JP2015500637A - 一倍体細胞 - Google Patents

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Abstract

本発明は、安定な一倍体細胞培養物の生成と、順遺伝学および逆遺伝学へのその細胞の利用、その中でも特に、改変された表現型を有する標的遺伝子の同定、特に毒性耐性、特にリシン毒性耐性を有する標的遺伝子の同定と、標的化合物の治療へのその細胞の利用に関する。

Description

本発明は、一倍体細胞と、遺伝子スクリーニング・ツールとしてのその利用に関するとともに、細胞生存と毒素耐性に関係する新たに同定された遺伝子にも関する。
複雑な生物の二倍体ゲノムは、モデル種の研究だけでなくヒトの研究においても多くの遺伝子的アプローチを厳しく制限している。酵母や社会的昆虫といったある種の生物は一倍体であり、染色体セットを1つだけ有する（OttoとJarne、2001年）。酵母における一倍性を利用して生物学の基本メカニズムが明らかにされている（Hartwell他、1974年）。しかし哺乳動物のあらゆる体細胞は染色体のコピーを2つ有するため、すなわち二倍性を示すため、突然変異によるスクリーニングがあいまいになる。ゲノムのコピーを1つしか持たない生物（例えば酵母）は、遺伝子の第2のコピーが存在しないために不可欠な遺伝子のあらゆる劣勢突然変異が明確な表現型を示すという理由で、遺伝子分析の基礎を提供している（Hartwell他、上記引用文献）。最近、哺乳動物の一倍体細胞によって順遺伝子スクリーニングが可能となることが示された（Carette他、2009年、2011年a、2011年b）。しかし哺乳動物の発生は一倍性とは両立しないことがおそらく理由で、一倍体体細胞の生成は哺乳動物では困難であることがわかった（Latham他、2002年）。これまでに一倍性が実現されているのは、魚の胚性幹細胞（Yi他、2009年）、ヒトKBM-7白血病細胞（Carette他、2009年、2011年a）、電気融合によって生成させたハイブリッド細胞（Yan他、200年）においてである。一倍体マウス胚から多能性幹細胞系を確立する試みにより、二倍体の核型を持つ単為生殖胚性幹細胞が単離された（Kaufman他、1983年）。これらの研究では、所定の内部細胞塊を持つ明らかに正常な一倍体マウス胚盤胞の発生が報告された（Kaufman他、1983年、Latham他、2002年）。Kaufmanら（1983年）は、マウス卵母細胞を活性化させて一倍体と二倍体の幹細胞混合物にする方法を記載している。しかし一倍体細胞は安定に培養することができず、培養物は直ちにすべてが二倍体状態へと変換された。
WO 2008/033469 A1には、二倍体へテロ接合ゲノムを持つ単為生殖胚性幹細胞を生成させる方法が記載されている。これらの細胞を所定のドナーと組み合わせ、移植に使用することができる。
WO 01/32015 A1は、一倍体細胞を単離する方法、特に（例えば受精後に、または雌の前核を導入した後に）二倍体卵母細胞から染色体の半分が極体の中に押し出されて生成された細胞を単離する方法に関する。このような一倍体細胞は、例えば電気融合によって、または別の一倍体ゲノムの注入によって二倍体細胞に変換され、二倍体細胞を形成する。
Leebら（2011年）は、哺乳動物の一倍体胚性幹様細胞培養物の生成を記載している。
モデル生物における機能喪失遺伝子スクリーニングによって多くの生物学的プロセスが明らかにされてきたが、哺乳動物の細胞の二倍体ゲノムではこれまで大規模な遺伝子破壊ができなかった。それゆえ哺乳動物で劣性遺伝学を可能にする高スループット法のための手段と方法があると非常に望ましかろうが、まだ利用できるようになってない。
したがって本発明の裏にある技術的問題は、上記の要求を満たす手段と方法を用意することであることがわかる。この技術的問題は、請求項とこの明細書の以下の記載を特徴とする実施態様によって解決される。
