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JP6749595B2 - Es細胞及びその他の幹細胞から、涙腺上皮細胞を誘導する方法 - Google Patents
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Es細胞及びその他の幹細胞から、涙腺上皮細胞を誘導する方法 Download PDF

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Description

本発明は、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造する方法や、該方法により製造される涙腺上皮細胞や、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用試薬キットに関する。
本出願は、参照によりここに援用されるところの日本特願2015-062726号優先権を請求する。
乾燥眼、眼乾燥症ともいわれるドライアイは、涙腺の涙液分泌機能の低下や障害等によって、涙液の量的及び/又は質的な異常が生じ、その結果、眼球の表面、すなわち角結膜に障害が起こる疾患である。涙腺の涙液分泌機能の低下や障害の原因としては、VDT作業(ビデオ画面端末作業)、加齢、涙腺における炎症を伴う疾患などが知られており、かかる疾患としては、シェーグレン症候群のような自己免疫異常、乾性角結膜炎、スティーブンスージョンソン症候群、眼瞼縁炎症等が知られている。涙腺に炎症を生じると、リンパ球等の炎症細胞が涙腺に浸潤し、涙腺の涙液分泌機能の低下や障害が生じる。ドライアイ患者は、潜在患者を含め、日本では800万人以上いるといわれ、ドライアイの増加は社会問題にもなっている。
ドライアイを改善する方法として、人工涙液を点眼する方法が一般的に用いられているが、あくまでも対症療法に過ぎず、また、効果も一時的であるため、一日に10〜20回も適用する必要があるなど、患者にとって煩雑であった。また、涙腺における炎症を伴う疾患においては、その炎症反応を軽減するために、ステロイドやサイクロスポリンなどの薬剤が用いられているが、涙液の分泌量を正常な状態にまで改善することはできない。
そこで、障害のある涙腺組織を修復し、涙腺機能の根本的な回復を実現し得る幹細胞移入療法を目指して、涙腺の組織幹細胞(成体幹細胞)の探索が進められている。しかし、涙腺の器官形成能を有する、涙腺の組織幹細胞はいまだ分離されていない。
また、これまでに本発明者らは、マウス胎仔の涙腺原基由来の涙腺上皮細胞及び涙腺間葉細胞から、器官原基法(非特許文献1:Nat. Methods 4, 227-230 (2007))により、涙腺のもととなる再生涙腺原基を作製し、かかる再生涙腺原基を涙腺機能が障害されたモデルマウスの涙腺喪失部位に移植することで、機能的な涙腺を再生できることを明らかにしている(非特許文献2:Nature Communications 4, 2497 (2013), doi:10.1038/ncomms3497)。この方法によれば涙腺の器官再生が可能となるが、ヒトでの将来の臨床応用を考慮すると、ES細胞(胚性幹細胞;embryonic stem cells)や、iPS細胞(人工多能性幹細胞;induced pluripotent stem cells)といった臨床応用可能な細胞ソースからの涙腺誘導技術が必要であるという課題があった。このような技術状況であるため、ES細胞やiPS細胞から、涙腺上皮細胞又は涙腺間葉細胞に誘導することに成功したとの報告は未だなされていない。
Nat. Methods 4, 227-230 (2007) Nature Communications 4, 2497 (2013), doi:10.1038/ncomms3497
本発明の課題は、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造する方法や、該方法により製造される涙腺上皮細胞や、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用試薬キットを提供することにある。
本発明者らは、涙腺上皮細胞を含む8種の細胞における各種mRNAの発現をマイクロアレイにて解析し、涙腺上皮細胞に特異的に高発現している遺伝子を特定した。本発明者らは、特定したそれらの遺伝子の中の2種の転写因子(Six2、Foxc1)に着目した。本発明者らは、上記8種の細胞において、Six2遺伝子と同様の発現傾向を示す転写因子遺伝子として、Six1、Six4,Foxc2にも着目した。本発明者らは、Pax6遺伝子、Foxc1遺伝子と同様の発現傾向を示す転写因子遺伝子として、Foxp1遺伝子、Runx1遺伝子、ILF2遺伝子にも着目した。
本発明者らは、着目したこれら9種類の遺伝子を候補遺伝子とし、これら候補遺伝子の各mRNAを人工的に合成した。それらのmRNAを様々な組合せでヒトES細胞に導入し、さらに培養し、涙腺上皮細胞のマーカー遺伝子群の発現を確認したところ、Pax6遺伝子のmRNAとFoxc1遺伝子のmRNAを導入した場合、及び、Pax6遺伝子のmRNAとFoxp1遺伝子のmRNAを導入した場合に場合、涙腺上皮細胞のマーカー遺伝子群の発現が確認されることを見いだした。そして、Pax6遺伝子のmRNAとFoxp1遺伝子のmRNAを導入した場合は、Foxc1遺伝子の発現の増加が確認されたことから、結局のところ、多能性幹細胞においてPax6遺伝子とFoxc1遺伝子の発現を増加させることが、涙腺上皮細胞への分化誘導に必須であることを本発明者らは見いだした。わずか2種の遺伝子の発現を増加することにより、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導できることは、当業者にとってもきわめて意外であった。さらに、本発明者らは、Pax6遺伝子のmRNAとFoxc1遺伝子のmRNAに加えて、Six1遺伝子のmRNAを導入すると、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の1つであるBarx2遺伝子の発現がより向上し、涙腺上皮細胞への形態変化がより明確になって、涙腺上皮細胞系への分化の方向性をより明確にし得ることを見いだした。
本発明者らは、また、前述の特定の2種又は3種の遺伝子のmRNAを導入することにより製造した涙腺上皮細胞が、涙腺器官の立体構造を再生する能力を有しているものかを確認するために、前述の涙腺上皮細胞をマウス胎仔の涙腺原基細胞と共培養したところ、成熟涙腺に類似した立体構造を形成した。このことから、本発明の方法により製造される涙腺上皮細胞は、涙腺器官の立体構造を再生する能力を有していることが示された。
本発明者らは以上の知見に基づいて、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の通りです。
1.以下の工程Aを有することを特徴とする、涙腺上皮細胞の製造方法;
工程A:多能性幹細胞において、Pax6遺伝子の発現を増加させるか又はPAX6タンパク質を導入し、かつ、Foxc1遺伝子若しくはFoxp1遺伝子の発現を増加させるか又はFOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質を導入する工程。
2.Pax6遺伝子の発現を増加させる工程が、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であり、Foxc1遺伝子の発現を増加させる工程が、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であり、Foxp1遺伝子の発現を増加させる工程が、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であることを特徴とする前項1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
3.工程Aの多能性幹細胞において、さらに、Six1遺伝子の発現を増加させるか又はSIX1タンパク質を導入することを特徴とする前項1又は2に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
4.Six1遺伝子の発現を増加させることが、SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入することであることを特徴とする前項3に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
5.さらに、前記工程Aで得られた細胞を角化細胞増殖用培地で培養する工程を含む前項1〜4のいずれか1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
6.角化細胞増殖用培地が、上皮成長因子及び/又はコレラトキシンを含有することを特徴とする前項5に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
7.角化細胞増殖用培地中のカルシウム濃度が0.15mM以下であることを特徴とする前項5又は6に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
8.ポリヌクレオチドがmRNAであることを特徴とする前項2〜7のいずれか1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
9.前項1〜8のいずれか1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法により製造される涙腺上皮細胞。
10.涙腺器官の立体構造を再生する能力を有する前項9に記載の涙腺上皮細胞。
11.以下の(a)及び(b)を含む、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用試薬キット:
(a)PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質:
(b)FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXC1タンパク質、又は、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXP1タンパク質。
12.さらに、(c)SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はSIX1タンパク質を含む、前項11に記載の分化誘導用試薬キット。
これまでの知見では、涙腺器官を再生するには、その材料となる涙腺上皮細胞及び涙腺間葉細胞を、胎生期の哺乳動物から採取して確保する必要があった(非特許文献2)。本発明によれば、臨床応用可能な多能性幹細胞(例えばES細胞やiPS細胞)から、短期間で効率良く大量に涙腺上皮細胞を製造することができる。また、本発明により製造された涙腺上皮細胞は、涙腺器官の立体構造を再生する能力を有している涙腺上皮細胞である。
