日本小児循環器学会雑誌 Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery

Online ISSN: 2187-2988 Print ISSN: 0911-1794
特定非営利活動法人日本小児循環器学会 Japanese Society of Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery
〒162-0801東京都新宿区山吹町358-5アカデミーセンター Japanese Society of Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery Academy Center, 358-5 Yamabuki-cho, Shinju-ku, Tokyo 162-0801, Japan
Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery 31(4): 138-147 (2015)
doi:10.9794/jspccs.31.138

ReviewReview

疾患特異的iPS細胞を用いた先天性心疾患の病態解明Congenital Heart Diseases and Disease-specific iPS Cells

1岡山大学大学院医歯薬学総合研究科心臓血管外科学教室Department of Cardiovascular Surgery, Graduate School of Medicine, Dentistry and Pharmaceutical Sciences, Okayama University ◇ 〒700-8558 岡山県岡山市北区鹿田町二丁目5番1号2-5-1 Shikata-cho, Kita-ku, Okayama-shi, Okayama 700-8558, Japan

2岡山大学病院新医療研究開発センター再生医療部Department of Regenerative Medicine, Center for Innovative Clinical Medicine, Okayama University Hospital ◇ 〒700-8558 岡山県岡山市北区鹿田町二丁目5番1号2-5-1 Shikata-cho, Kita-ku, Okayama-shi, Okayama 700-8558, Japan

受付日:2015年1月22日Received: January 22, 2015
受理日:2015年5月22日Accepted: May 22, 2015
発行日:2015年7月1日Published: July 1, 2015
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2007年にヒト人工多能性幹(induced pluripotent stem: iPS)細胞の樹立に成功して以来,疾患特異的iPS細胞の研究が進められてきた.病態発生過程をin vitroで再現できる疾患特異的iPS細胞は,新たな疾患モデルとして病態解明や創薬のための利用が期待される.疾患特異的iPS細胞は心疾患モデルとしても多数樹立されてきたが,これまでは主に遺伝性の不整脈性疾患や心筋症から樹立されており,形態異常を伴う先天性心疾患からは樹立されてこなかった.最近,我々は左心低形成症候群(hypoplastic left heart syndrome: HLHS)由来の疾患特異的iPS細胞の樹立に成功した.遺伝子異常のみならず,遺伝子発現の低下やエピジェネティック制御の異常など,多数の因子が複雑に関与すると考えられる先天性心疾患の病態解明にも,疾患特異的iPS細胞は有用である可能性がある.本総説では,疾患特異的iPS細胞を用いた心疾患モデルの経緯を概説し,また疾患特異的iPS細胞による先天性心疾患の病態解明への可能性を検討する.

Since induced pluripotent stem (iPS) cells have been generated in 2007 from human somatic cells, many studies of disease-specific iPS cells have been reported. Because disease-specific iPS cells can recapitulate disease phenotypes, they are expected to be a novel research tool for in vitro disease modeling to dissect pathogenesis and assist in drug discovery. In terms of cardiovascular diseases, most of the iPS cells have been generated from the patients with inherited arrhythmias or cardiomyopathy. There have been few reports of human iPS cells established from the patients with congenital heart diseases composed of abnormal structures. Most congenital heart diseases are considered to be caused by combinatorial repression of transcription factors and/or impaired epigenetic regulation. Recently, we successfully generated iPS cells from the patients with hypoplastic left heart syndrome (HLHS). We showed that these HLHS-specific iPS cells recapitulated pathogenesis and worked as in vitro disease models for investigating the function of transcription factors during the course of cardiac lineage specification. In this review, we provide an overview of cardiac disease-specific iPS cells and discuss possible uses for dissecting the underlying mechanisms of congenital heart diseases.