特に、一倍体幹細胞の培養物と、そのような細胞を生成させる方法を提供することが、本発明の1つの目的である。そのような細胞は十分に長時間にわたって安定であるため、順遺伝子実験と逆遺伝子実験を行なっている間の操作と分析が可能になる。
これらの目的は本発明によって達成され、本発明により、哺乳動物の一倍体の細胞または細胞系を生成させる方法が提供される。この方法は、発生の多細胞胚段階、好ましくは胚盤胞段階にある複数の一倍体細胞を取得し、その複数の細胞を単離し、その単離した複数の細胞を増殖させ、その増殖させた細胞から一倍体ゲノムを持つ1個以上の個別の細胞を選択して単離することにより、安定な一倍体細胞からなる細胞系の細胞を取得する操作を含んでいる。場合によっては単離したいくつかの細胞を組み合わせて細胞培養物にすることができる。あるいは個別の細胞それぞれを増殖させて細胞培養物にすることができる（サブクローニング）。本発明はさらに、単為生殖の桑実胚または胚盤胞に由来する一倍体胚性幹細胞系を生成させる方法に関する。この方法は、（a）被験雌からの未受精の卵母細胞をインビトロで活性化させて単為生殖による発生を誘導し；（b）ステップ（a）の活性化された卵母細胞を培養して桑実胚および／または胚盤胞を生成させ；（c）ステップ（b）の桑実胚および／または胚盤胞から胚性幹細胞を単離し、必要に応じてその胚性幹細胞を、その胚性幹細胞の分化を抑制する細胞培養物に移し；（d）ステップ（c）の胚性幹細胞のFACS分析を実施して、一倍体DNAを含む胚性幹細胞を同定し、および／または豊富にし；（e）必要に応じて、一倍体DNAを含む胚性幹細胞のFACS精製を繰り返した後、その胚性幹細胞を増殖させることにより、一倍体胚性幹細胞系を生成させる操作を含んでいる。本発明の方法によって得ることが可能であるか本発明の方法によって得られる一倍体ゲノムを持つ細胞とその好ましい変異体の細胞培養物も提供される。本発明はさらに、上記の方法によって生成された一倍体胚性幹細胞系に関する。それに加え、本発明により、桑実胚または胚盤胞に由来していて一倍体胚性幹細胞を少なくとも60％含む胚性幹様細胞系のほか、その一倍体胚性幹細胞を用いたキットと試験システムが提供される。それに加え、本発明は、一倍体幹細胞の方法と利用のほか、そのような方法と利用に由来する産物に関する。そのような新規な利用と方法は、本発明によって作り出された幹細胞や改良された幹細胞の利用に限定されることはなく、本発明では従来の一倍体幹細胞も利用できる。本発明のさらに別の側面は、請求項に記載され、規定されている。
一倍体マウス幹細胞系の生成。A）単為生殖の誘導と一倍体幹細胞系の導出の全体図。5％エタノール（または25mMの塩化ストロンチウム（SrCl2））を用いてマウス卵母細胞を活性化し、偽妊娠雌に移植した。次に、胚盤胞から幹細胞を生成させ、一倍体細胞をFACSによってソーティングした。安定な一倍体細胞が導出されるまで培養物を定期的にソーティングした。B）対照二倍体幹細胞系IB10/Cと一倍体HMSc2細胞系に含まれるDNAのフローサイトメトリー分析。ヘキスト33342を用いてDNA含量を求めた。一倍体については1nと2nの染色体セットを、二倍体については4n染色体セットを示す。ヒストグラムは、10回目のソーティングでの細胞からのデータを示している。C）対照二倍体幹細胞と、一倍体のHMSc1細胞およびHMSc2細胞の染色体の代表的な広がり。一倍体細胞については、有糸分裂の後期（1n）と前期（2n）での広がりを示す。対照として、二倍体幹細胞について後期（2n）と前期（4n）での広がりを示してある。D、E）親である組織内のC57BL/6系統と129系統という共通基準に対する配列カバー率をlog2スケールで示してある。一倍体細胞はC57BL/6×129の交配から得た。染色体は番号順に配置し、小さなギャップによって隔てた。図8も参照のこと。 一倍体幹細胞系のマーカー分析とインビトロでの分化能力。A）一倍体のHMSc1細胞系とHMSc2細胞系の両方とも、幹細胞コロニーに特徴的な形態を示す（星印）。代表的な位相差画像を示す。マウス胚性線維芽細胞（MEF）の支持層に注意されたい（矢印の先端）。一倍体細胞株も幹細胞マーカーアルカリホスファターゼに関して陽性である（青、下の図）。