ヒトES細胞に、「Pax6及びFoxc1」のmRNAを導入し、次いで、角化細胞増殖用培地で培養した場合の細胞における、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを測定した結果を示す図である。「hES p-fc1 day2」は、mRNAの導入開始後2日目の細胞の結果を表し、「hES p-fc1 day5」は、mRNAの導入開始後5日目の細胞の結果を表す。また、「hES day0」は、mRNAの導入日(培養開始後1日目)の、mRNA導入前の細胞の結果を表し、「hES DKSFM day6」は、mRNAを導入しなかったこと以外は同様に処理して培養したday6の細胞の結果を表す。 図1に示したのとは異なる涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを、図1と同様の細胞において測定した結果である。 ヒトES細胞に、「Pax6及びFoxp1」のmRNAを導入し、次いで、角化細胞増殖用培地で培養した場合の細胞における、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを測定した結果を示す図である。「hES p-fp1 day2」は、mRNAの導入開始後2日目の細胞の結果を表し、「hES p-fp1 day5」は、mRNAの導入開始後5日目の細胞の結果を表す。また、「hES day0」は、mRNAの導入日(培養開始後1日目)の、mRNA導入前の細胞の結果を表し、「hES DKSFM day6」は、mRNAを導入しなかったこと以外は同様に処理して培養したday6の細胞の結果を表す。 図3に示したのとは異なる涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを、図3と同様の細胞において測定した結果である。 ヒトES細胞に、「Pax6、Foxc1及びSix1」のmRNAを導入し、次いで、角化細胞増殖用培地で培養した場合の細胞における、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを測定した結果を示す図である。「hES P/S/Fc1 day2」は、mRNAの導入開始後2日目の細胞の結果を表し、「hES P/S/Fc1 day5」は、mRNAの導入開始後5日目の細胞の結果を表す。また、「hES day0」は、mRNAの導入日(培養開始後1日目)の、mRNA導入前の細胞の結果を表し、「hES DKSFM day6」は、mRNAを導入しなかったこと以外は同様に処理して培養したday6の細胞の結果を表す。 図5に示したのとは異なる涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを、図5と同様の細胞において測定した結果である。 図5及び6に示したのとは異なる涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを、図5と同様の細胞において測定した結果である。 ヒトES細胞に、特定の3種類の転写因子(PAX6、FOXC1、SIX1)のmRNAを導入し、次いで、角化細胞増殖用培地で培養した場合の細胞について、免疫組織学的染色した結果を示す図である。各パネルの左上には、染色対象のタンパク質名を示す。 ヒトES細胞に、特定の3種類の転写因子(PAX6、FOXC1、SIX1)のmRNAを導入し、培養した場合の細胞の形態を位相差顕微鏡で観察した結果を示す図である。左上パネルはmRNAの導入直前の細胞の形態を示し、右上パネルはDay1(mRNAの導入開始後1日目)の細胞の形態を示し、左下パネルはDay2(mRNAの導入開始後2日目)の細胞の形態を示し、右下パネルはDay5(mRNAの導入開始後5日目)の細胞の形態を示す。 本発明における涙腺上皮細胞と、涙腺原基由来細胞とを立体的に共培養して得られた細胞塊を観察した結果を示す。左上パネルはその細胞塊をそのまま光学顕微鏡で観察した結果を示し、それ以外のパネルは、その細胞塊の凍結切片をヘマトキシリン・エオジン染色した後、光学顕微鏡で観察した結果を示す。
<涙腺上皮細胞の製造方法>
本発明の涙腺上皮細胞の製造方法(以下、「本発明の製造方法」とも表示する)としては、多能性幹細胞において、Pax6遺伝子の発現を増加させるか又はPAX6タンパク質を導入し、かつ、Foxc1遺伝子若しくはFoxp1遺伝子の発現を増加させるか又はFOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質を導入する工程Aを有し、さらに、必要に応じて、前記工程Aで得られた細胞を、角化細胞(角膜上皮細胞)増殖用培地で培養する工程Bを有する。
ここで「培地」とは、細胞を培養できる「培地成分」に水を添加した状態のものをいう。本明細書において、「Pax6遺伝子」、及び、「Foxc1遺伝子又はFoxp1遺伝子」、好ましくはさらに「Six1遺伝子」、をまとめて「本発明における遺伝子」とも表示し、「PAX6タンパク質」、及び、「FOXC1タンパク質又はFOXP1タンパク質」、好ましくはさらに「SIX1タンパク質」、をまとめて「本発明におけるタンパク質」とも表示する。
図3の結果から分かるように、多能性幹細胞において、Foxp1遺伝子の発現を増加させると、Foxc1遺伝子の発現も増加するため、工程Aにおいて、Foxc1遺伝子に代えて、又はFoxc1遺伝子と共に、Foxp1遺伝子の発現を増加させてもよいし、あるいは、FOXC1タンパク質に代えて、又はFOXC1タンパク質と共に、FOXP1タンパク質を導入してもよい。
本発明の作用機序の詳細は不明であるが、多能性幹細胞において、より多くのPAX6タンパク質及びFOXC1タンパク質が存在するような状態にすると、より多くの前述の両タンパク質が前記多能性幹細胞内で転写因子として作用し、該多能性幹細胞が涙腺上皮細胞へ分化誘導されるものと考えられる。
上記工程Aの好ましい態様として、工程Aの多能性幹細胞において、さらに、Six1遺伝子の発現を増加させるか又はSIX1タンパク質を導入することが挙げられる。図1や図3の結果から分かるように、多能性幹細胞において、「Pax6遺伝子の発現を増加させるか又はPAX6タンパク質を導入し」、かつ、「Foxc1遺伝子若しくはFoxp1遺伝子の発現を増加させるか又はFOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質を導入する」と、Six1遺伝子の発現も増加するため、Six1遺伝子の発現を増加させるか又はSIX1タンパク質を導入することは本発明に必須ではないが、涙腺上皮細胞への形態変化をより明確にして、涙腺上皮細胞系への分化の方向性をより明確にさせ得る点で好ましい。なお、本発明の製造方法は、涙腺上皮細胞をインビトロで製造する方法であり、工程A及び工程Bはインビトロで行うことができる。
本発明の製造方法において、「本発明における遺伝子の発現を増加させる」とは、最終的には該遺伝子のタンパク質レベルでの発現を増加させることを意味する。遺伝子の転写レベル(mRNAレベル)の発現を増加させれば、通常、タンパク質レベルでの発現も増加するため、本発明における遺伝子の発現の増加は、タンパク質レベルで確認してもよいし、転写レベル(mRNAレベル)で確認してもよい。
本発明における遺伝子のタンパク質レベルでの発現の増加の有無や程度は、免疫組織学的染色法等の公知の方法により確認することができる。免疫組織学的染色法に用いる標識抗体は、市販のものを用いてもよいし、公知の方法により作製してもよい。また、本発明における遺伝子の転写レベルでの増加の有無や程度は、定量RT−PCR等の公知の方法により確認することができる。定量RT−PCRに用いるプライマーの配列は、当業者であれば、目的とする遺伝子の配列情報に基づいて適宜設計及び作製することができる。ヒトPax6の配列情報のアクセッション番号はNM_000280.4であり、ヒトFoxc1の配列情報のアクセッション番号はNM_001453.2であり、ヒトFoxp1の配列情報のアクセッション番号はNM_032682.5であり、ヒトSix1の配列情報のアクセッション番号はNM_005982.3である。また、これらの配列情報に基づいて設計したプライマーセットの具体例として、配列番号9及び10(ヒトPax6用のプライマーセット)、配列番号11及び12(ヒトFoxc1用のプライマーセット)、配列番号13及び14(ヒトFoxp1用のプライマーセット)、配列番号15及び16(ヒトSix1用のプライマーセット)に示されるヌクレオチド配列からなるプライマーセットを好ましく挙げることができる。
本発明におけるPax6遺伝子としては、
(a−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(b−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d−1)配列番号1に示されるヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチド;
(e−1)配列番号1に示されるヌクレオチド配列において、1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f−1)配列番号1に示されるヌクレオチド配列と少なくとも80%以上の同一性を有するヌクレオチド配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(g−1)配列番号1に示されるヌクレオチド配列と相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつPAX6活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
のいずれかのポリヌクレオチドからなるPax6遺伝子であれば特に制限されず、また、本発明におけるPAX6タンパク質としては、
(A−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質;
(B−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質;
(C−1)配列番号2に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつPAX6活性を有するタンパク質;
のいずれかのタンパク質であれば特に制限されず、ここで、「PAX6活性を有するタンパク質」とは、そのタンパク質、又はそのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又はFOXP1タンパク質と共に多能性幹細胞に導入し、次いで、該細胞を培養した場合に、涙腺上皮細胞を製造し得るタンパク質を意味する。
上記の配列番号1はヒトPax6遺伝子のcDNAのヌクレオチド配列を表し、上記の配列番号2はヒトPAX6タンパク質のアミノ酸配列を表す。Pax6の配列データは、ヒト以外の様々な脊椎動物でもすでに公知となっており、GenBankのような公共のデータバンクに開示されている。例えばマウスについてはBC036957.1に、ラットについてはBC128741.1に、イヌについてはEF141016.1に、ウシについてはBC116038.1に、アフリカツメガエルについてはBC075551.1に、Pax6遺伝子やPAX6タンパク質の配列データが開示されている。
本発明におけるFoxc1遺伝子としては、
(a−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(b−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d−2)配列番号3に示されるヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチド;
(e−2)配列番号3に示されるヌクレオチド配列において、1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f−2)配列番号3に示されるヌクレオチド配列と少なくとも80%以上の同一性を有するヌクレオチド配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(g−2)配列番号3に示されるヌクレオチド配列と相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつFOXC1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
のいずれかのポリヌクレオチドからなるFoxc1遺伝子であれば特に制限されず、また、本発明におけるFOXC1タンパク質としては、
(A−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質;
(B−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質;
(C−2)配列番号4に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつFOXC1活性を有するタンパク質;