Key words: disease-specific iPS cells; congenital heart diseases; differentiation; transcription factors; chromatin remodeling

はじめに

2006年に京都大学の山中伸弥教授によりマウス人工多能性幹(induced pluripotent stem: iPS)細胞の樹立成功が発表され1),翌2007年には山中教授やThomsonらによりそれぞれヒトiPS細胞が樹立された2,3).この体細胞から多能性幹細胞を作製するという画期的な技術により,理論上すべてのヒトから多能性幹細胞を樹立できることとなった.以来,特定の病気を持つ患者から樹立した「疾患特異的iPS細胞」の研究が行われるようになった.疾患特異的iPS細胞は,ヒトの病態発生過程をin vitroで再現することができるため,新たな疾患モデルとして病態解明や創薬への利用が期待されている.疾患特異的iPS細胞は,循環器疾患患者からも樹立され解析されてきたが,対象となったのは主に遺伝性の不整脈性疾患や心筋症に限定されており4,5),遺伝的背景が不明瞭な,かつ心臓の形態異常を伴う先天性心疾患患者からは樹立されてこなかった.しかし,遺伝子変異が原因とならない場合が多い先天性心疾患の病態解明にこそ,発生過程における分子制御機構を網羅的に解析できる疾患特異的iPS細胞は有用である可能性があり,報告もされ始めている6).我々も左心低形成症候群(hypoplastic left heart syndrome: HLHS)の疾患特異的iPS細胞の樹立に成功し,その病態発生機序の解析を行った7).本総説では,これまでの心疾患における疾患特異的iPS細胞の研究と心臓発生や先天性心疾患の分子制御機構を概説し,先天性心疾患由来の疾患特異的iPS細胞の有用性を検討した.

疾患特異的iPS細胞による心疾患モデル

心疾患での疾患特異的iPS細胞は,これまで主に遺伝性の不整脈や心筋症患者から樹立されてきた4,5).具体的には,先天性QT延長症候群,カテコラミン誘発性多形性心室頻拍,肥大型心筋症,拡張型心筋症,不整脈源性右室心筋症,LEOPARD症候群,Pompe病,Friedreich失調症が挙げられる(Table 1).

Table 1 Disease-specific iPS cells model heart diseases
DiseaseSubtypeGene mutation
Long QT syndrome (LQTS)LQT1KCNQ1
LQT2KCNH2
LQT3SCN5A
LQT8 (Timothy syndrome)CACNA1C
Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT)CPVT1RYR2
CPVT2CASQ2
Dilated cardiomyopathy (DCM)TNNT2
LMNA
DES
Hypertrophic cardiomyopathy (HCM)MYH7
Arrhythmogenenic right ventricular dysplasia (ARVD)PKP2
LEOPARD syndromePTPN11
Pompe diseaseGAA
Friedreich’s ataxiaFrataxin

