【第６回】再生医療 幹細胞シリーズ ～②幹細胞の特性～
幹細胞は、現代の生物学や医学において最も注目されている細胞の一つです。その理由は、幹細胞が持つ「多分化能」と「自己複製能」にあります。これらの特性により、幹細胞は再生医療や細胞治療の分野で大きな可能性を秘めています。今回は、幹細胞の基本概念からその特性について詳しく掘り下げていきます。
幹細胞とは何か
幹細胞とは、まだ特定の細胞に分化していない未分化の細胞です。これらの細胞は、自己複製能力と分化能力を持っています。
これらの特性により、幹細胞は新しい細胞を供給し、損傷した組織や臓器の修復を助けることができます。これらの特性が、幹細胞を他の細胞とは一線を画するものにしています。
幹細胞の自己複製能（Self-Renewal）
自己複製能力とは、幹細胞が分裂して同じ未分化状態の細胞を増やす能力を指し、「分身の術」に似ています。
一つの幹細胞が分裂して、同じ性質を持つ幹細胞を生み出し、それぞれが同じ未分化の状態を維持しながら機能し続けることができるのです。この能力により、幹細胞は長期間にわたって自身の数を維持することができます。
自己複製能の重要性
自己複製能力は、幹細胞が組織の恒常性を維持することや損傷や病気から体を守るために非常に重要です。私たちの体は、日常的に多くの細胞が死んでいきます。これらの細胞を補充するために、幹細胞は自己複製を行い、新しい細胞を供給します。
例えば、骨髄内の造血幹細胞は、血液細胞を絶えず供給し続けることで、血液の恒常性を維持します。また、皮膚の基底層にある幹細胞は、皮膚のターンオーバーを維持し、傷ができた際には修復を行います。
自己複製能は幹細胞独自の能力ではない
自己複製能を持つ細胞は幹細胞だけではなく、他にもいくつかの種類の細胞が自己複製能を持っています。ただし、自己複製の目的や性質が幹細胞とは異なる場合があります。
前駆細胞（プロジェニター細胞）
前駆細胞も自己複製能を持つことがあります。前駆細胞は、幹細胞と分化細胞の中間に位置する細胞で、特定の細胞に分化する準備ができているが、限られた自己複製能力を持つことがあります。前駆細胞は主に特定の分化経路に従って増殖し、分化する細胞を供給しますが、幹細胞ほど広範な分化能力や長期的な自己複製能力は持ちません。がん細胞
がん細胞も自己複製能を持っています。がん細胞は、正常な細胞の制御メカニズムが破壊され、無制限に増殖する能力を持つ異常な細胞です。がん細胞は、自らを複製し続けることで、腫瘍を形成し、体内で増殖し続けます。ただし、この自己複製は制御が効かず、体に害を与えるものであり、幹細胞のような生理的役割を持っているわけではありません。細胞分裂の通常過程
多くの分化した体細胞（例：皮膚細胞、肝細胞など）は、自己複製という形で分裂して増殖することがあります。ただし、これらの細胞は分化しているため、特定の種類の細胞にしか分裂できません。これらの細胞は、損傷した組織を修復したり、日常的に細胞を補充したりするために分裂を行いますが、幹細胞のように多能性や長期間にわたる自己複製能力は持ちません。
幹細胞の多分化能（Pluripotency）
多分化能とは、幹細胞がさまざまな種類の細胞に分化する能力を指し、「変化の術」に似ています。
幹細胞が体内の異なる環境やシグナルに応じて、神経細胞、筋細胞、血液細胞など特定の機能を持つ細胞に「変化」することができ、体のさまざまな機能を支えます。
幹細胞の分化能力の段階
幹細胞の分化能力は、分化の可能性が広い「全能性」から特定の細胞に分化する「単能性」まで、段階的に分類されます。
全能性（Totipotency）
全能性を持つ細胞は、体内のすべての細胞、さらには胎盤や胚外組織を含む、完全な生物体を形成する能力を持ちます。
受精卵がその代表です。受精卵は、発生の初期段階で分裂を繰り返し、最終的にすべての細胞や組織を作り出します。多能性（Pluripotency）