のいずれかのタンパク質であれば特に制限されず、ここで、「FOXC1活性を有するタンパク質」とは、そのタンパク質、又はそのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又はPAX6タンパク質と共に多能性幹細胞に導入し、次いで、該細胞を培地で培養した場合に、涙腺上皮細胞を製造し得るタンパク質を意味する。
上記の配列番号3はヒトFoxc1遺伝子のcDNAのヌクレオチド配列を表し、上記の配列番号4はヒトFOXC1タンパク質のアミノ酸配列を表す。Foxc1の配列データは、ヒト以外の様々な脊椎動物でもすでに公知となっており、GenBankのような公共のデータバンクに開示されている。例えばマウスについてはNM_008592.2に、ラットについてはNM_134338.1に、アフリカツメガエルについてはNM_001088214.1やNM_001096377.1に、ハナカケトラザメについてはEU196406.1に、Foxc1遺伝子やFOXC1タンパク質の配列データが開示されている。
本発明におけるFoxp1遺伝子としては、
(a−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(b−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d−3)配列番号5に示されるヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチド;
(e−3)配列番号5に示されるヌクレオチド配列において、1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f−3)配列番号5に示されるヌクレオチド配列と少なくとも80%以上の同一性を有するヌクレオチド配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(g−3)配列番号5に示されるヌクレオチド配列と相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつFOXP1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
のいずれかのポリヌクレオチドからなるFoxp1遺伝子であれば特に制限されず、また、本発明におけるFOXP1タンパク質としては、
(A−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質;
(B−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質;
(C−3)配列番号6に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつFOXP1活性を有するタンパク質;
のいずれかのタンパク質であれば特に制限されず、ここで、「FOXP1活性を有するタンパク質」とは、そのタンパク質、又はそのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又はPAX6タンパク質と共に多能性幹細胞に導入し、次いで、該細胞を培地で培養した場合に、涙腺上皮細胞を製造し得るタンパク質を意味する。
上記の配列番号5はヒトFoxp1遺伝子のcDNAのヌクレオチド配列を表し、上記の配列番号6はヒトFOXP1タンパク質のアミノ酸配列を表す。Foxp1の配列データは、ヒト以外の様々な脊椎動物でもすでに公知となっており、GenBankのような公共のデータバンクに開示されている。例えばマウスについてはNM_053202.2に、ラットについてはNM_001034131.1に、アフリカツメガエルについてはNM_001095533.1に、Foxp1遺伝子やFOXP1タンパク質の配列データが開示されている。
本発明におけるSix1遺伝子としては、
(a−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(b−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d−4)配列番号7に示されるヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチド;
(e−4)配列番号7に示されるヌクレオチド配列において、1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(f−4)配列番号7に示されるヌクレオチド配列と少なくとも80%以上の同一性を有するヌクレオチド配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(g−4)配列番号7に示されるヌクレオチド配列と相補的な塩基配列とストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつSIX1活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
のいずれかのポリヌクレオチドからなるSix1遺伝子であれば特に制限されず、また、本発明におけるSIX1タンパク質としては、
(A−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列からなるタンパク質;
(B−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列において、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質;
(C−4)配列番号8に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつSIX1活性を有するタンパク質;
のいずれかのタンパク質であれば特に制限されない。
ここで、「SIX1活性を有するタンパク質」とは、そのタンパク質(P)又はそのタンパク質(P)をコードするポリヌクレオチドを、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質と、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はFOXC1タンパク質と共に多能性幹細胞に導入し、次いで、該細胞を培地で培養した場合(ケースA)と、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質と、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はFOXC1タンパク質と共に多能性幹細胞に導入し、次いで、該細胞を培地で培養した場合(ケースB)とを比較した際に、ケースAの方がBarx2遺伝子のmRNAレベルの発現量が高く、かつ、涙腺上皮細胞への形態変化がより明確であるタンパク質(P)を意味する。
「ストリンジェントな条件」とは、特異的なハイブリダイゼーションのみが起き、非特異的なハイブリダイゼーションが起きないような条件をいう。このような条件は、通常、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の37℃でのハイブリダイゼーション及び1×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による37℃での洗浄処理といった条件であり、好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の42℃でのハイブリダイゼーション及び0.5×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による42℃での洗浄処理といった条件であり、更に好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の65℃でのハイブリダイゼーション及び0.2×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による65℃での洗浄処理といった条件である。ハイブリダイゼーションを利用することにより得られたDNAが、活性を有するポリペプチドをコードするかどうかは、例えば、そのDNAを大腸菌等に導入し、発現させ、その大腸菌等が目的のタンパク質を生成することができるかどうか調べることによりわかる。ハイブリダイゼーションにより得られるDNAは、各遺伝子と通常、高い同一性を有する。高い同一性とは、90%以上の同一性、好ましくは95%以上の同一性、更に好ましくは98%以上の同一性を指す。
上記の配列番号7はヒトSix1遺伝子のcDNAのヌクレオチド配列を表し、上記の配列番号8はヒトSIX1タンパク質のアミノ酸配列を表す。Six1の配列データは、ヒト以外の様々な脊椎動物でもすでに公知となっており、GenBankのような公共のデータバンクに開示されている。例えばマウスについてはNM_009189.3に、ラットについてはNM_053759.1に、イヌについてはKF381338.1に、アフリカツメガエルについてはBC169929.1に、Six1遺伝子やSIX1タンパク質の配列データが開示されている。
上記「1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列」とは、例えば1〜30個の範囲内、好ましくは1〜20個の範囲内、より好ましくは1〜15個の範囲内、さらに好ましくは1〜10個の範囲内、より好ましくは1〜5個の範囲内、さらに好ましくは1〜3個の範囲内、より好ましくは1〜2個の範囲内の数のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列を意味し、また、上記「1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列」とは、例えば1〜40個の範囲内、好ましくは1〜30個の範囲内、より好ましくは1〜20個の範囲内、さらに好ましくは1〜15個の範囲内、より好ましくは1〜10個の範囲内、より好ましくは1〜5個の範囲内、さらに好ましくは1〜3個の範囲内、より好ましくは1〜2個の範囲内の数のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列を意味する。
例えば、これら1若しくは数個のヌクレオチドが欠失、置換及び/又は付加されたヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチド(変異ポリヌクレオチド)は、化学合成、遺伝子工学的手法、突然変異誘発などの当業者に既知の任意の方法により作製することもできる。具体的には、配列番号1、3、5又は7に示されるヌクレオチド配列からなるポリヌクレオチドに対し、変異原となる薬剤と接触作用させる方法、紫外線を照射する方法、遺伝子工学的な手法等を用いて、これらポリヌクレオチドに変異を導入することにより、変異ポリヌクレオチドを取得することができる。遺伝子工学的手法の一つである部位特異的変異誘発法は特定の位置に特定の変異を導入できる手法であることから有用であり、Molecular Cloning: A laboratory Manual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor,NY.,1989.以後 "モレキュラークローニング第2版" と略す)、Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1〜38,John Wiley & Sons (1987-1997)等に記載の方法に準じて行うことができる。この変異ポリヌクレオチドを適切な発現系を用いて発現させることにより、1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質を得ることができる。
上記「配列番号1、3、5又は7に示されるヌクレオチド配列と少なくとも80%以上の同一性を有するヌクレオチド配列」とは、それぞれ、配列番号1、3、5又は7に示されるヌクレオチド配列との同一性が80%以上であれば特に制限されるものではなく、好ましくは85%以上、より好ましくは88%以上、さらに好ましくは90%以上、さらにより好ましくは93%以上、特に好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上であることを含んでいる。