先天性QT延長症候群は,60~70%の家系で心筋細胞のイオンチャネルや細胞膜構成蛋白に関連した遺伝子異常を認めており疾患の原因とされているが,疾患特異的iPS細胞は,Romano–Ward症候群のうちLQT1, 2, 3, 8の患者より樹立されている.LQT1は6回貫通型K+チャネルをコードするpotassium channel,voltage gated KQT-like subfamily Q,member 1(KCNQ1),LQT2は電位依存性K+チャネルをコードするpotassium channel,voltage gated eag related subfamily H,member 2(KCNH2),LQT3は電位依存性Na+チャネルをコードするsodium channel,voltage gated,type V alpha subunit(SCN5A),LQT8(Timothy症候群)は電位依存性L型Ca2+チャネルをコードするcalcium channel,voltage-dependent,L type,alpha 1C subunit(CACNA1C)の異常が関与しており,それぞれの遺伝子変異を持つ患者からiPS細胞は樹立され,電気生理学的異常や薬物投与による異常の誘発・改善を示している8–12).カテコラミン誘発性多形性心室頻拍(catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia: CPVT)は運動や情動ストレスによりQRS波形不定の心室頻拍を生じる疾患で心筋細胞でのCa2+調節機構の異常が原因と考えられており,変異遺伝子により亜型分類されている.疾患特異的iPS細胞はryanodine receptor 2(RYR2)の変異が原因のCPVT1とcalsequestrin 2(cardiac muscle)(CASQ2)の変異が原因のCPVT2患者から樹立されており,いずれのiPS由来心筋細胞もコントロールiPS由来心筋細胞に比較し,カテコラミン刺激による遅延後脱分極を示した13–15).拡張型心筋症については,actin,alpha,cardiac muscle 1(ACT C1),desmin(DES),lamin A/C(LMNA),sarcoglycan,delta(SGCD),myosin,heavy chain 7,cardiac muscle,beta(MYH7),troponin T type 2(cardiac)(TNNT2),tropomyosin 1(alpha)(TPM1)等の遺伝子異常が原因となりうることが知られているが,疾患特異的iPS細胞は,TNNT2,LMNA,DES変異患者からそれぞれ樹立されており,分化誘導された心筋細胞は構造異常と機能異常を認めた16–18).肥大型心筋症は,MYH7をはじめとした16種類以上の遺伝子の900種類以上の変異が報告されているが,疾患特異的iPS細胞はMYH7変異患者より樹立されており,形態異常やCa2+制御機構の異常を示した19).不整脈源性右室心筋症は,原因不明の右室心筋の変性,脂肪浸潤と線維化により,右室の拡大や収縮不全,右室起源の心室性不整脈を呈する.デスモソーム蛋白のplakophilin-2(PKP2)の遺伝子異常が多く,疾患特異的iPS細胞もPKP2の変異患者から樹立されており,心筋細胞の脂肪浸潤とCa2+制御異常を認めた20,21).LEOPARD症候群は主に細胞内シグナル伝達経路であるRAS/MAPKの構成分子であるprotein tyrosine phosphatase,non-receptor type 11(PTPN11),Raf-1 proto-oncogene,serine/threonine kinase(RAF1),soc-2 suppressor of clear homolog(SHOC2)異常によるが,疾患特異的iPS細胞はPTPN11変異の患者から樹立されており,細胞腫大等の肥大型心筋症の表現型を示した22).その他にも,Pompe病,Friedreich失調症等の疾患からも疾患特異的iPS細胞は樹立されている23,24).このように,循環器領域では主に遺伝性不整脈と家族性心筋症から疾患特異的iPS細胞は樹立されており,細胞の構造異常や電気生理学的異常がin vitroで再現されている.

先天性心疾患の発生機序

近年,心臓発生を制御する転写因子群が多数同定され,その制御機構も明らかにされつつある25).心臓特異的遺伝子の変異や関連染色体領域の異常が先天性心疾患を引き起こしうることも確認されている26).しかしながら,遺伝性不整脈や家族性心筋症が明らかな単一遺伝子変異を原因としうるのに対し,心臓の形態異常を伴う先天性心疾患は,大部分は孤発性であり遺伝的要因が不明なことが多い.さらに最近,心臓発生に関わる制御機構としてエピジェネティック制御が注目されている.エピジェネティック制御とは,DNAの塩基配列変化を伴わずに遺伝子発現や細胞表現型の変化をもたらす修飾制御のことであり,この異常が原因と思われる心奇形も報告されている27,28).このように,先天性心疾患は多数の因子が複雑に絡み合って形成されている可能性があると考えられる.

転写因子群の異常と先天性心疾患

心臓発生過程における分子制御機構は詳細に解明され25),その異常により引き起こされる心臓の形成異常も報告されている26).心臓発生には多数の転写因子群が段階的に協調して作用している.主なものとして,ホメオボックス型転写因子であるNKX2-5,Znフィンガー型転写因子のGAT A4,T-ボックス型転写因子のTBX5等が挙げられる.これらは複合体を形成し,また他の転写因子と協調して心臓発生を制御する.また左心室形成に重要な一次心臓領域ではNKX2-5,HAND1が,右心室・流出路の起源となる二次心臓領域の形成にはISL1,HAND2が重要とされている.これら心臓転写因子群の遺伝子変異は各種心臓の形態異常を引き起こすことが確認されており,先天性心疾患患者からも検出されている(Table 2).TBX5はHolt–Oram症候群の原因遺伝子として同定されており,心房中隔欠損(ASD),心室中隔欠損(VSD),伝導障害等を来たす29).NKX2-5の変異はASD,VSD,エプスタイン奇形やファロー四徴症(TOF),房室ブロック患者等,多くの先天性心疾患で認められている30,31).GAT A4はNKX2-5と共同して作用する転写因子であり,GAT A4の変異もASD,TOF,肺動脈弁狭窄等の複数の先天性心疾患との関与が指摘されている32,33).TBX1はTOF,総動脈管症,大動脈弓離断症等を来たすDiGeorge症候群で変異を認めている34,35).TBX20の変異はASD,VSD,心室や弁の形成障害との関与が指摘されている36).NOTCH1は大動脈二尖弁の原因遺伝子とされており,またNOTCH1の変異はVSD,TOF,僧帽弁閉鎖症,両大血管右室起始症,HLHS患者等でも認められている37).HAND1の変異はVSD,TOF等で認めている38,39).その他にも,複数の心臓特異的転写因子の変異が先天性心疾患患者から同定されている.しかし,実際には大部分の患者は孤発性であり遺伝子異常も認めておらず,心臓の形態異常を伴う先天性心疾患の原因は未だに確定されていないのが現状である.

