YAP/TAZシグナル経路が細胞生存および再活性化において重要であることを示しました。停滞の研究成果は、生物医学領域において、体内外の胚の状態を維持または調節する新しい戦略を提供し、胚移植や人工生殖補助に参考となる可能性があります。

研究の主要ポイント

1. 単一細胞レベルで胚停滞の転写動的プロファイルを初めて明らかにした：著者は単一細胞RNAシークエンシング技術を用いて、停滞胚全体の発育過程での転写活動の変化を捉え、停滞状態の分子的特徴を詳細に示しました。

2. Integrin-YAP/TAZシグナル経路の生存機能を初めて明らかにした：研究は、停滞期間中にIntegrin受容体がYAP/TAZシグナルを活性化し、ICM細胞の活力を維持することを示し、胚停滞の制御メカニズムを理解する重要な示唆を提供しています。

3. 停滞状態を利用して胚性幹細胞の培養条件を最適化する可能性を開拓：本研究は、Integrin-YAP/TAZシグナル経路を調節することにより、in vitroで胚性幹細胞の未分化状態をより良く維持できることを示し、胚性幹細胞の培養効率の向上に新たな機会をもたらす可能性があります。

4. 停滞が癌細胞の休眠との類似性を示した：YAP/TAZシグナル経路が胚停滞における役割は、腫瘍休眠における役割ともいくつかの類似性が存在し、将来の腫瘍休眠の生物学的メカニズムの探求に新たな視点を提供します。

5. 明確な実験手順設計と詳細な遺伝子共発現ネットワーク分析：研究には、生物情報学の深い分析が含まれ、実験を通じて停滞胚における重要タンパク質の発現分布と機能を検証し、今後の停滞研究に基盤を提供しました。

研究の限界

本研究は停滞胚の転写動態を明らかにしたものの、関連遺伝子発現を精密に調整する方法はさらに調査が必要です。また、実際の生理条件下で十分な数の胚特に遺伝子改変された変異胚を収集することは大きな課題です。将来の研究では、停滞期間中のOct4の発現制御メカニズムやその他のシグナル経路の停滞状態への総合的な影響について回答が求められます。

この研究は胚停滞の分子メカニズムに貴重な洞察を提供しました。今後の研究は、未発見の胚停滞制御メカニズムをさらに明らかにし、それが再生医学やバイオテクノロジー分野での潜在的な応用にどのように貢献できるか探究することが可能できます。