上記「配列番号2、4、6又は8に示されるアミノ酸配列と少なくとも80%以上の同一性を有するアミノ酸配列」とは、それぞれ、配列番号2、4、6又は8に示されるアミノ酸配列との同一性が80%以上であれば特に制限されるものではなく、好ましくは85%以上、より好ましくは88%以上、さらに好ましくは90%以上、さらにより好ましくは93%以上、特に好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上であることを含んでいる。
上記の本発明における遺伝子の取得方法や調製方法は特に限定されるものでなく、ヒトの本発明における遺伝子の配列情報(Pax6遺伝子:配列番号1; Foxc1遺伝子:配列番号3; Foxp1遺伝子:配列番号5; Six1遺伝子:配列番号7)や、他の生物種の公知のそれらの遺伝子の配列情報に基づいて適当なオリゴヌクレオチドをプローブもしくはプライマーとして合成し、ヒト等の脊椎動物の細胞・組織由来のmRNA、cDNAもしくはcDNAライブラリーから、ハイブリダイゼーション法や(RT−)PCR法(モレキュラークローニング第2版に記載の方法等)を用いてヒト等の脊椎動物の本発明における遺伝子のcDNAをクローニングし、ヒト等の脊椎動物の本発明における遺伝子を取得する方法のほか、常法に従って化学合成により調製することもできる。また、取得した本発明における遺伝子又はそれらの遺伝子の一部をプローブとして用いたハイブリダイゼーション法などにより、その本発明における遺伝子の由来する脊椎動物とは別の種類の脊椎動物から本発明における遺伝子を取得することもできる。
上記の本発明におけるタンパク質の取得方法や、調製方法は特に限定されず、天然由来のタンパク質でも、化学合成したタンパク質でも、遺伝子組換え技術により作製した組み換えタンパク質の何れでもよい。天然由来のタンパク質を取得する場合には、かかるタンパク質を発現している細胞又は組織からタンパク質の単離・精製方法を適宜組み合わせることにより、本発明におけるタンパク質を取得することができる。
配列番号2、4、6又は8に示されるアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換及び/又は付加されたアミノ酸配列からなるタンパク質や、配列番号2、4、6又は8に示されるアミノ酸配列と80%以上の同一性を有するアミノ酸配列からなるタンパク質は、ヒトの本発明におけるタンパク質の配列情報(配列番号2、4、6、8)や、ヒトの本発明における遺伝子の配列情報(配列番号1、3、5、7)や、他の生物種の公知のそれらのタンパク質や遺伝子の配列情報に基づいて、当業者であれば適宜調製又は取得することができる。例えば、ヒトのPax6(配列番号1、2)、Foxc1(配列番号3、4)、Foxp1(配列番号5、6)又はSix1(配列番号7、8)の配列情報や、他の生物種の公知のそれらのタンパク質や遺伝子の配列情報に基づいて適当なオリゴヌクレオチドをプローブもしくはプライマーとして合成し、ヒト等の脊椎動物の細胞・組織由来のmRNA、cDNAもしくはcDNAライブラリーから、ハイブリダイゼーション法や(RT−)PCR法(モレキュラークローニング第2版に記載の方法等)を用いてヒト等の脊椎動物の本発明における遺伝子のcDNAをクローニングし、ヒト等の脊椎動物の本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを取得することができる。また、かかるポリヌクレオチドをプローブとして用いたハイブリダイゼーション法などにより、そのポリヌクレオチドが由来する脊椎動物とは別の種類の脊椎動物から、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを取得することもできる。このようにして得られた本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを発現ベクターに組み込んだ後、適当な宿主細胞に導入して培養し、培養した細胞又はその馴化培地から組換えタンパク質を回収することにより、ヒト等の脊椎動物由来の本発明におけるタンパク質を取得することができる。
上記工程Aにて、多能性幹細胞において、本発明における遺伝子の発現を増加させる方法としては特に制限されず、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入せずに本発明における遺伝子の発現を増加させる方法であってもよいが、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する方法を好適に挙げることができる。かかるポリヌクレオチドとしては、DNAであってもよいしRNAであってもよく、一本鎖であっても二本鎖であってもよく、線状であっても環状であってもよく、本発明におけるタンパク質をコードするゲノムDNA、cDNA、mRNA又はそれらを含むポリヌクレオチドを挙げることができる。なお、配列番号1、3、5、7は、DNA配列として記載しているが、本発明のポリヌクレオチドがRNAである場合は、前述の配列番号のヌクレオチド配列におけるTはUを表す。本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドとしては、例えば、「本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む発現ベクター」(以下、「本発明における発現ベクター」とも表示する。)や、「本発明におけるタンパク質をコードするmRNA」(以下、「本発明におけるmRNA」とも表示する。)を挙げることができ、中でも、臨床応用の際の安全性がより高い点で、「本発明におけるmRNA」を好ましく挙げることができる。「本発明におけるmRNA」は、多能性幹細胞に導入した場合にそのmRNAから直接、本発明におけるタンパク質への翻訳が行われるため、発現を増加させた本発明における遺伝子のポリヌクレオチドが多能性幹細胞のゲノム上に組み込まれてしまう懸念がない。
PAX6タンパク質をコードするmRNAとしては、前述の(a−1)〜(g−1)に示されるポリヌクレオチドからなる群から選択されるいずれかのポリヌクレオチドの3'末端にポリA配列が付加されたポリリボヌクレオチドを挙げることができる。FOXC1タンパク質をコードするmRNAとしては、前述の(a−2)〜(g−2)に示されるポリヌクレオチドからなる群から選択されるいずれかのポリヌクレオチドの3'末端にポリA配列が付加されたポリリボヌクレオチドを挙げることができる。FOXP1タンパク質をコードするmRNAとしては、前述の(a−3)〜(g−3)に示されるポリヌクレオチドからなる群から選択されるいずれかのポリヌクレオチドの3'末端にポリA配列が付加されたポリリボヌクレオチドを挙げることができる。SIX1タンパク質をコードするmRNAとしては、前述の(a−4)〜(g−4)に示されるポリヌクレオチドからなる群から選択されるいずれかのポリヌクレオチドの3'末端にポリA配列が付加されたポリリボヌクレオチドを挙げることができる。なお、前述のポリA配列のヌクレオチド数としては、そのポリリボヌクレオチドを多能性幹細胞に導入した場合に、そのポリリボヌクレオチドがコードするタンパク質に翻訳され得る限り特に制限されないが、例えば30〜300個の範囲内を挙げることができ、50〜250個の範囲内を好ましく挙げることができる。
本発明におけるmRNAは、導入した細胞内でより高い翻訳効率を得る観点から、5'末端にキャップ構造を有していることが好ましい。かかるキャップ構造としては、7−メチルグアノシンを好ましく挙げることができる。
本発明におけるmRNAは、本発明における遺伝子の配列情報に基づいて、常法により作製することができる。例えば化学合成により作製することもできるし、インビトロ転写により作製することもできる。インビトロ転写は、例えば本発明における発現ベクターと、インビトロ転写反応用の市販のキットとを用いて、常法により行うことができる。
本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチド(例えば、「本発明における発現ベクター」や、「本発明におけるmRNA」など)を多能性幹細胞に導入する方法としては、該ポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入できる方法である限り特に制限されないが、リポフェクション法、リポソーム法、エレクトロポレーション法、リン酸カルシウム共沈殿法、DEAE(ジエチルアミノエチル)デキストラン法、マイクロインジェクション法、遺伝子銃法などを挙げることができ、中でも、操作が簡便であり、かつ、ポリヌクレオチドの導入効率が高いことから、リポフェクション法が好ましく挙げられる。リポフェクション法を用いたトランスフェクションは、Lipofectamine(日本登録商標)(Life Technologies社製)、LipoTAXI(日本登録商標)(アジレント・テクノロジー社製)等の市販の試薬を添付の取扱説明書にしたがって用いることによって行うことができる。リポフェクション法を用いてポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する際、該ポリヌクレオチドと多能性幹細胞を接触させる時間の長さとしては、例えば0.5〜4時間の範囲内、好ましくは1〜3.5時間の範囲内、より好ましくは1.5〜3時間の範囲内を挙げることができる。
本発明における発現ベクターがウイルスベクターの場合は、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むプラスミドを適当なパッケージング細胞(HEK293T細胞など)に導入して、培養上清中に産生されるウイルスベクターを回収し、各ウイルスベクターに応じた適切な方法により、該ベクターを多能性幹細胞に感染させることができる。例えば、ベクターとしてレンチウイルスベクターを用いる場合の具体的手段については、Science,318, 1917-1920 (2007)などを参照することができ、レトロウイルスベクターを用いる場合については、WO2007/69666、Cell, 126, 663-676 (2006) 及びCell, 131, 861-872 (2007)などを参照することができ、アデノウイルスベクターを用いる場合については、Science, 322, 945-949 (2008)を参照することができる。
前述したように、本発明の製造方法においては、多能性幹細胞において本発明における遺伝子の発現を増加してもよいし、多能性幹細胞において本発明におけるタンパク質を導入してもよい。また、本発明における遺伝子のうち、一部の種類の遺伝子の発現を多能性幹細胞において増加させ、残りの種類の遺伝子に対応するタンパク質を多能性幹細胞に導入してもよいし、本発明における遺伝子のうち、一部又は全部の種類の遺伝子について、多能性幹細胞において遺伝子の発現を増加させ、かつ、その遺伝子に対応するタンパク質を多能性幹細胞に導入してもよい。
本発明におけるタンパク質を多能性幹細胞に導入する方法としては、本発明におけるタンパク質を多能性幹細胞に導入できる方法である限り特に制限されないが、例えば、タンパク質導入試薬を用いる方法、タンパク質導入ドメイン(PTD)−又は細胞膜透過ペプチド(CPP)−融合タンパク質を用いる方法、マイクロインジェクション法などを挙げることができる。タンパク質導入試薬としては、カチオン性脂質をベースとしたBioPOTER Protein Delivery Reagent(Gene Therapy Systems社製)、Pro-JectTM Protein Transfection Reagent(PIERCE社製)及びProVectin(IMGENEX社製)、脂質をベースとしたProfect-1(Targeting Systems社製)、膜透過性ペプチドをベースとしたPenetratin Peptide(Q biogene社製)及びChariot Kit(Active Motif社製)、HVJエンベロープ(不活化センダイウイルス)を利用したGenomONE(石原産業社製)等が市販されている。導入はこれらの試薬に添付のプロトコルに従って行うことができるが、一般的な手順は以下の通りである。本発明におけるタンパク質を適当な溶媒(例えば、PBS、HEPES等の緩衝液)に希釈し、導入試薬を加えて室温で5〜15分程度インキュベートして複合体を形成させ、これを無血清培地に交換した細胞に添加して37℃で1ないし数時間インキュベートすることができる。