Table 2 Cardiac transcription factors from the patients with congenital heart diseases
Transcription factorCongenital heart diseaseReferences
NKX2-5ASD, VSD, Ebstein’s anomaly, TOF, atrioventricular block30, 31)
GATA4ASD, TOF, pulmonary valve stenosis32, 33)
TBX1TOF, IAA, truncus arteriosus34, 35)
TBX5ASD, VSD, conduction disorder, Holt-Oram syndrome29)
TBX20ASD, VSD36)
NOTCH1VSD, TOF, MA, DORV, bicuspid aortic valve, HLHS37)
HAND1VSD, TOF38, 39)
ASD, atrial septal defect; VSD, ventricular septal defect; TOF, tetralogy of fallot; IAA, interruption of aortic arch; MA, mitral atresia; DORV, double-outlet right ventricle; HLHS, hypoplastic left heart syndrome.

エピジェネティック制御機構と先天性心疾患

器官発生や病態形成において,最近注目されているエピジェネティック制御は,主にDNAメチル化,ヒストン修飾酵素,そしてクロマチン・リモデリング複合体による修飾に分類される.これらの制御機構は,単独か各種転写因子と協調してDNAの配列変化を伴うことなく遺伝子の発現を調節し,発生過程における細胞の表現型の決定や,各種細胞の維持に寄与している.エピジェネティック制御は心臓発生にも大きく関与していることが明らかにされつつあり,マウス等による実験では,これらエピジェネティック制御の異常による心奇形の発生が確認されている(Table 3, 4).

Table 3 Heart anomaly caused by histone modifying enzymes
TypeEnzymeModificationAnomalyReferences
Class I HDACHdac1, 2Both Hdac1 and Hdac2 deletion in the myocardiumDilated cardiomyopathy, atthythmia40)
Class II HDACHdac5, 9Both Hdac5 and Hdac9 deletion in germlineVSD41)
Hdac7Deletion in germline in miceVascular abnormality42)
Silenced in the endotheliumAltered endothelial morphology, migration and structure43)
Class III HDACSirt1Germline deletionASD, VSD, abnormal atrioventricular valves44)
HATp300Mutation which erases HAT activityASD, VSD45)
Histone demethylaseJumonjiGermline deletionDORV, hypertrabeculation46)
HMTSmyd1Germline deletionVentricular hypoplasia47)
Whsc1Germline deletionASD, VSD48)
Table 4 Heart anomaly related to The ATP-dependent chromatin-remodeling complexes
TypeEnzymeModificationAnomalyReferences
SWI/SNFBrg1Deletion in the endocardiumLoss of cardiac jelly leading hypotrabeculation52)
Deletion in the myocardiumVSD53)
Deletion in the secondary heart fieldHypoplastic outflow tract and right ventricle53)
Mutaion in endothelium in miceAbnormal vascular remodeling in yolk sac50)
Deletion in smooth muscle cells in micePersistent ductus arteriosus (PDA)51)
Baf60cKnockdown in mouse embryoImpaired secondary heart field formation54)
Baf180Germline deletionHypoplastic ventricle, VSD, coronary vessel defects55, 56)