多能性を持つ幹細胞は、外胚葉（皮膚や鼻などの感覚器、また脳を含む神経系）、中胚葉（心臓や血管など）、内胚葉（消化器系）の3つの胚葉に由来するすべての細胞に分化することができますが、胎盤などの胚外組織には分化できません。
胚性幹細胞（ES細胞）や誘導多能性幹細胞（iPS細胞）がこれに該当します。多能性細胞は、体内のほぼすべての細胞に分化できるため、再生医療や研究において非常に重要です。複能性（Multipotency）
複能性を持つ幹細胞は、特定の胚葉由来の細胞に分化する能力を持ちます。
例えば、造血幹細胞は血液のすべての細胞（赤血球、白血球、血小板）に分化しますが、他の種類の細胞には分化しません。同様に、間葉系幹細胞は骨、軟骨、脂肪細胞に分化します。寡能性（Oligopotency）
寡能性を持つ幹細胞は、前駆細胞とも呼ばれ、数種類の特定の細胞型にのみ分化する能力を持っています。
例えば、リンパ芽球や骨髄系前駆細胞は、それぞれリンパ球や骨髄細胞の特定の種類に分化することができます。単能性（Unipotency）
単能性を持つ細胞は、特定の一種類の細胞にのみ分化・発達できる能力を持っています。
最も一般的な単能性細胞の例は皮膚細胞と肝細胞です。このような細胞は、特定の機能に特化しており、特定の組織や器官の維持や修復において重要な役割を果たします。
このように、幹細胞の分化能力は、その発展段階や種類に応じて異なり、再生医療のさまざまな応用に適しています。
他の細胞は多分化能を持っていない
多分化能とは、幹細胞が複数の異なる種類の細胞に分化する能力を指しますが、分化した細胞は特定の役割を持つようにプログラムされており、その結果、他の細胞に分化する能力を失っています。
分化による遺伝情報の選択的発現
細胞が特定の機能を持つように分化する過程で、特定の遺伝子が活性化され、他の遺伝子は抑制されます。この選択的な遺伝子発現の制御によって、細胞は特定の役割に特化します。この結果、分化した細胞は自らの特定の機能に特化し、他の種類の細胞に分化するために必要な遺伝子プログラムが閉じられてしまいます。細胞の安定性
体内の組織や臓器が正常に機能するためには、それぞれの細胞が安定した状態を保つことが重要です。分化した細胞が多分化能を持たず、その機能に専門化して安定していることで、体内の恒常性が維持されます。多分化能を持っていると、細胞が安定して機能を果たすことが難しくなるため、専門化した細胞には多分化能がありません。
自己複製と多分化能を支えるメカニズム
幹細胞特有の「自己複製能」と「多分化能」を支えるメカニズムには、複数の要因が関与しています。
エピジェネティックな修飾
エピジェネティックな修飾とは、DNAの塩基配列を変えずに、遺伝子のオン・オフを調節する化学的な修飾を指します。これにより、幹細胞は未分化の状態を維持しながら分裂することができ、また必要に応じてさまざまな種類の細胞に分化することが可能になります。
ヒストン修飾
ヒストン修飾は、DNAが巻きついているヒストンタンパク質に化学的な修飾が加わることで、遺伝子の発現が調節されるメカニズムです。ヒストンのメチル化やアセチル化は、特定の遺伝子を抑制したり活性化したりすることができます。
幹細胞が自己複製を行う際には、分化に関連する遺伝子がヒストン修飾によって抑制され、幹細胞特有の遺伝子が活性化されることで、未分化のまま分裂を続けることが可能になります。
幹細胞が特定の細胞に分化する際には、ヒストン修飾がダイナミックに変化します。分化に必要な遺伝子がヒストンのアセチル化などによって活性化され、他の遺伝子がメチル化などによって抑制されることで、幹細胞は特定の細胞型に分化します。これにより、多分化能が制御され、適切なタイミングで適切な細胞に分化することができます。細胞記憶（エピジェネティックなメモリー）