上記のマイクロインジェクションは、先端径1μm程度のガラス針にタンパク質溶液を入れ、細胞に穿刺導入する方法であり、確実に細胞内にタンパク質を導入することができる。
本発明の製造方法において、本発明における遺伝子の発現を増加させる程度としては、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、転写レベル(mRNAレベル)及び/又はタンパクレベルで、例えば、増加させる前と比較して10倍以上(例えば10倍以上50倍未満)に、少なくともある時点(好ましくは、発現を増加させる操作を多能性幹細胞に施してから5日以内)までに少なくとも1度は到達することを挙げることができる。多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り、本発明における遺伝子の発現を増加させる程度は、本発明における遺伝子毎に同じであっても異なっていてもよく、転写レベル(mRNAレベル)及び/又はタンパクレベルで、例えば、Pax6遺伝子:Foxc1遺伝子が、1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内を挙げることができる。また、Six1遺伝子の発現も増加させる場合の発現の増加の程度としては、Pax6遺伝子:Six1遺伝子が、1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1.0:0.8〜0.8:1.0の範囲内を挙げることができる。また、Foxc1遺伝子に代えて、又はFoxc1遺伝子と共に、Foxp1遺伝子の発現を増加させる場合の発現の増加の程度としては、Pax6遺伝子:Foxp1遺伝子が、1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1.0:0.8〜0.8:1.0の範囲内を挙げることができる。
本発明におけるタンパク質や、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドの多能性幹細胞への導入量としては、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、本発明におけるタンパク質の導入量については、多能性幹細胞1cellに対して、本発明におけるタンパク質1種類当たり、例えば、0.001pg〜100ngの範囲内を挙げることができる。本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドの導入量としては、発現ベクターを含むか否か、一本鎖か二本鎖かなどのポリヌクレオチドの態様によっても左右されるが、多能性幹細胞1cellに対して、該ポリヌクレオチド1種類当たり、例えば、0.5pg〜50ngの範囲内、好ましくは5pg〜10ngの範囲内を挙げることができる。また、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドがmRNAである場合の導入量としては、多能性幹細胞1cellに対して、該mRNA 1種類当たり、例えば、0.1pg〜10ngの範囲内、好ましくは1pg〜1ngの範囲内を挙げることができ、より好ましくは3pg〜300pgの範囲内を挙げることができる。
多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り、本発明におけるタンパク質の導入量は、本発明におけるタンパク質の種類毎に同じであっても異なっていてもよく、例えば、PAX6タンパク質:FOXC1タンパク質が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。また、SIX1タンパク質も導入する場合の導入比率としては、PAX6タンパク質:SIX1タンパク質が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。また、FOXC1タンパク質に代えて、又はFOXC1タンパク質と共に、FOXP1タンパク質を導入する場合の導入比率としては、PAX6タンパク質:FOXP1タンパク質が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。
多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り、本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチドの導入量は、そのポリヌクレオチドの種類毎に同じであっても異なっていてもよく、例えば、Pax6:Foxc1が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。また、SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチドも導入する場合は、Pax6:Six1が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。また、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチドに代えて、又はFOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチドと共に、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを導入する場合の導入比率としては、Pax6:Foxp1が、重量比で1.0:0.1〜0.1:1.0の範囲内、好ましくは1.0:0.5〜0.5:1.0の範囲内、より好ましくは1:0.8〜0.8:1.0の範囲内であることを挙げることができる。
本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は本発明におけるタンパク質を多能性幹細胞に導入する場合、各ポリヌクレオチド又は各タンパク質の多能性幹細胞への導入は、同時であっても、逐次であってもよく、また、一部が同時で他の残りについて逐次であってもよい。導入が逐次である場合の導入順序としては、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、
[1]「PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は、PAX6タンパク質」:
[2]「FOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は、FOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質」:
の順であることが好ましく、またさらに
[3]「SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は、SIX1タンパク質」を逐次導入する場合は、上記[1]と[2]の間や、上記[2]の後や、上記[1]と同時や、上記[2]と同時であることを挙げることができる。
上記[1]の導入と、上記[2]の導入との間隔としては、1〜24時間以内が好ましく、1〜10時間以内がより好ましく、1〜5時間以内がさらに好ましい。また、上記[3]を導入する場合における、上記[1]の導入と、上記[3]の導入との間隔としては、1〜24時間以内が好ましく、1〜10時間以内がより好ましく、1〜5時間以内がさらに好ましい。また、上記[3]を導入する場合における上記[2]の導入と、上記[3]の導入との間隔としては、1〜24時間以内が好ましく、1〜10時間以内がより好ましく、1〜5時間以内がさらに好ましく、1〜3時間以内がより好ましい。
本発明におけるタンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は本発明におけるタンパク質を多能性幹細胞に導入する場合の各ポリヌクレオチド又は各タンパク質の多能性幹細胞への導入回数としては、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されず、各ポリヌクレオチド又は各タンパク質について1回であってもよいが、導入するポリヌクレオチドのいずれか若しくはすべて、又は、導入するタンパク質のいずれか又はすべてについて2回以上(好ましくは2〜4回、より好ましくは2又は3回、さらに好ましくは2回)とすることもできる。このように、各ポリヌクレオチド又は各タンパク質の導入回数を2回以上とすることは、特に、導入するものがmRNAである場合やタンパク質である場合に好ましい場合がある。本発明における発現ベクターを導入した場合とは異なり、本発明におけるmRNAや本発明におけるタンパク質を導入した場合は、導入から24時間程度で、そのmRNAから生成したタンパク質や、導入したタンパク質が細胞内からほとんど無くなるので、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞を製造するために、2回以上導入することが好ましい場合がある。
本発明におけるmRNA又は本発明におけるタンパク質を導入する場合は、各mRNA又は各タンパク質について、12〜36時間毎(好ましくは18〜30時間毎)に2回以上(好ましくは2〜4回、より好ましくは2又は3回、さらに好ましくは2回)、同種のmRNA又は同種のタンパク質を導入する態様を好ましく挙げることができる。
本発明におけるmRNA又は本発明におけるタンパク質を逐次導入する場合の好適な態様としては、例えば、「PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質」を導入してから1〜10時間以内(好ましくは1〜5時間以内)に、「FOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は、FOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質」、好ましくはさらに「SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチド、又は、SIX1タンパク質」を導入するという工程を、12〜36時間以内(好ましくは18〜30時間以内)に再度繰り返す態様を挙げることができる。
上記工程Aで、本発明における遺伝子の発現を増加させるか、又は、本発明におけるタンパク質を導入する場合において、その増加方法又はその導入方法に特に必要となる成分以外の培地成分としては特に制限されず、例えば、市販の多能性幹細胞増殖用培地を用いることができる。かかる多能性幹細胞増殖用培地としては、STEM FIT(日本登録商標)(味の素社製)、Essential 8TM Medium(Life Technologies社製)、HyCell-STEMTM Media(GEヘルスケア社製)などを挙げることができ、多能性幹細胞をより効率良く増殖する観点から、Y27632等のROCK(Rho-associated coiled-coil forming kinase/Rho結合キナーゼ)阻害剤、及び/若しくは、B18Rタンパク質が添加された、又は、含有する多能性幹細胞増殖用培地を好ましく挙げることができ、Y27632等のROCK阻害剤及びB18Rタンパク質が添加された、又は、含有する多能性幹細胞増殖用培地をより好ましく挙げることができ、Y27632及びB18Rタンパク質が添加されたSTEM FIT(日本登録商標)(味の素社製)をさらに好ましく挙げることができる。なお、本段落に記載された多能性幹細胞増殖用培地や、その好適な態様の培地は、上記工程Aで、本発明における遺伝子の発現を増加させるか、又は、本発明におけるタンパク質を導入する前に、多能性幹細胞を培養するときにも好適に用いることができる。
