ワタボウシタマリンとヒトの栄養膜幹細胞はシグナル伝達の要件が異なり、栄養膜の侵入様式を再現する

2024-11-12 Tue
ヒトとコモンマーモセットの栄養膜幹細胞のシグナル需要の差異背景と研究動機胚の着床と胎盤形成は有胎盤哺乳類（Eutherian）の発育における重要な特徴です。栄養膜（トロホブラスト）は胚の外層細胞群で、胚と母体組織の接続を媒介する役割を果たします。栄養膜細胞は前胚植段階の栄養外胚層（トロフェクトデルム）に由来し、胚の着床時に初期細胞融合を起こして侵入性細胞を形成し、さらに子宮上皮を貫通して3つの細胞系譜を形成します：細胞性栄養膜（サイトトロホブラスト）、合胞栄養膜（シンシチオトロホブラスト）、および絨毛間栄養膜（エクストラヴィラス栄養膜）です。ヒトの初期発育において、合胞栄養膜はヒト絨毛性ゴナドトロピンを分泌して妊娠を維持し、絨毛間栄養膜は子宮深層に侵入して血管再構築と免疫調節を促進します。
しかし、倫理や技術の制約から、ヒトの初期胚のサンプル取得は困難であり、栄養膜細胞の発育の分子メカニズムは明らかではありません。非ヒト霊長類モデル、例えばコモンマーモセット（Callithrix jacchus）は、発育過程でヒトに類似した特徴を持ちますが、栄養膜の侵入方法が異なります。コモンマーモセットの胚は子宮中央腔の表面に着床し、ヒトと比較すると比較的浅層にあります。このような新世界ザル（New World monkeys）の栄養膜発育の研究は、ヒトの栄養膜発育と異常に対する理解をもたらすかもしれません。本論文はDylan Siriwardenaらの科学者によって完成され、《Cell Stem Cell》誌に掲載されています。
研究プロセス本研究では、コモンマーモセットの初期胚胎の植え込みから植え込み後の段階における栄養膜細胞の発育を主に追跡し、異なる条件下でのシグナル需要を探り、またin vitroでコモンマーモセットの栄養膜幹細胞（TSCs）を培養し、ヒトとコモンマーモセットの栄養膜細胞の侵入パターンの分化を解明しました。
実験方法コモンマーモセットの栄養膜発育の生体研究：
研究チームは時空間胚胎分析技術を用いて、カーネギー発育段階（CS）5から7のコモンマーモセット胚胎サンプルに対して栄養膜の付着、侵入および胎盤形成のさらなる分析を実施しました。
免疫蛍光標識により、CS5時に内細胞塊に隣接する極性栄養外胚層（ポーラートロフェクトデルム）が子宮内膜に付着し、子宮上皮を分解し始めることが判明しました。CS6時に栄養膜細胞は対側の子宮壁に二次的な付着点を確立し、主に細胞性栄養膜と合胞栄養膜から成る細胞層を形成しました。
コモンマーモセットの栄養膜幹細胞のin vitro培養：
研究チームはコモンマーモセットの多能性幹細胞（PSCs）を栄養膜幹細胞に分化させ、異なるシグナル需要を探求しました。
ヒトTSC培養条件がコモンマーモセット細胞でTSCの形成をサポートできず、むしろこれらの細胞を胎外中胚層（エクストラエンブリオニックメソダーム）へと分化させることが判明しました。
MEK、TGF-β/Nodal、HDAC（ヒストン脱アセチル化酵素）などのシグナルを抑制することで、コモンマーモセットの栄養膜の「植え込み後」特性を安定化させ、この条件下のヒトTSCsは絨毛間栄養膜に分化する傾向を示しました。
シグナル経路需要の比較：
研究は、WntシグナルがヒトTSCsの侵入性絨毛間栄養膜への分化を抑制する上で重要な役割を果たすことを発見しましたが、コモンマーモセットの栄養膜細胞はWntシグナルに依存しないことが分かりました。
トランスクリプトーム解析により、コモンマーモセット栄養膜が植え込み後に独特のWntシグナル特性を示し、ヒトとの違いは異なる進化的適応を示唆しています。
データ分析と技術のハイライト研究チームはシングルセルRNAシーケンシング、メチル化ゲノミクスなどのハイスループット技術を使用して分化サンプルの空間的アイデンティティーマッピングを行いました。特に均一流形近似と射影（UMAP）などの次元削減分析を通じて、コモンマーモセットの栄養膜が初期植え込み後の分化パス上での独特性を明らかにしました。コモンマーモセットTSCsはin vitroで多核構造を形成でき、合胞栄養膜への分化の潜在性を示し、低密度条件下でこの構造を容易に形成することがわかりました。また、コモンマーモセットの栄養膜幹細胞は「ヒト-コモンマーモセットキメラ胚胎」モデルでの植え込み能力を持ち、種を超えたモデルの適用性をさらに示しました。
主な発見と結論栄養膜発育の種差：
コモンマーモセットの栄養膜は初期植え込み後に浅層侵入性を示し、これはヒトの深層侵入パターンとは異なります。研究はこれは種間の進化的差異によるものとしています。
コモンマーモセット栄養膜細胞はin vitroで強力な分化潜在性を示し、主要な栄養膜細胞系譜を形成できますが、異なるシグナル需要は進化的適応性を示しています。
異なる種における栄養膜発育におけるWntシグナルの役割：
コモンマーモセットTSCsではWntシグナルは顕著な役割を示さないが、ヒトTSCsではWnt活性化が絨毛間栄養膜の自発的分化を抑制します。この需要の差はヒト特有の侵入パターンの制御の結果である可能性があります。
TSCモデルの構築と種を超えた応用：
本研究はコモンマーモセットTSCsのin vitro培養モデルを構築し、栄養膜幹細胞特性を保持し、多核合胞栄養膜への分化における顕著な潜在性を明らかにしました。このモデルは初期胚胎–子宮界面相互作用の研究や、胎盤関連疾患（例えば胎盤の異常着床や妊娠高血圧症候群）の深い理解に広く応用できる可能性があります。
科学的価値と応用意義本研究はヒトとコモンマーモセットTSCsのシグナル需要と侵入特性を系統的に比較することにより、霊長類における栄養膜発育の進化的差異を理解するための新たな視点を提供しました。これは早期胚胎着床過程の分子メカニズムを探求するための手助けとなるだけでなく、胎盤関連疾患の治療に理論的根拠を提供する可能性があります。コモンマーモセットモデルを通じて、研究者は栄養膜が子宮環境での動的行動をよりよく研究することができ、ヒト胎盤発育および関連病理に対する新しい研究視点と実験プラットフォームを提供します。