ヒトの神経細胞の発生を調節するタンパク質の機能を発見

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）バイオメディカル研究部門【研究部門長 近江谷 克裕】脳機能調節因子研究グループ 平野 和己 研究員と波平 昌一 研究グループ長は、遺伝子の情報の読み取りを制御する酵素の一つであるLSD1が、ヒトの胎児脳の発達を調節する新たな機能を持つことを発見した。

　今回、ヒト胎児の脳内で神経細胞へと分化する神経幹細胞を培養し、その細胞を用いて神経細胞への分化を促すタンパク質や酵素の探索を行って、LSD1が分化を促す新たな作用をもつことを発見した。このLSD1の働きは、マウスの神経幹細胞では観察されなかったことから、ヒトの脳の発達に特徴的な現象である可能性が示された。神経幹細胞でのLSD1の機能をさらに調べることで、複雑に進化してきたヒトの脳の発達についての理解が深まるとともに、脳梗塞やパーキンソン病などの神経疾患治療のための、高効率な神経細胞供給の実現が期待される。

　なお、本成果は、2016年3月28日に科学誌STEM CELLSにオンライン掲載される。

LSD1がヒト神経幹細胞の神経細胞産生を促す新たな機能の概略図

　超高齢化社会を迎えた現在、失われた脳機能を再生させる試みに注目が集まっている。特に、生体外で新たに作られた神経細胞を移植して神経機能を補填しようとする研究は世界規模で行われている。そのため、生体外で培養可能な神経幹細胞を、より効率的に神経細胞へ分化させる技術の開発が期待されている。

　こうした研究の多くでは、実験モデルとしてマウスなどのげっ歯類の神経幹細胞が用いられてきた。しかし、ヒトの脳はげっ歯類の脳に比べ、神経細胞の数も多くかたちも複雑なため、それぞれ異なった仕組みで神経幹細胞が神経細胞へと分化すると考えられるが、これまで十分な解明がなされていなかった。そのため、ヒトの神経細胞の産生機構の解明が待たれている。

　産総研は、細胞の機能の理解や解明に基づく創薬のための基盤技術の開発を推進してきた。この中でバイオメディカル研究部門では、神経疾患のための創薬技術に資する新しい実験モデルとして、ヒト胎児由来の神経幹細胞を利用し、神経細胞産生機構の解明に取り組んできた。

　今回、神経幹細胞の中で「エピジェネティクス制御機構」というDNA（遺伝子）からの情報の読み取りを調節する機構に着目し、この機構に係わるタンパク質の中から、ヒトの神経細胞への分化に密接に関わるものの探索を行った。

　なお、本研究の一部は、独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成事業「基盤研究（C）」（課題番号：26430083）と「若手研究（B）」（課題番号：15K21661）による支援を受けて行った。

　DNAは細胞の核内で、ヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き付いて存在している。細胞外の環境変化に応じて、ヒストンタンパク質が特殊な酵素により化学的な修飾を受けると、DNAとの結合力が変化し、DNAからの情報の読み取りが調整され、細胞の分化や増殖が制御される。今回このエピジェネティクス制御機構に着目して、ヒトの神経幹細胞における、神経細胞への分化に関わるヒストンタンパク質修飾酵素の探索を行った。その結果、LSD1の働きを妨げる薬剤（LSD1阻害剤）をヒト神経幹細胞に添加すると、神経細胞への分化が抑制されることを発見した(図1)。これは、LSD1の働きがヒトの神経細胞の産生に重要な役割を果たすことを示している。

図1 ヒト神経幹細胞が神経細胞に分化する際のLSD1の影響の解析結果

神経細胞への誘導時にLSD1阻害剤を添加すると、ヒトの神経細胞の産生が抑制される。グラフにおける「＊」は統計的に有意であることを示す。

　さらに、LSD1の働きを阻害すると、HEYLと呼ばれるタンパク質の発現が増加した。また、HEYLが胎児の脳内では神経幹細胞だけで発現していることや、その発現量が増加すると、神経細胞の産生が抑制されることがわかった(図2)。すなわち、HEYLがヒト神経幹細胞での神経産生を抑制していることを今回初めて明らかにした。これらのことから、LSD1は、HEYLの発現を抑制することで、神経幹細胞から神経細胞への分化を促しているとわかった。

