北大と慶大、がんになりにくい長寿ハダカデバネズミから初めてiPS細胞作製に成功

がんになりにくい長寿ハダカデバネズミから初めてiPS細胞作製に成功
〜二重の防御で腫瘍を作らないことを発見〜


■研究成果のポイント
　・長寿命で，がんになりにくい体質のハダカデバネズミからiPS細胞を作製することに初めて成功した。
　・マウスやヒトのiPS細胞は，未分化な細胞が混入すると腫瘍（奇形腫）を形成する問題があるが，ハダカデバネズミのiPS細胞は未分化な状態で移植しても腫瘍を形成しなかった。
　・ハダカデバネズミだけが持つ，初期化やがん化を二重に防ぐメカニズムを明らかにした。将来は，人間の健康長寿やがんの予防に役立つと期待される。


■研究成果の概要
　北海道大学遺伝子病制御研究所の三浦恭子講師，慶應義塾大学医学部生理学教室の岡野栄之教授らの研究グループは，約３０年の長寿命で，がんになりにくい体質の「ハダカデバネズミ」からiPS細胞を作製することに世界で初めて成功しました。
　マウスやヒトなど他の動物のiPS細胞は，生体に移植する際に未分化な細胞が混入すると腫瘍（奇形腫）を形成する問題がありますが，ハダカデバネズミiPS細胞は未分化な状態で移植されても腫瘍を形成しませんでした。本研究グループは，ハダカデバネズミiPS細胞が，がん抑制遺伝子ARFの活性化と，がん遺伝子ERASの機能欠失によって腫瘍を形成しないことを明らかにしました。さらに，iPS細胞の作製過程に着目した解析から，ARFが不活性化された場合には，ハダカデバネズミ特有のがん化抑制メカニズムASIS（ARF　suppression−induced　senescence）により，細胞の増殖を止めて，iPS細胞化を防ぐことを見いだしました。また，マウスiPS細胞で，ARFを活性化させると，腫瘍形成が強く抑制されることが分かりました。この発見は今後，人間の健康長寿やがんの予防に役立つと期待されます。
　本研究成果は，２０１６年５月１０日（英国時間）に英国科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」オンライン版で公開されました。
　なお，本研究は，科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（※１），内閣府／日本学術振興会最先端研究開発支援プログラム（FIRST）（※２），文部科学省科学研究費補助金，文部科学省新学術領域研究の一環で実施されました。


■論文発表の概要
　研究論文名：Tumour　resistance　in　induced　pluripotent　stem　cells　derived　from　naked　mole−rats（ハダカデバネズミiPS細胞の腫瘍化耐性）
　著者：
　　宮脇慎吾（１，２），河村佳見（１），大岩祐基（１），清水厚志（３），八谷剛士（３），坊農秀雅（４），古家育子（２），岡田洋平（５），木村徳宏（６），土屋喜洋（７），鈴木禎史（２），大西伸幸（２），葛巻直子（７），松崎有未（８），成田年（７），池田栄二（６），岡ノ谷一夫（９），清野研一郎（１），佐谷秀行（２），岡野栄之（２），三浦恭子（１）
　　（１．北海道大学　２．慶應義塾大学　３．岩手医科大学　４．ライフサイエンス統合データベースセンター　５．愛知医科大学　６．山口大学　７．星薬科大学　８．島根大学　９．東京大学）
　公表雑誌：Nature　Communications
　公表日：日本時間（現地時間）２０１６年５月１０日（火）午後６時（英国時間　２０１６年５月１０日（火）午前１０時）


■研究成果の概要
（背景）
　ハダカデバネズミ　注１）（図１）は，マウスと同等の約１０センチメートルの大きさでありながら，生存期間がマウスの約１０倍の約３０年という長寿命のげっ歯類です。さらに，その長い生涯で極めて腫瘍ができにくいという，がん化耐性の特長を持っています。ハダカデバネズミの長寿やがん化耐性のメカニズムを解明することは，人間の健康長寿やがんの予防に役立つと期待されます。
　体細胞を初期化することで作製されるiPS細胞　注２）は，未分化な状態で細胞移植治療に用いられることはなく，神経や心筋などに分化させた細胞が移植されます。iPS細胞の腫瘍化リスクには大きく２つの問題が存在します。分化させた細胞が移植された後にがん化する問題と，未分化な状態で生体に移植されると腫瘍（奇形腫　注３））を形成する問題です。本研究では，後者の未分化な細胞が形成する腫瘍を対象としました。
　正常な体細胞は，がん遺伝子の活性化やがん抑制遺伝子の不活性化の異常が起こると，腫瘍を形成するようになります。iPS細胞とがん細胞は，半永久的に増殖をする能力があるなど，様々な共通点があります。近年，体細胞からiPS細胞への初期化過程とがん化過程にも，共通したメカニズムが存在することが明らかになってきています。そこで，本研究では，ハダカデバネズミのようながん化耐性動物からiPS細胞を作製できるのか，また，作製できた場合にiPS細胞は腫瘍形成能（奇形腫形成能）　注４）を持つのかを検証しました。

