幹細胞の分化メカニズムが明らかにされた

マウスの胚性幹細胞（ESCS）は、自分自身を無限に再生できる特別な細胞だよ。体の中のどんな細胞にもなれる能力もあって、特に生殖系を形成する細胞にもなるんだ。科学者たちは、これらの細胞の特性を保つために特定の物質を使って育てることが多いんだ。主に使われるのはLIFと、細胞のシグナル伝達に影響を与える特定の経路をターゲットにする2つの阻害剤、通称2iだよ。

#シグナル経路の役割

このプロセスでは、MEKの阻害がFGFシグナル伝達と呼ばれる特定のシグナル経路をブロックし、GSK3の阻害がWntシグナル伝達という別の経路をサポートするんだ。GSK3は通常、Wntシグナル伝達を調節して、ベータカテニンという分子を分解するようにマークするんだ。科学者たちがこれらの条件下でESCsを育てると、ナイーブESCsって呼ばれるんだ。これらの細胞は初期段階の胚に見られる細胞に似てるよ。

必要な物質が取り除かれると、ナイーブESCsは変化し始めて、発達後期に見られる細胞に近づいていくんだ。この移行状態は形成型多能性状態って呼ばれる。形成型のような状態を保つには、Wntシグナル伝達を阻害して、別のシグナル因子を低レベルで提供することができるんだ。

細胞が形成型の状態から進むと、体の主要な3つの組織型、すなわち内胚葉、中胚葉、外胚葉に分化し始める。このプロセスは発達中の胚で起こることと似てるよ。科学者たちは、自然にラボの皿でこの分化を観察したり、特定の因子を使って導いたりできるんだ。

#遺伝子調節の重要性

細胞が自分の運命について決定する際の重要な側面は、mRNAのレベルとタンパク質の翻訳を調整することだよ。一つの重要な分子群はマイクロRNAと呼ばれてる。これらの短いRNA配列は、細胞内の特定のタンパク質のレベルを制御するのを手助けするんだ。

ESCCファミリーとして知られる特定のマイクロRNAのグループは、ESCsの特性を維持するために特に重要なんだ。これらは幹細胞を多能性状態に保つ手助けをして、あらゆるタイプの細胞に変わることができるんだ。これらのマイクロRNAのターゲットは、細胞構造や動きに関与するProfilin-2（PFN2）というタンパク質だよ。

ESCCマイクロRNAの結合部位がPFN2のmRNAから削除されると、PFN2のレベルが大幅に増加するんだ。このPFN2の増加は、細胞がナイーブから形成型の多能性に移行するために必要なシグナルを妨げるんだ。

#マイクロRNAと他のタンパク質の相互作用

マイクロRNAの影響に加えて、PFN2のmRNAには鉄応答要素（IRE）という別の調節要素があるんだ。このIREは、鉄応答タンパク質（IRP）と呼ばれるタンパク質によって認識されるんだ。マイクロRNAとは違って、IRPがIREに結合すると、mRNAを安定化させて分解されにくくするんだ。

これら2つの調節部位が近くにあることで、細胞分化の間にPFN2レベルを制御するためにどう機能するのかが疑問になるよ。IREが取り除かれると、ナイーブESCsではPFN2レベルは最初は変わらないみたい。でも、分化が進むと、IREがないことでPFN2のレベルが大幅に低下するんだ。

このPFN2の減少は、特に特定の組織を発達させるのに必要なプロセスに影響を及ぼして、細胞が3つの胚層に分化する能力を低下させるんだ。

#IREが細胞分化に及ぼす影響

PFN2のmRNAからIREを取り除くことで、研究者たちは3つの胚層への分化が妨げられるのを観察したんだ。これらの層の特定のマーカーが減少して発現し、同時に多能性に関連する遺伝子は高いままだった。これは、IREが自己再生の状態から分化の状態への移行に重要な役割を果たしていることを示してるよ。

さらに、遺伝子分析で、IREが欠けている細胞ではすべての胚層のマーカーがダウンレギュレーションされていることが確認された。免疫ブロット分析でも、中胚葉と内胚葉に関連するタンパク質のレベルが減少していることが示された。このパターンは、ESCC部位が取り除かれた細胞で見られた異なる分化の問題とは対照的だよ。

#分化におけるベータカテニンの役割

ベータカテニンは、細胞の運命に影響を与えるシグナル経路にとって重要なタンパク質だよ。ESCsの文脈では、中胚葉と内胚葉の分化を促進するんだ。ベータカテニンのレベルは、通常Wntシグナル伝達がアクティブでない時にベータカテニンを分解するGSK3βという別のタンパク質によって調節されるんだ。

実験中、IREが欠けている細胞では分化の際に異常な形態が観察され、活性ベータカテニンの量も低下していることがわかった。この変化は、IREがないと効果的な分化に必要なシグナルが乱れることを示してるよ。

#細胞間相互作用の調査

これらの相互作用をさらに探るために、科学者たちは野生型ESCsとIREが欠けている細胞を混ぜてキメラ胚体（EB）を作成したんだ。混合されたEBは形態の改善を見せたけど、IRE欠損細胞の特性もまだ残っていたよ。これは、欠陥が細胞オートノミーであることを示唆しているね。

シグナル経路をさらに調べると、IREがない場合、活性ベータカテニンのレベルだけでなく、中胚葉分化のマーカーであるT Brachyuryのレベルも低下していることに気づいたんだ。この発見は、PFN2とその調節要素が分化中の細胞機能の維持において重要な役割を果たしていることを強調してるよ。

#Wntシグナル経路への影響

PFN2がベータカテニンのレベルにどのように影響を及ぼすかを理解するために、研究者たちはベータカテニンが細胞核に移動するプロセスを探求したんだ。このプロセスは、ベータカテニンが遺伝子発現に影響を与えるために重要なんだ。IREがないことでPFN2のレベルが低下すると、ベータカテニンが核に移動することや留まることに影響を及ぼしているように見えるんだ。

科学者たちが異なる細胞の区画を分析した時、IREが欠けている細胞では活性ベータカテニンの核内レベルが有意に減少し、細胞質内のレベルは安定していることがわかった。このことは、PFN2がベータカテニンを核に運ぶことや、そこに留めるのを手助けしている可能性があることを示唆してるよ。そのことが、分化に関与する遺伝子を活性化するために必要なんだ。

#結論

この研究は、マイクロRNAやRNA結合タンパク質による複雑な遺伝子調節が幹細胞の運命を導く方法を強調しているんだ。PFN2のmRNA内の要素間の相互作用は、多能性状態から分化した状態への移行において重要なんだ。

これらの発見は、特定の調節部位がWntシグナル伝達のような重要な経路にどのように影響を与え、最終的に幹細胞が特定の組織型に分化するかに関する洞察を提供しているよ。これらのメカニズムを理解することは、再生医療や幹細胞治療における新しい戦略を開発するために重要かもしれないね。