科学研究報告

背景紹介

長い間、老化は不可逆的な過程と考えられていましたが、近年の研究は老化が実際には調節可能な生物生理学的過程であることを示しています。さまざまな介入策が老化の特徴を遅らせる、あるいは逆転させることができることが証明されています。部分的なリプログラミング（partial reprogramming）は、脈動的にリプログラミング転写因子（例えばOct4、Sox2、Klf4、c-Myc、つまり「OSKM」）を発現させることで体細胞を胚性幹細胞に似た状態に戻す方法です。この方法は体外で多くの老化の特徴を消去できることが証明されています。しかし、体内での使用時には、完全なリプログラミングは細胞のアイデンティティの喪失やがん発生のリスクを増加させるため、より有望な方法はリプログラミング因子の発現をコントロールすることによる「部分的リプログラミング」です。部分リプログラミングは、複数の研究で老齢のマウスの組織機能を改善する効果が示されていますが、老齢の脳に対する影響については依然としてよく知られていません。

論文出典

この研究は、Stanford UniversityのGenetics部門、Biology部門、Biomedical Data Science部門、Wu Tsai Neurosciences Institute、Glenn Center for the Biology of Agingの科学者たちにより共同完成しました。主要な著者にはLucy Xu、Julliana Ramirez-Matias、Max Hauptschein、Eric D. Sun、Judith C. Lunger、Matthew T. Buckley、Anne Brunetが含まれます。論文は2024年4月のNature Aging雑誌（volume 4、546-567）に掲載され、DOI:10.1038/s43587-024-00594-3のURLでオンラインで公開されています。

研究プロセス

研究対象と方法

研究では、単一細胞トランスクリプトーム解析を使用して、部分リプログラミングが老齢マウスの脳内の神経発生領域（副脳室ゾーン、SVZと略称）にどのように影響するかについて体系的に研究しました。研究では、遺伝子工学によるマウスモデル、すなわちioskmマウスを使用しました。このモデルでは、4つのリプログラミング因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）の導入により、これらの因子を全身にわたって発現させることができます。

研究では、老齢ioskmマウスを2つのグループに分けて部分的なリプログラミング処理を行いました。処理プロトコールは、2日間テトラサイクリン水を与え、その後5日間の薬物投与を停止し、このサイクルを合計3回繰り返しました。その後、研究者たちは単一細胞RNAシーケンシング技術を使用して、処理されたマウスのSVZ領域内の細胞のトランスクリプトーム分析を行いました。

データの収集と処理

解析過程では、研究者は部分リプログラミング処理後の老齢マウス（18-20ヶ月1組、24-26ヶ月1組）、未処理の老齢マウス、未処理の若いマウスのSVZ組織サンプルを収集し、単一細胞RNAシーケンシングを行いました。次元削減やクラスタリング分析法（例えばUMAPやLouvainクラスタリング）を通じて、神経幹細胞（NSC）、活性化NSC、神経前駆細胞（NPC）、および神経栄養細胞などの主要細胞タイプを特定しました。

実験手順と分析

研究では、複数の実験方法を使用し、免疫染色や機械学習モデルを含む方法で、部分リプログラミングがSVZ領域の細胞構成比に与える影響を検証しました。研究結果は、老齢マウスにおいて神経栄養細胞およびその前駆細胞の比率が年齢とともに顕著に減少しており、部分リプロダクション処理がこれらの細胞比率を復元することができることを明らかにしました。

研究成果

1. 部分リプログラミングは、老齢マウスのSVZ領域の神経栄養細胞の比率を著しく向上させ、若いマウスのレベルまで回復させました。
2. この効果は、全身性に部分リプロダクション処理された老齢マウスと、SVZ領域に特異的なリプログラミングを行ったマウスの両方で示されました。
3. 異なる細胞タイプの比率に基づいて、研究では機械学習モデルを訓練し、結果は部分リプログラミングが予測年齢を約2.7ヶ月減らすことができることを示しました。
4. さらなるトランスクリプトーム分析は、部分リプログラミングがRNA処理や細胞接着経路など、複数の細胞タイプにおいて老化関連の複数の分子的特徴を逆転させることができることを示しました。

研究の結論

この研究は、部分リプログラミングが体内で老齢マウスのSVZ領域に直接的で内在的な利益をもたらし、神経栄養細胞の比率を高め、神経生成能力を改善することを示しています。これは、老化した個体における神経発生領域の機能を回復し、脳の老化に対抗するための新たな戦略を提供する可能性があります。

さらなる研究はまた、部分リプログラミングが新たな細胞タイプ（例えば胚性幹細胞）を生成せず、既存の細胞の機能を高めることによってその効果を実現していることを証明し、これはその方法の体内での安全性を一定程度保証するものです。さらに、老齢NSCを利用した体外での部分リプログラミング実験でも顕著な細胞自律効果が示されました。

研究のハイライト

1. 新規性：単一細胞トランスクリプトーム解析を利用して、部分リプログラミングが老齢マウスのSVZ領域に及ぼす影響を系統的に明らかにしました。
2. 実用性：部分リプログラミングは神経栄養細胞の比率を高めるだけでなく、神経生成能力も改善し、潜在的な応用価値があります。
3. 方法論的革新：老齢の大脳SVZ領域の細胞比率と機能の復元効果を初めて証明し、老化とリプログラミング効果を評価するための機械学習予測モデルを提案しました。

研究の意義と展望

この研究の発見は、部分リプログラミングが神経科学分野での応用の基盤を築いており、老化に関連した脳機能の退化に対する新たな介入手段を提供する可能性があります。将来の研究では、リプログラミング効果の持続性、他の脳領域や細胞タイプへの影響、およびこの介入が老齢個体の行動機能を改善できるかどうかをさらに調査することができます。これらは、リプログラミング戦略の最適化やより効果的な抗老化療法の開発に向けた重要な参考情報を提供することになるでしょう。