（研究成果）
　ハダカデバネズミの皮膚から線維芽細胞　注５）を作製し，マウスやヒトなど他の動物と同等の方法で，初期化に必要なOct４，Sox２，Klf４，cMycの４因子を遺伝子導入したところ，ハダカデバネズミiPS細胞の作製に成功しました（図２）。ハダカデバネズミiPS細胞は培養下での多分化能を持つにも関わらず，未分化な状態で生体に移植しても，他の動物のiPS細胞のように腫瘍を形成せず，腫瘍化耐性を持つことが判明しました（図３）。そこで，ハダカデバネズミiPS細胞の腫瘍化耐性メカニズムを解析しました。
　腫瘍形成能を持つマウスやヒトのiPS細胞では，２つのがん抑制遺伝子INK４aとARF　注６）の発現が強く抑制されています。しかし，ハダカデバネズミiPS細胞では，INK４aの発現は抑制されている一方で，ARFの発現は活性化状態が保たれていました。
　次に，マウスES細胞の腫瘍形成能における重要因子，がん遺伝子ERAS　注７）の配列を解析しました。その結果として，ハダカデバネズミのERASには他の動物では認められない４塩基の挿入が存在し，ERASタンパクの機能不全をもたらすフレームシフト変異　注８）が生じていました。
　ハダカデバネズミiPS細胞で，活性化しているARFを人工的に抑制し，機能不全のハダカデバネズミERASの代わりにマウスのERasを導入したところ，ハダカデバネズミiPS細胞は腫瘍形成能を獲得し，生体へ移植すると奇形腫を形成しました。さらに，マウスiPS細胞でハダカデバネズミと同様にArfを活性化させると，生体に移植した際の腫瘍形成能が強く抑制されることが明らかになりました（図４）。以上の結果から，ハダカデバネズミiPS細胞は，ARFの活性化とERASの機能欠失により腫瘍化耐性を持っていると考えられます（図５）。
　初期化やがん化を誘導することは，正常な細胞にとってストレスとして働きます。ARFはこれらのストレスに応答して活性化し，細胞を初期化やがん化から守ります。このARFによる防御機構を突破した細胞が，iPS細胞やがん細胞になると考えられています。実際に，iPS細胞や多くのがん細胞ではARFが抑制または欠失しています。また，これまでの実験で，マウスiPS細胞の作製中にARFを抑制すると，マウス細胞の増殖速度は上昇し，より多くの細胞がiPS細胞になることが知られています。
　本研究グループは，ハダカデバネズミでも同様に実験し，ストレスに対する応答性を検証しました。
　ハダカデバネズミ細胞に初期化因子を導入して初期化ストレスを与えたところ，マウスやヒトと同様にARFが活性化しました。次に，初期化ストレス下で活性化したARFを人工的に抑制したところ，マウスとは対照的に，ハダカデバネズミ細胞の増殖が止まり，iPS細胞が出現しなくなりました。解析の結果，ARFが抑制されたハダカデバネズミ細胞は，がん抑制機構の一つである「細胞老化　注９）」の状態になることが分かりました（図６）。本研究グループはこの現象を「ASIS：ARF　suppression−induced　senescence（ARF抑制時細胞老化）」と命名しました。ハダカデバネズミでは，初期化ストレス下でARFが抑制されると，細胞老化によって細胞が増殖を停止するため，対照的に増殖する細胞であるARFの活性化した腫瘍化耐性iPS細胞が選択されたと考えられます。
　次に，ASISが初期化過程のみならず，がん化過程でも生じるのかを検証しました。ハダカデバネズミ細胞にがん化ストレスとして，がん遺伝子cMYCの過剰発現や，細胞培養による増殖ストレスを加え，同時にARFを人工的に抑制した結果，がん化ストレス下でも，ASISが生じることが分かりました。
　マウスやヒトなどの哺乳類の細胞では，初期化やがん化のストレスを受けると，防御機構としてARFが活性化されます。一方で，ハダカデバネズミでは，ARFの活性化だけでなく，ARFが抑制されてしまう状況でもASISが機能し，二重の防御機構で初期化やがん化を抑制すると考えられます。

（本研究による波及効果）
　iPS細胞は，様々な細胞へと分化する多能性を持つことから，細胞移植治療への応用が期待されていますが，腫瘍形成能が細胞移植治療の障害の一つになっています。ハダカデバネズミiPS細胞に特有の腫瘍化耐性メカニズムを応用することにより，より安全なヒトiPS細胞の作製につながる可能性があります。

（今後への期待）
　ハダカデバネズミに特有のがん化耐性メカニズムの一つとして，ASISを発見することができました。今後ASISの詳細なメカニズムを研究することによって，ハダカデバネズミの体の「がん化耐性」の仕組みが解明され，将来は人間にも応用できる新たながん化抑制方法の開発につながると期待されます。


　＊用語解説・参考図（図１〜６）は添付の関連資料を参照