Y27632等のROCK阻害剤は、多能性幹細胞の細胞分散時の細胞死を抑制する活性や、多能性幹細胞の未分化状態をより長く維持させる活性を有することが知られており、多能性幹細胞増殖用培地に添加されることも多い。工程Aに用いる培地中の、Y27632等のROCK阻害剤の濃度としては、例えば、0.1〜1000μMの範囲内、好ましくは1〜100μMの範囲内、より好ましくは5〜20μMの範囲内を挙げることができる。Y27632等のROCK阻害剤は市販のものを用いることができ、例えば、Y27632(和光純薬工業社製)を用いることができる。
B18Rタンパク質は、I型インターフェロンを強力に中和する活性を有するタンパク質であり、ポリヌクレオチドやタンパク質を導入した後の細胞死を抑制することが知られている。工程Aに用いる培地中のB18Rタンパク質の濃度としては、例えば、2.5ng/mL〜25μg/mLの範囲内、好ましくは25ng/mL〜2.5μg/mLの範囲内、より好ましくは0.125〜0.5μg/mLの範囲内を挙げることができる。B18Rタンパク質は市販のものを用いることができ、例えばアフィメトリクス・ジャパン株式会社製のものを用いることができる。
本発明の製造方法において細胞を培養する際には、多能性幹細胞を培養する際に通常用いられる培養ディッシュ(Nunc社や、Corning社等)を用いることができ、かかる培養ディッシュとしては、細胞外マトリックスでコーティングされた培養ディッシュを好ましく挙げることができる。細胞外マトリックスとしては、ラミニン、コラーゲン、フィブロネクチン又はそれらの組合せなどを挙げることができる。
本発明の製造方法に用いる多能性幹細胞の種類としては、本発明の製造方法により涙腺上皮細胞を製造し得る細胞である限り特に制限されず、例えばES細胞、iPS細胞などを好適に挙げることができる。上記多能性幹細胞の由来となる生物種としては、脊椎動物である限り特に制限されず、該脊椎動物としては、哺乳動物、鳥類、爬虫類、両生類、魚類等を挙げることができ、中でも、ヒト、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、ネコ、イヌ、ウマ、ウシ、サル、ヒツジ、ヤギ、ブタ等の哺乳動物を好ましく挙げることができ、中でもヒトを特に好ましく挙げることができる。
本発明の製造方法に用いるES細胞やiPS細胞は、RIKEN Bioresource Center CELL BANK、独立行政法人医薬基盤研究所 JCRB細胞バンクなどから入手することができる。また、ES細胞やiPS細胞は作製してもよい。ES細胞の作製方法は特に制限されず、現在公知の作製方法を用いてもよいし、今後新たに開発される方法を用いてもよいが、例えば、対象脊椎動物の受精卵の胚盤胞から内部細胞塊を取り出し、内部細胞塊を線維芽細胞のフィーダー上で培養することによって樹立することができる。また、iPS細胞の作製方法も特に制限されず、現在公知の作製方法(再表2009/075119、特表2011−529329、特表2011−529330、特表2012−507258、特表2013−501505、特表2013−519371、特表2013−544069)を用いてもよいし、今後新たに開発される作製方法を用いてもよい。
本発明の製造方法は、好ましくは、工程Aで得られた細胞を、培地で培養する工程Bを有している。工程Aで得られた細胞を、例えば、角化細胞(角膜上皮細胞)増殖用培地で培養すると、涙腺上皮細胞を製造することができる。
角化細胞増殖用培地とは、角化細胞を増殖及び維持できる培地を意味するが、便宜上、工程Aで得られた細胞を培養した場合に涙腺上皮細胞を製造し得るいかなる培地をも含む。かかる角化細胞増殖用培地としては、角化細胞を一定期間生存させ得る角化細胞基本培地に、添加因子が添加された培地を好ましく挙げることができる。かかる添加因子としては、上皮成長因子(EGF)、コレラトキシン等を好ましく挙げることができる。上皮成長因子やコレラトキシンは市販のものを用いることができ、例えばそれぞれ、Peprotech社製、List Biological Laboratories社製のものを用いることができる。上記上皮成長因子の使用濃度としては、涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、例えば0.1〜1000ng/mLの範囲内、好ましくは1〜100ng/mLの範囲内、より好ましくは5〜20ng/mLの範囲内を挙げることができる。また、上記コレラトキシンの使用濃度としては、涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、1μg/mL〜10mg/mLの範囲内、好ましくは10μg/mL〜1mg/mLの範囲内、より好ましくは50μg/mL〜200μg/mLの範囲内を挙げることができる。
また、涙腺上皮細胞のより良い製造効率を得る観点から、本発明における角化細胞増殖用培地のカルシウム濃度の上限は0.15mM以下であることが好ましく、0.10mM以下であることがより好ましい。また、カルシウム濃度は0mMであってもよいが、0.03mM以上であることが好ましい。
上記の角化細胞基本培地とは、角化細胞を一定期間生存させ得る培地を意味するが、便宜上、工程Aで得られた細胞を培養した場合にかかる細胞を一定期間生存させ得るいかなる培地をも含む。かかる角化細胞基本培地としては、例えば、1又は2種類以上の糖(類)と、1又は2種類以上の無機塩(類)、1又は2種類以上のアミノ酸(類)、及び1又は2種類以上のビタミン(類)、及び1又は2種類以上のその他成分を含むことが好ましい。
上記糖類としては、具体的には、グルコース、マンノース、フルクトース、ガラクトース等の単糖類や、スクロース、マルトース、ラクトース等の二糖類を挙げることができるが、中でもグルコースが特に好ましく、これら糖類は、1又は2以上組み合わせて添加することもできる。
上記無機塩類としては、具体的には、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、硫酸銅五水和物、硝酸鉄(III)九水和物、硫酸鉄(II)七水和物、塩化マグネシウム六水和物、硫酸マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム二水和物、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム一水和物、リン酸二水素ナトリウム二水和物、亜セレン酸ナトリウム五水和物、硫酸亜鉛七水和物から選ばれる1種又は2種以上の無機塩(類)を挙げることができるが、多能性幹細胞からの涙腺上皮細胞の製造に有利に作用する成分であればいずれの無機塩類又はその組合せも用いることができる。
上記アミノ酸類としては、具体的には、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、シスチン、システイン、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、グルタミン酸、ヒドロキシプロリン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン等から選ばれる1種又は2種以上のアミノ酸(類)、好ましくはL−体のアミノ酸とそれらの誘導体及びそれらの塩並びにそれらの水和物などの派生物を挙げることができる。
上記ビタミン類としては、具体的には、ビオチン、コリン、葉酸、イノシトール、ナイアシン、パントテン酸、ピリドキシン、リボフラビン、チアミン、ビタミンB12、パラアミノ安息香酸(PABA)、アスコルビン酸から選択される1種又は2種以上のビタミン(類)と、これらの成分各々の誘導体及びそれらの塩並びにそれらの水和物などの派生物を挙げることができる。
上記その他成分としては、HEPES等の緩衝剤、ヌクレオチド等の核酸、ピルビン酸、及びその誘導体及びそれらの塩並びにそれらの水和物などの派生物、フェノールレッドなどを挙げることができ、上記ヌクレオチドとしては、ATP、UTP、GTP、CTP、好ましくはこれら4種の等モル混合物を好ましく挙げることができ、ピルビン酸の派生物としてはピルビン酸ナトリウムを好ましく挙げることができる。
上記角化細胞基本培地の具体例としては、DKSFM培地(defined keratinocyte serum-free medium)(Life Technologies社製)、EpiLife(日本登録商標)培地を挙げることができ、中でも、DKSFM培地を好ましく挙げることができる。なお、DKSFM培地のカルシウム濃度は、0.10mM以下である。
本発明の製造方法に用いる特に好ましい角化細胞増殖用培地としては、上記DKSFM培地に、0.1〜1000ng/mLの範囲内、好ましくは1〜100ng/mLの範囲内、より好ましくは5〜20ng/mLの範囲内の上皮成長因子、及び、1μg/mL〜10mg/mLの範囲内、好ましくは10μg/mL〜1mg/mLの範囲内、より好ましくは50〜200μg/mLの範囲内のコレラトキシンを添加した培地を挙げることができる。
上記工程Aで得られた細胞について、培地(特に、角化細胞増殖用培地)での培養を開始する時期としては、涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、工程Aでの本発明における遺伝子又はタンパク質の導入を終了してから、例えば、0〜36時間後の範囲内を挙げることができ、涙腺上皮細胞のより良い製造効率を得る観点から、12〜24時間後の範囲内を好ましく挙げることができる。また、上記の培養の開始時期を別の側面から挙げると、工程Aでの本発明における遺伝子又はタンパク質の最初の導入の開始から、8〜48時間後の範囲内を挙げることができ、涙腺上皮細胞のより良い製造効率を得る観点から、12〜36時間後の範囲内を好ましく挙げることができる。
工程Bにおいて、細胞を培地(特に、角化細胞増殖用培地)で培養する期間としては、涙腺上皮細胞を製造し得る限り特に制限されないが、あまり長期間の培養は涙腺上皮細胞の製造効率を低下させるため、2〜6日間の範囲内を挙げることができ、2〜3日間の範囲内を好ましく挙げることができる。
本発明において製造する「涙腺上皮細胞」とは、1種又は2種以上(好ましくは3種以上)の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現が上昇しており、かつ、涙腺間葉細胞と共に涙腺器官に誘導され得る細胞を意味する。上記の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子としては、FGF5(線維芽細胞増殖因子5)、LEFTY2(左右決定因子2)、FGF10(線維芽細胞増殖因子10)、Barx2(Barxホメオボックス2)、Krt15(サイトケラチン15)、AQP5(アクアポリン5)、LTF(ラクトフェリン)を挙げることができる。「涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現が上昇している」細胞とは、本発明における遺伝子の発現を増加させる前か、又は本発明におけるタンパク質を導入する前の細胞における涙腺上皮細胞マーカー遺伝子のmRNA又はタンパク質の発現レベルと比較して、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子のmRNA又はタンパク質の発現レベルが上昇している細胞を意味する。
また、ある細胞が、上記の「涙腺間葉細胞と共に涙腺器官に誘導され得る細胞」かどうかは、例えば、その細胞を涙腺原基と共培養することにより確認することができ、かかる共培養の方法としては、非特許文献1に記載の方法を好ましく挙げることができる。
<本発明の涙腺上皮細胞>
本発明の涙腺上皮細胞としては、本発明の製造方法により製造される涙腺上皮細胞である限り特に制限されない。本発明の製造方法における記載や好適な態様は、本発明の涙腺上皮細胞においても適用される。
<分化誘導用試薬キット>