エピジェネティックなメモリーとは、エピジェネティックな修飾が細胞分裂を経ても次世代の細胞に伝達される現象です。幹細胞が自己複製を行う際には、エピジェネティックなメモリーが未分化状態の遺伝子発現パターンを維持することで、新たに生じた幹細胞も未分化のままであることが保証されます。
幹細胞が一度分化すると、その分化した状態がエピジェネティックなメモリーとして次の細胞分裂にも引き継がれます。これにより、分化後の細胞が再び未分化に戻ることなく、特定の機能を持つ細胞としてそのまま長期的に機能し続けることができます。エピジェネティックなメモリーは、分化の安定性を保ち、多分化能を適切に制御するために重要です。
シグナル伝達経路
シグナル伝達経路は、幹細胞の自己複製と多分化能を制御するために、細胞内外での情報伝達を通じて働きます。これらの経路は、特定のシグナル分子（成長因子やホルモンなど）が細胞の表面にある受容体に結合することから始まり、細胞内の一連の分子反応を引き起こし、最終的に遺伝子の発現や細胞の行動に影響を与えます。
これらのシグナル伝達経路は、幹細胞の環境や状態に応じて適切に活性化され、幹細胞の行動を調整します。様々な経路が協力し合い、幹細胞の多能性を維持しつつ、適切なタイミングでの分化を促進することで、組織や臓器の発達や修復を支えています。
微小環境（ニッチ）
微小環境（ニッチ）は、幹細胞が存在する周囲の細胞や組織環境を指し、幹細胞に対して物理的および化学的な支持や分裂や分化を制御するためのシグナルを提供する特殊な環境です。
物理的支持
微小環境は、幹細胞が適切に機能できるように物理的な支持を提供します。幹細胞は、特定の場所に固定され、その周囲には細胞外マトリックスや隣接する支持細胞が存在します。これにより、幹細胞が物理的に保護され、安定した位置で自己複製を行うことが可能になります。
物理的な局所環境は、幹細胞の多分化能にも影響を与えます。例えば、硬い基質上にある幹細胞は骨細胞に分化しやすく、柔らかい基質上にある幹細胞は脂肪細胞に分化しやすいことが知られています。これにより、幹細胞がその環境に最適な細胞型に分化するように物理的な支持が調整されます。化学的シグナル
微小環境は、幹細胞に特定の化学的シグナルを提供します。例えば、成長因子（FGF、EGFなど）やサイトカインなどの分子が、幹細胞にシグナルを送ることで自己複製を誘導します。一方で、化学的シグナルは、幹細胞がどの細胞に分化するかを決定する重要な要因です。これにより、幹細胞は周囲のシグナルに応じて適切な分化方向を選択します。細胞間相互作用
幹細胞と微小環境内の支持細胞（例えばフィーダー細胞や繊維芽細胞など）との相互作用は、幹細胞の機能を支える重要な要素です。これらの細胞間相互作用は、細胞接触を介して直接的なシグナルを提供し、幹細胞が未分化のまま自己複製を行うのを助けたり、分化のタイミングや方向性を決定したりすることです。酸素濃度と代謝環境
微小環境の酸素濃度や代謝状態も、幹細胞の機能に影響を与えます。低酸素環境は、幹細胞の未分化状態を維持し、自己複製を促進することが知られています。高酸素環境では特定の分化経路が活性化されやすくなることがあります。また、グルコースやアミノ酸などの代謝物の濃度が、幹細胞の分化に影響を与えることもあります。
幹細胞の自己複製能と多分化能は、複数のシグナル伝達経路、エピジェネティックな修飾、そして幹細胞が存在する微小環境（ニッチ）によって支えられています。これらのメカニズムが協力し、幹細胞が未分化のまま自己複製しつつ、必要に応じてさまざまな細胞に分化することを可能にしています。これにより、幹細胞は組織や臓器の維持、修復、再生において重要な役割を果たしています。
幹細胞は、自己複製能力と多分化能を持つ特別な細胞であり、再生医療やバイオテクノロジーの分野で大きな注目を集めています。幹細胞の特性を理解することで、その魅力と可能性に迫ることができます。幹細胞の多様な分化能力は、未来の医療に革命をもたらす可能性を秘めています。
次回のブログでは、幹細胞の種類や応用についてさらに詳しく掘り下げていきます。