図2 LSD1によるHEYLの発現制御に関する解析結果

LSD1はHEYLの発現を抑制することで神経細胞の産生を促進している。グラフにおける「＊」は統計的に有意であることを示す。

　比較のため、マウスの神経幹細胞を用いて同様の実験を行った。その結果、マウス由来神経幹細胞では、ヒト神経幹細胞で見られたような、LSD1阻害剤による神経細胞への分化抑制作用がなかった。また、HEYL発現量も増加しなかった。これらの結果から、今回明らかにしたヒトの神経細胞の産生メカニズムは、ヒトに特徴的である可能性が示された。このことは、今回ヒト神経幹細胞で発見された仕組みが、長い進化の過程で得られた新しいものである可能性を示唆している（図3）。

図3 LSD1を用いたヒトとマウスの神経細胞の産生量とHEYLの発現量の比較

マウス神経幹細胞に対しては、LSD1阻害剤を添加してもHEYLの発現の増加と、神経産生の抑制作用は認められない。グラフにおける「＊」は統計的に有意であることを示す。

　現在、ヒトのiPS細胞から神経幹細胞を樹立し、そこから効率的な神経細胞の産生を促す技術を確立することで、損傷や疾患などにより失われた神経機能の回復に繋げていく試みが行われている。今後は、今回明らかになったLSD1の新しい機能をより詳細に解析して、LSD1を利用することで、効率的な神経細胞産生技術の開発を目指す。

　また、ヒトの脳は他の哺乳類と比べ格段に大きく複雑である。今後、ヒト神経幹細胞の神経細胞への分化についての詳細な解析を行い、今回発見したLSD1の働きのような、ヒトに特徴的な新たな機構をさらに見つけ出していくことを目指す。

◆LSD1

Lysine Specific Demethylase-1（リジン特異的脱メチル化酵素）の略語。LSD1は、DNAを取り巻くヒストンタンパク質の特定の部位（リジン残基）に施されたメチル化という化学的な印（修飾）を外す、脱メチル化という役割を担う。ヒストンタンパク質がこのようなメチル化を受けることで、DNAとヒストンタンパク質の結合力が変化し、DNAからの情報の読み取りが調節される。LSD1は、脱メチル化酵素として初めて同定されて以降、胚性幹細胞（ES細胞）の維持、代謝機構の調節、精神疾患などへ関与することが示されている。[参照元へ戻る]

◆神経幹細胞

神経幹細胞とは、分裂を繰り返すことで自己増殖を行うとともに、神経活動の中心となる神経細胞や、その機能を支えるグリア細胞（アストロサイト、オリゴデンドロサイト）へと分化する多分化能を有する細胞である。[参照元へ戻る]

神経幹細胞が脳を構成する神経細胞とグリア細胞へ分化する系譜図

◆エピジェネティクス制御機構

エピジェネティクス制御機構とは、DNAのメチル化や、ヒストンタンパク質のメチル化・アセチル化などの化学的な修飾を介した遺伝子の発現制御機構を指す。これらの修飾状態の変動により、ヒストンタンパク質とDNAの結合力が変化する。これにより、DNA（遺伝子）からの情報の読み取りが調整され、細胞機能が制御されている。近年、このエピジェネティクス制御機構の破綻が様々な疾患の発症に関わることが報告されている。[参照元へ戻る]

エピジェネティクス制御機構の概念図

◆修飾

ここでは、タンパク質の特定部位にメチル基（-CH₃）などの化学的な「印（しるし）」が付加されることをいう。特に、DNAとヒストンタンパク質の結合力を変化させるタンパク質は、このメチル化修飾を目印として、ヒストンタンパク質に結合する。[参照元へ戻る]

◆HEYL

ノッチシグナルと呼ばれる神経幹細胞の維持に必要なシグナルに応答して発現する、遺伝子発現調節因子の一つ。神経発生におけるHEYLの働きに関してはほとんど明らかになっていなかったが、今回、ヒト神経幹細胞において、HEYLが神経細胞の産生を抑制する働きをもつことを初めて明らかにした。[参照元へ戻る]