本発明における多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用試薬キット(以下、「本発明の分化誘導用試薬キット」とも表示する。)としては、以下の(a)及び(b)を含んでいる限り特に制限されない。本発明の分化誘導用試薬キットは、以下の(a)及び(b)を、特定の用途(多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用の試薬キット)に用いる用途発明であり、以下の(a)及び(b)の単なる組合せの発明ではない。
(a)PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質:
(b)FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXC1タンパク質、又は、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXP1タンパク質。
本発明の分化誘導用試薬キットは、さらに(c)SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はSIX1タンパク質を含んでいることが好ましい。
本発明の分化誘導用試薬キットにおけるポリヌクレオチドとしてはmRNAを好ましく挙げることができる。
本発明の分化誘導用試薬キットに含まれるポリヌクレオチドや、タンパク質の重量比としては、本発明の製造方法における前述のポリヌクレオチドやタンパク質の導入量の重量比を挙げることができる。
本発明の製造方法における記載や好適な態様は、本発明の分化誘導用試薬キットにおいても適用される。
以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
1.涙腺上皮細胞に特異的に発現する因子の解析
幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導に関連する因子を特定するために、マウスの涙腺原基から分離した涙腺上皮細胞における遺伝子発現を、市販のDNAマイクロアレイにより網羅的に解析した。解析により得られたその発現様式を、涙腺原基由来の涙腺上皮と涙腺間葉、ハーダー腺原基由来のハーダー腺上皮とハーダー腺間葉、胎生期眼瞼結膜上皮と間葉、成体涙腺と成体ハーダー腺の発現様式と比較し、涙腺上皮細胞に特異的と思われる遺伝子を探索した。本発明者らは、これらの遺伝子の中から、涙腺上皮細胞で特に高発現している転写因子遺伝子として、Six2遺伝子とFoxc1遺伝子を見いだした。
それら以外にも、涙腺上皮細胞への分化誘導に関連している可能性のある転写因子を模索するために、Six2遺伝子と同様の挙動を示す転写因子を前述の発現様式から探索した結果、本発明者らは、Six1遺伝子、Six4遺伝子及びFoxc2遺伝子を見いだした。また、本発明者らは、Pax6遺伝子にも着目した。さらに、本発明者らは、Foxc1遺伝子と同様の発現傾向を示す転写因子遺伝子として、Foxp1遺伝子、Runx1遺伝子、ILF2遺伝子にも着目した。
以上のことから、本発明者らは、多能性幹細胞を涙腺上皮細胞へ分化誘導し得る転写因子の候補として、9種類の遺伝子、すなわち、Six2遺伝子、Foxc1遺伝子、Six1遺伝子、Six4遺伝子、Foxc2遺伝子、Pax6遺伝子、Foxp1遺伝子、Runx1遺伝子、ILF2遺伝子を見いだした。
また、涙腺上皮細胞において特徴的な細胞表面タンパク質を調べるために、マウスの涙腺原基から分離した涙腺上皮細胞における各種サイトケラチンの遺伝子発現を、市販のDNAマイクロアレイにより解析した。解析により得られたその発現様式を、周辺類縁組織の細胞における発現様式と比較し、涙腺上皮細胞に特徴的と思われるサイトケラチンを探索した。その結果、本発明者らは、サイトケラチン15の遺伝子(Krt15遺伝子)を見いだした。Krt15が涙腺上皮細胞に特徴的に発現することはこれまでに知られておらず、Krt15遺伝子は、新たな涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の1つであることが示された。
抗Krt15ポリクローナル抗体で涙腺上皮細胞を染色したところ、サイトケラチン15が涙腺上皮細胞表面に実際に発現されていることが確認された。
2.多能性幹細胞を涙腺上皮細胞へ分化誘導し得る転写因子の探索
多能性幹細胞を涙腺上皮細胞へ分化誘導し得る転写因子を探索するために、実施例1で見いだされた9種類の候補遺伝子(Six2遺伝子、Foxc1遺伝子、Six1遺伝子、Six4遺伝子、Foxc2遺伝子、Pax6遺伝子、Foxp1遺伝子、Runx1遺伝子、ILF2遺伝子)のmRNAを作製し、そのmRNAを多能性幹細胞に導入して、涙腺上皮細胞へ分化誘導できるかどうかを確認した。
[候補遺伝子のmRNAの作製]
ヒトにおける上記の9種類の候補遺伝子の配列情報を、NCBIのウェブサイトから入手し、それぞれの配列情報に基づいて、それぞれの遺伝子を増幅し得るプライマーセットを作製した。なお、候補遺伝子のうち、ヒトPax6の配列情報のアクセッション番号はNM_000280.4であり、ヒトFoxc1の配列情報のアクセッション番号はNM_001453.2であり、ヒトFoxp1の配列情報のアクセッション番号はNM_032682.5であり、ヒトSix1の配列情報のアクセッション番号はNM_005982.3である。また、9種の候補遺伝子のうち、これら4種の候補遺伝子を増幅し得るプライマーセットのヌクレオチド配列の配列番号を以下の表1に示す。
ヒトのゲノム配列を鋳型とし、前述の各プライマーセットを用いてPCRを行い、各目的遺伝子のDNA断片をそれぞれ増幅した。増幅したDNA断片をそれぞれpCR2-UTR-R1R2プラスミドベクターに組み込んだ後、そのDNA断片が目的遺伝子のものであることを確認した。各遺伝子を含む各プラスミドベクターから目的遺伝子を精製し、インビトロ転写用の鋳型とした。この鋳型に、GTP、ATP、Me-CTP、Pseudo UTP、tail sequenceを添加して、インビトロ転写反応を行った(AMBION IVT KIT、Life Technologies社製)。インビトロ転写反応により生成した人工mRNAをそれぞれ精製した後、シーケンサーで配列を確認し、前述の9種類の候補遺伝子のmRNAを得た。
[多能性幹細胞への人工mRNAの導入]
多能性幹細胞であるヒトES細胞を用意した。ラミニンでコーティングした培養ディッシュ(Corning社製)に培地を添加し、ES細胞を1×10cells/cm2となるように播種して培養を開始した。この培地としては、多能性幹細胞用培養液であるSTEM FIT(登録商標)(味の素社製)に、10μMのY27632(和光純薬工業社製)を添加した培地を用いた。培養開始の翌日(培養開始後1日目)に、0.25μg/mLのB18Rタンパク質(アフィメトリクス・ジャパン株式会社製)を含むSTEM FIT(登録商標)へ培地を交換した。その後、候補遺伝子のmRNA、Lipofectamin(登録商標)2000(Life Technologies社製、Opti-MEM(登録商標)(Life Technologies社製)がそれぞれ1μg/3cm、2μL/3cm、200μL/3cmとなるように培地へ添加、混合し、2時間培養を続けることで、候補遺伝子のmRNAをES細胞に導入した(すなわち、1回目の導入)。なお、培養ディッシュ1cm当たりの細胞数は約1万であったため、前述の候補遺伝子のmRNAの培地への添加量は33.33pg/1cellとなる。
候補遺伝子のmRNAとして、1種類の候補遺伝子のmRNAを用いた場合は、1回目の導入の終了から3時間後に、同じ種類の候補遺伝子のmRNAを(1μg/3cm)培地に添加、混合し、2時間培養を続けることで、そのmRNAのES細胞への2回目の導入を行った。
一方、候補遺伝子のmRNAとして、2種類又は3種類の候補遺伝子のmRNAを用いた場合は、1種類目の候補遺伝子のmRNAの導入(1回目の導入)の終了から3時間後に、「2種類目の候補遺伝子のmRNA(1μg/3cm)」、又は、「2種類目及び3種類目の候補遺伝子のmRNA(候補遺伝子mRNA1種類につき、1μg/3cm)」を培地に添加、混合し、2時間培養を続けることで、「2種類目の候補遺伝子のmRNA」、又は、「2種類目及び3種類目の候補遺伝子のmRNA」をES細胞に導入した。
導入した候補遺伝子のmRNAが1〜3種類のいずれの場合にも、導入初日に行ったmRNAの導入操作(合計2回の導入)と同じ操作を、その翌日(導入開始後1日目、すなわち、培養開始後2日目)も繰り返した。
なお、mRNAを上記方法でES細胞に導入した場合に、そのmRNAが細胞内で実際に翻訳されてタンパク質が生成することは、そのタンパク質について蛍光染色することにより既に確認している。また、mRNAを導入したことにより生成したタンパク質は、導入から24時間程度でほとんど無くなることも確認した。
[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]
mRNAの導入開始後2日目(培養開始後3日目)に、DKSFM培地(Life Technologies社製)に10ng/mLの上皮成長因子(EGF)(Peprotech社製)及び100μg/mLのコレラトキシン(List Biological Laboratories社製)を添加した培地へ、培地を交換し、培養を継続した。
[涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現増加の有無の確認]
候補遺伝子のmRNAを導入した後、上記の[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]の方法にしたがって、角化細胞増殖用培地で培養した。mRNAの導入開始後2日目(day2)(培養開始後3日目)又は5日目(day5)(培養開始後6日目)に細胞を分離し、かかる細胞内で涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現が増加しているかをmRNAレベル(転写レベル)で確認した。また、陰性対照として、mRNAの導入日(培養開始後1日目)の、mRNA導入前の細胞における前記マーカー遺伝子の発現レベル(「hES day0」)や、mRNAを導入しなかったこと以外は同様に処理して培養したday6の細胞における前記マーカー遺伝子の発現レベル(「hES DKSFM day6」)も測定した。なお、前述の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子としては、Pax6、Six1、Foxc1、Foxp1、FGF5、LEFTY2、FGF10、Barx2、Krt15、AQP5を用いた。
涙腺上皮細胞マーカー遺伝子のmRNAの発現レベルは、細胞よりtotal RNAを抽出し、Takara SYBR(日本登録商標)Premix Ex TaqTM II(Takara Bio)、Thermal Cycler Dice(日本登録商標)Real Time System (Takara Bio)を用いてリアルタイムPCR法を行うことによって測定した。
上記の[多能性幹細胞への人工mRNAの導入]の方法にしたがって、前述の9種類の候補遺伝子のmRNAを、それぞれ1種類ずつ多能性幹細胞に導入し、次いで、上記の[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]の方法にしたがって、角化細胞増殖用培地で培養した。しかし、いずれの候補遺伝子のmRNAを導入した場合も、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現増加は見られなかった。このことから、これら候補遺伝子は1種類のみの発現を増加させても、涙腺上皮細胞へ分化誘導できないことが示された。