1. ヒストン修飾酵素の異常

ヒストンは,メチル化,アセチル化,リン酸化,ユビキチン化を受けることが知られており,それらの化学修飾により遺伝子発現の変化等がもたらされる.これらの変化を引き起こすヒストン修飾酵素として,ヒストンメチルトランスフェラーゼ(HMT),ヒストン脱メチル化酵素,ヒストンアセチルトランスフェラーゼ(HAT),ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)等が知られている.マウス実験等の結果からは,この酵素異常と心奇形発生との関与が報告されている(Table 3).Class I HDACに分類されるHdac1とHdac2が心筋内で同時に欠如すると不整脈や拡張型心筋症を引き起こす40).Class II HDACであるHdac5とHdac9が同時に欠失すると,VSDや心筋の菲薄化を引き起こす41).またHdac7の欠如は血管形成異常を来し42),内皮細胞でのHdac7発現消失は,内皮細胞の形態や毛細管形成等を傷害する43).Class III HDACであるSirt1が欠失すると,ASD,VSD,弁の欠損等を来たす44).アセチル化酵素複合体を形成するp300遺伝子が変異しHAT活性を失うと,ASD,VSD,冠血管形成不全等を来たす45).ヒストン脱メチル化酵素を形成するJarid2/Jumonjiが欠失すると,両大血管右室起始や心筋の過剰肉柱形成を引き起こす46).HMTについては,Smyd1が欠失すると,心室低形成を引き起こし47),Wolf–Hirschhorn syndrome candidate(WHSC1)遺伝子の異常はWolf–Hirschhorn症候群と関連しており,ASD,VSDを来たす48).ASD,VSD,大動脈縮窄等の心臓形成異常を合併することがあるKabuki症候群患者からは,HMTに関与するMLL2の変異が確認されている49)Table 3).

2. クロマチン・リモデリング複合体の異常

クロマチン・リモデリング複合体は,中心となるATPaseサブユニットを指標にSWI/SNF,ISWI,CHD,INO80複合体の4つのサブファミリーに分類される.SWI/SNF複合体のコア因子であるBrg1は,内皮細胞で欠失するとyolk sacの血管形成異常を来たし50),平滑筋細胞内のBrg1が欠失すると,動脈管開存を引き起こすことがある51).また,Brg1発現が心内膜で消失すると,Adamts1遺伝子の制御ができず心臓ゼリーの消失と肉柱形成不全を来たし52),心筋で欠失するとVSDを来たす53).さらに二次心臓領域の心筋前駆細胞内で欠失すると,右室と右室流出路の形成不全をもたらす53).BAF複合体メンバーのBaf60cをコードする遺伝子であるSmarcd3のノックダウンマウスでは,outflow tractの異常を伴う単心室を来たす等,心臓形成不全を認める54).同じくBAF複合体メンバーのBaf180欠失マウスでは,冠血管の形成不全55),心室低形成やVSDを引き起こす56)Table 4).

3. エピジェネティック修飾と心臓特異的転写因子発現

前述したヒストン修飾酵素やクロマチン・リモデリング複合体の中には,心臓特異的転写因子と直接相互作用するものもある.Brg1はSerum response factor(SRF)のco-activatorであるMyocardin-related transcription factor A(MRTFA)と相互作用することで平滑筋遺伝子の発現を制御し57),またNkx2-5,Tbx5,Tbx20と容量依存性に相互作用する58).Hdac2はHopと協同してGata4の転写活性を抑制するのに対し59),p300はGata4のアセチル化を促進することでGata4のDNA結合活性と転写活性を高める60).Jarid2は心内膜でのNotch1とその下流の転写因子であるNrg1の発現を抑制する61).ポリコーム抑制複合体1の一員であるRae28は,Nkx2.5の発現に必須であり62),またWhsc1もまたNkx2.5と協同し心臓発生を制御する48).これら主にマウス実験の知見から,心臓発生過程におけるエピジェネティック制御の関与が少しずつ明らかにされつつあり,また異常なエピジェネティック制御が心臓発生異常に関与している可能性が示唆されている.