次に、9種類の候補遺伝子のうち、2種類ずつの候補遺伝子のmRNAを導入することを試みた。試みた組合せのうちの一部の組合せと、その場合の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現増加の有無を以下の表2に記載する。さらに、導入した候補遺伝子のmRNAが「Pax6/Foxc1」の場合の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを図1及び2に示し、「Pax6/Foxp1」の場合の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを図3及び4に示す。なお、候補遺伝子の組合せのうち、左に記載されている遺伝子名が、導入初日の1回目にmRNAを導入した候補遺伝子であり、右に記載されている遺伝子名が、導入初日の2回目にmRNAを導入した候補遺伝子である。なお、導入初日の導入操作と同様の操作を、導入の翌日(導入開始後1日目)も繰り返した。
表2及び図1〜4の結果等から分かるように、導入した候補遺伝子のmRNAが特定の組合せの場合、すなわち、「Pax6/Foxc1」の場合と「Pax6/Foxp1」の場合のみ、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現増加が確認できた。さらに、「Pax6/Foxp1」の場合の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを確認すると、Foxc1の発現が増加していることから、FOXP1タンパク質は、シグナル伝達経路において、FOXC1タンパク質よりも上流で機能する転写因子であることが示された。これらの結果から、多能性幹細胞に導入することによって、涙腺上皮細胞へ分化誘導させるのに必須の転写因子は、PAX6とFOXC1であることが示された。
なお、Pax6 mRNA、Foxc1 mRNAをES細胞に導入した後、上記の[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]の方法にしたがって、角化細胞増殖用培地で培養した。mRNAの導入開始後5日目に細胞を分離し、涙腺上皮細胞マーカータンパク質の発現を免疫組織学的染色法により確認した。その結果、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子のmRNAの発現に対応する各タンパク質の発現が確認できた。
[3種類の転写因子のmRNAの導入]
前述の実験により、多能性幹細胞に導入することによって、涙腺上皮細胞へ分化誘導させるのに必須の転写因子は、PAX6とFOXC1であることが示されたが、その2種の転写因子のmRNAに加えて、別のもう1種(3種目)の転写因子のmRNAを導入した場合に、よりよい結果が得られる転写因子があるかどうかを探索した。
3種目の転写因子のmRNAとして、Six1、Runx1又はILF2などのmRNAを用いた。上記の[多能性幹細胞への人工mRNAの導入]の方法にしたがって、3種類の転写因子のmRNAをES細胞に導入し、次いで、上記の[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]の方法にしたがって、角化細胞増殖用培地で培養した。mRNAの導入開始後5日目に細胞を分離し、上記の[涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現増加の有無の確認]の方法にしたがって、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを測定した。その結果、3種目の転写因子のmRNAとして、Six mRNAを用いた場合が好ましいことが示された。Pax6 mRNA、Foxc1 mRNA及びSix1 mRNAの3種のmRNAをES細胞に導入した場合の涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現レベルを図5〜7に示す。Pax6 mRNA、Foxc1 mRNA及びSix1mRNAの3種のmRNAをES細胞に導入した場合は、Pax6 mRNA及びFoxc1 mRNAの2種のmRNAを導入した場合と比較して、day5のPax6、day5のSix1、day2及び5のFoxc1、day5のBarx2、day5のKrt15、及び、day2のAQP5の発現が増加していた(図1及び2と、図5及び6参照)。
[特定の3種類の転写因子のmRNAを導入した場合における、涙腺上皮細胞マーカータンパク質の発現の確認]
特定の3種類の転写因子(PAX6、FOXC1、SIX1)のmRNAをES細胞に導入し、次いで、角化細胞増殖用培地で培養した細胞において、涙腺上皮細胞マーカーの発現が増加していることは先に述べたとおりである。mRNAの導入開始後5日目の細胞において涙腺上皮細胞マーカータンパク質が実際に発現しているかを免疫組織学的染色法により確認した。確認する涙腺上皮細胞マーカータンパク質としては、LTF(ラクトフェリン)、KRT15(サイトケラチン15)、AQP5(アクアポリン5)、FGF10(線維芽細胞増殖因子10)、BARX2を対象とした。かかる免疫組織学的染色の結果を図8に示す。
図8の結果から分かるように、いずれの涙腺上皮細胞マーカータンパク質も、細胞において実際に発現していることが示された。
3.特定の転写因子のmRNAを導入することによる、ヒトES細胞の形態変化等の確認
実施例2において、特定の2種又は3種の転写因子のmRNAを多能性幹細胞に導入した後、角化細胞増殖用培地で培養することにより、涙腺上皮細胞マーカー遺伝子の発現が増加することを述べた。特定の3種の転写因子(Pax6、Foxc1、Six1)のmRNAを多能性幹細胞に導入した後、角化細胞増殖用培地で培養した場合の細胞の形態変化を、位相差顕微鏡により観察した結果を図9に示す。図9から分かるように、mRNAの導入開始後5日目(Day5)(培養開始後6日目)に、ES細胞は、涙腺上皮細胞に特徴的な形態、すなわち、細長く外側に向かって伸びる長方形の形態の細胞へと変化を起こした。
同様の形態変化は、特定の3種ではなく、特定の2種(「Pax6及びFoxc1」)の転写因子のmRNAを多能性幹細胞に導入した後、角化細胞増殖用培地で培養した場合にも観察されたが、特定の3種の転写因子(Pax6、Foxc1、Six1)のmRNAを導入した場合の方が、その形態変化の程度が増幅されており、その形態の変化がより明確であった。したがって、多能性幹細胞を涙腺上皮細胞へ分化誘導する場合には、特定の2種(「Pax6及びFoxc1」又は「Pax6及びFoxp1」)のmRNAを導入するよりも、特定の3種類(Pax6、Foxc1、Six1)のmRNAを導入する方が、涙腺上皮細胞系への分化の方向性をより明確にできる点で好ましいことが分かった。
4.得られた涙腺上皮細胞が、涙腺の立体構造再生能を有しているかの確認
転写因子のmRNAを導入することにより誘導した涙腺上皮細胞が、涙腺器官の立体構造を再生する能力を実際に有しているかどうかを確認することとした。
上記実施例2の[多能性幹細胞への人工mRNAの導入]の方法にしたがって、特定の3種類の転写因子(Pax6、Foxc1、Six1)のmRNAをES細胞に導入し、次いで、上記実施例2の[人工mRNA導入後の細胞の、角化細胞増殖用培地での培養]の方法にしたがって、角化細胞増殖用培地で培養した。mRNAの導入開始後5日目の細胞を、涙腺上皮細胞として分離した。
背景技術でも述べたように、涙腺器官の形成には、涙腺上皮細胞及び涙腺間葉細胞の両方が必要である。非特許文献1記載の方法にしたがって、胎齢16.5日のマウス胎仔の涙腺原基を採取し、その涙腺原基の細胞を細胞毎に分離した。これらの細胞と、前述の涙腺上皮細胞とを、立体的に共培養したところ、成熟涙腺(涙腺器官)に類似した立体構造の細胞塊が形成された。その細胞塊を光学顕微鏡で観察した結果を図10の左上パネルに示し、その細胞塊の凍結切片をヘマトキシリン・エオジン染色した後、光学顕微鏡で観察した結果を図10のその他のパネルに示す。前述の方法により作製した細胞塊は、図10から分かるように、成熟涙腺に特徴的な構造である腺房や導管に類似した立体構造を有していることが示された。このことから、本発明の方法によって製造される涙腺上皮細胞は、涙腺器官の立体構造を再生する能力を実際に有していることが示された。
本発明によれば、臨床応用可能な多能性幹細胞(例えばES細胞やiPS細胞)から、短期間で効率良く大量に涙腺上皮細胞を製造することができる。また、本発明により製造された涙腺上皮細胞は、涙腺器官の立体構造を再生する能力を有している涙腺上皮細胞である。将来的に、涙腺上皮細胞だけでなく、涙腺間葉細胞も、多能性幹細胞(例えばES細胞やiPS細胞)から、短期間で効率良く大量に製造することができるようになれば、涙腺器官の再生医療の実現可能性がさらに高まる。本発明における涙腺上皮細胞の製造方法は、その可能性に向けた大きな一歩といえる。

Claims (10)

  1. 以下の工程Aを有することを特徴とする、涙腺上皮細胞の製造方法;
    工程A:多能性幹細胞において、Pax6遺伝子の発現を増加させるか又はPAX6タンパク質を導入し、かつ、Foxc1遺伝子若しくはFoxp1遺伝子の発現を増加させるか又はFOXC1タンパク質若しくはFOXP1タンパク質を導入する工程。
  2. Pax6遺伝子の発現を増加させる工程が、PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であり、Foxc1遺伝子の発現を増加させる工程が、FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であり、Foxp1遺伝子の発現を増加させる工程が、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入する工程であることを特徴とする請求項1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  3. 工程Aの多能性幹細胞において、さらに、Six1遺伝子の発現を増加させるか又はSIX1タンパク質を導入することを特徴とする請求項1又は2に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  4. Six1遺伝子の発現を増加させることが、SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチドを多能性幹細胞に導入することであることを特徴とする請求項3に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  5. さらに、前記工程Aで得られた細胞を角化細胞増殖用培地で培養する工程を含む請求項1〜4のいずれか1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  6. 角化細胞増増殖用培地が、上皮成長因子及び/又はコレラトキシンを含有することを特徴とする請求項5に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  7. 角化細胞増殖用培地中のカルシウム濃度が0.15mM以下であることを特徴とする請求項5又は6に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  8. ポリヌクレオチドがmRNAであることを特徴とする請求項2〜7のいずれか1に記載の涙腺上皮細胞の製造方法。
  9. 以下の(a)及び(b)を含み、多能性幹細胞から涙腺上皮細胞への分化誘導用試薬キット:
    (a)PAX6タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はPAX6タンパク質:
    (b)FOXC1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXC1タンパク質、又は、FOXP1タンパク質をコードするポリヌクレオチド若しくはFOXC1タンパク質。
  10. さらに、(c)SIX1タンパク質をコードするポリヌクレオチド又はSIX1タンパク質を含む、請求項9に記載の分化誘導用試薬キット。
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