HLHS由来疾患特異的iPS細胞の解析

このように,先天性心疾患はジェネティックとエピジェネティックの要因が複雑に絡み合った病態発生機序をとっている可能性がある.それゆえに,主に単一遺伝子をノックアウトすることで作成するモデル動物では先天性心疾患の疾患モデルとしては不十分なことが多く,先天性心疾患の病態解明が進まない原因となっている.疾患特異的iPS細胞についても,単一遺伝子変異が原因とはいえない,かつ心臓の構造異常を伴う先天性疾患からは樹立されてこなかった.しかし,iPS細胞は分化誘導させることで発生過程をin vitroで再現することができ,病態発生過程での分子制御機構を研究することが可能となる.疾患特異的iPS細胞の分化誘導過程を多角的に解析することで,複雑な病態発生機構を持つ疾患に対しても,その病態解明に迫ることができる可能性がある(Fig. 1).

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Fig. 1 Disease-specific iPS cells as in vitro models of congenital heart diseases

(A) Somatic cells from patients were initially reprogrammed to undifferentiated cells that have not yet acquired the full disease phenotype. Generated disease-specific iPS cells could give rise to cardiomyocytes to recapitulate the disease phenotype. Investigation of the molecular insights during differentiation might dissect the developmental pathogenesis of congenital heart diseases. (B) Gene expression and histone modification were comparable between HLHS- and biventricle (BV) heart-derived iPS cells. Upon differentiation, HLHS-iPS-derived cardiomyocytes exhibited combinatorial transcriptional repression and altered histone modification of NKX2-5 compared with those from BV-iPS-derived cardiomyocytes.

我々はHLHS患者から疾患特異的iPS細胞を樹立し解析をすることを試みた.HLHS患者の術中心臓余剰組織から,心臓前駆細胞(CPCs)を精製分離して疾患特異的iPS細胞を樹立し,心筋分化誘導過程における分子制御機構を検討した7).まず,定量RT-PCRで心臓特異的転写因子群の発現を継時的に検討した.すると,HLHS-iPS細胞由来心筋細胞は,二心室(BV)心由来コントロール細胞に比較し,一次心臓領域の形成に必須であるNKX2-5,HAND1,HAND2,左室流入路と流出路形成,房室管形成,そして弁形成に重要なNOTCH1,HEY1,HEY2,TBX2の発現上昇が著明に抑制されていることが明らかになった.これらの転写因子のうち,NKX2-5,HAND1,NOTCH1について詳細に検討したところ,患者検体のいずれにも遺伝子変異はなく,またHLHS由来iPS細胞とCPCsの心臓特異的プロモーター活性の検討では,HLHS由来細胞ではBV由来細胞に比較し,Serum response element,TNNT2,NPPAのプロモーター活性が著明に低下しており,NKX2-5,HAND1,NOTCH1の導入がプロモーター活性の改善に寄与していた.さらに,クロマチン免疫沈降法を用いてiPS細胞,CPCs,iPS細胞由来心筋細胞について,HLHS由来とBV由来コントロール細胞のNKX2-5プロモーター領域のヒストン修飾を検討したところ,iPS細胞とCPCsではヒストン修飾に有意差は認めなかったものの,iPS細胞由来心筋細胞においては,BV由来に比較しHLHS由来の細胞でNKX2-5プロモーター領域のdimethylated histone H3-lysine 4(H3K4me2)とacetylated histone H3(acH3)の低下とtrimethylated histone H3-lysine 27(H3K27me3)の上昇を認めた.このように,疾患特異的iPS細胞の分化誘導過程を検討した結果から,HLHSの病態発生にはNKX2-5,HAND1,NOTCH1は必須の転写因子であり,またヒストン修飾の異常によるNKX2-5の転写活性低下が関与している可能性が示唆された.Jiangらも,HLHS患者より疾患特異的iPS細胞を樹立し解析した6).分化誘導して得られた拍動性の胚様体は,HLHS由来のものではヒト胚性幹(ES)細胞とコントロールiPS細胞由来のものに比較し少数で,拍動数も少ないものが多かった.心筋分化誘導過程における定量RT-PCRでは,HLHS由来iPS細胞はヒトES細胞とコントロールiPS細胞に比較し,心臓特異的転写因子であるMESP1と心筋構造タンパクのTNNT2の上昇が著明に抑制され,またGAT A4が遅れて上昇することを示した.またHLHS-iPS由来心筋細胞ではカフェイン添加下でカルシウム振動の出現を認め,リアノジンレセプターの傷害も示唆された.

先天性心疾患研究における疾患特異的iPS細胞の課題

これまで循環器領域の疾患特異的iPS細胞は,単一遺伝子変異が原因となる遺伝性不整脈や家族性心筋症患者などから樹立されてきた.これらのiPS細胞から分化誘導して得られた心筋細胞は,電気生理学的ないし細胞の構造的な異常を示すことに成功し,疾患モデルになりうると考えられた.しかし先天性心疾患については,その原因が明らかではなく,iPS細胞による疾患モデルの作成は困難であると考えられてきた.ただ,iPS細胞をはじめとした多能性幹細胞では,分化誘導することで発生過程をin vitroで再現することができるため,継時的に分子制御機構を検討することが可能となる.よって疾患特異的iPS細胞では,病態発生過程における分子制御機構を継時的かつ網羅的に解析することができるため,多数の因子が複雑に関与していることが予測される先天性心疾患の病態発生機序の解明には,有用である可能性がある.しかしながら,iPS細胞を先天性心疾患の疾患モデルとして使用するには,いくつか考慮すべき点がある.まず,先天性心疾患は基本的には心臓や血管の構造異常であり,単一の細胞種の異常ではないということである.iPS細胞を心筋分化誘導して得られる細胞は心筋細胞であり,心筋分化誘導して得られた心筋細胞だけの検討では,心臓や血管の構造全体の異常についての正確な病態解明は難しいと考えられる.ただ,平滑筋細胞や内皮細胞といった他細胞種への分化誘導も併用して複数種の細胞について継時的に解析することで,より精度の高い研究ができる可能性がある.次に,エピジェネティックメモリーに注意する必要がある.エピジェネティックメモリーとは,DNA塩基配列以外の体細胞の性質が,樹立後のiPS細胞にも受け継がれるというiPS細胞に特有の性質であり,主にDNAメチル化を中心としたものである.これにより,樹立したiPS細胞は分化誘導した際に,もとの体細胞種に分化しやすくその他の細胞種へは分化しづらいという性質を持っている.よって,遺伝子変異以外の遺伝子発現量の変化やエピジェネティック制御機構の変化を原因としうる疾患の場合には,その使用に注意を要する.しかし,エピジェネティックメモリーはiPS細胞を繰り返し継代することで消失するという報告も多く63,64),研究デザインの工夫により克服できる可能性がある.

結語

iPS細胞が発表されて以来,新しい疾患モデルとして疾患特異的iPS細胞が注目されるようになった.しかし,循環器領域での疾患特異的iPS細胞は主に遺伝性不整脈と家族性心筋症といった単一遺伝子変異が原因となる疾患から樹立され,疾患モデルとされており,心臓の構造異常を伴う先天性心疾患からは樹立されてこなかった.近年,心臓転写因子群が同定され,心臓発生の分子制御機構が次第に明らかにされつつある25).これにより,先天性心疾患に関連した遺伝子異常や染色体異常も知られるようになった26).しかしながら,先天性心疾患の多くは孤発性であり,その原因は依然不明なものが多い.また複数の心臓転写因子の発現異常やエピジェネティック制御機構の異常など,要因が複雑に絡み合って病態が形成されている可能性がある.このような場合にも,発生過程をin vitroで再現することのできる疾患特異的iPS細胞は有用である可能性がある.ただし,疾患特異的iPS細胞には,複数の細胞種が形成に関与する器官異常の病態解明には限界があること,またiPS細胞特有のエピジェネティックメモリーの問題があることから,先天性心疾患の疾患モデルとするにはさらなる検討が必要である.しかし,動物モデルの作成が困難であった先天性心疾患の病態解明に,疾患特異的iPS細胞は新たな転機をもたらす可能性があり,今後の研究が大いに期待される.

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