B）マウス胚性幹細胞に関する典型的マーカーOct4、Nanog、Sox2の発現。ファロイジン染色は支持細胞層を示す。一倍体のHMSc1細胞とHMSc2細胞をOct4（FITC）とNanog（TRITC）に関して同時染色した。どちらの場合も染色は赤色チャネルで別々に示してある。スケールを示す棒は50μmである。データは4回目のソーティング後の細胞からのものである。C）一倍体のHMSc1細胞（青）とHMSc2細胞（赤）に含まれる典型的な幹細胞マーカー遺伝子の発現。qPCRを利用してmRNAの発現を求め、二倍体IB10/C ES細胞で規格化した（黒い棒）。D）胚様体（EB、7日目）における内胚葉に関するマーカーとしてのGata４タンパク質の発現。ファロイジンで対比染色した一倍体のHMSc1 ES細胞系とHMSc2 ES細胞系の両方について代表的なEBを示す（緑）。スケールを示す棒は50μmである。E）qPCRにより、一倍体幹細胞系HMSc2に由来するEB（7日目）では幹細胞マーカーNanog、Rex1、Oct4、Sox2、Klf2、Klf4、Sal4が下方調節されることがわかった。表示してある分化系列決定マーカー（本文参照）の発現も示す。mRNAの発現は、親の未分化一倍体ES細胞（1のセット）で規格化した。図9も参照のこと。 生体内での一倍体幹細胞系の分化能力。A）一倍体幹細胞は成体マウスにおいて組織に寄与することができる。アグーチ+クローンHMSc2からの二倍体細胞をC57BL/6胚盤胞に注入し、毛色キメラを観察した（茶色の皮膚のパッチ）。B）対照である二倍体IB10/C幹細胞と、一倍体ES細胞系HMSc1およびHMSc2に由来する奇形腫の組織学的・免疫組織学的分析。一倍体幹細胞は、3つの生殖層すべて、すなわち筋肉細胞（H&E）と、腸内胚葉（アルシアンブルーで染色し、核ファーストレッドで対比染色したムチン産生杯細胞）と、Tuj1+ニューロンおよびサイトケラチン5（K5）を発現する外胚葉とに寄与することができる。Tuj1+細胞とK5+細胞は免疫組織化学によって検出し（DAB、茶色）、ヘマトキシリンで対比染色した（青）。スケールを示す棒：100μm。図10も参照のこと。 一倍体幹細胞は、安定な増殖と分化をする固有の能力を有する。A）FACS精製の直後に個々の一倍体細胞のプレーティングによって確立した3つの異なるサブクローンについてOct4タンパク質の発現を調べる免疫染色（赤）（上の図）。中央と下の図は、示してあるサブクローンに由来する胚様体（EB、10日目）におけるOct4（赤）、Tuj1（緑）の発現と、内胚葉マーカーGata4（赤、DAPIで対比染色）の発現を調べる免疫染色を示している。データは、親系を30回以上継代した後にサブクローニングした細胞からのものである。スケールを示す棒は50μmである。B）二倍体MHSc2-27細胞が100％の対照培養物と、一倍体細胞：二倍体細胞を80：20と50：50の比にしたMHSc2-27細胞の培養物での増殖速度とC）一倍体細胞の割合。増殖速度と一倍体の割合は、ヘキスト33342で染色した細胞のFACS分析を利用して24時間ごとに求めた。この実験では、細胞を7継代（14日間）にわたって連続的に培養物の中に維持したことに注意されたい。この実験に基づき、われわれは、実験中は一倍体細胞の約2〜3％が毎日二倍体になると推測している。D）一倍体ES細胞サブクローンMHSc2-27からの筋芽細胞の発生。この実験では、支持細胞のない二倍体幹細胞系CCEを対照として用いた。代表的な位相差画像を示す。スケールを示す棒は100μmである。E）GFPをタグとして付けた一倍体幹細胞サブクローンにおけるGFPの発現（緑）。GFPで標識していない細胞を対照として示してある（灰色の斜線をかけたヒストグラム）。DNA含量のフローサイトメトリー（ヘキスト33342）を同じサブクローンについて示してあり、そこから一倍体細胞と二倍体細胞の両方がGFPを発現することがわかる。F）一倍体と二倍体のHMSc2-27細胞から、Tuj1ニューロン（緑）を含むEBとGata4を発現する内胚葉細胞（赤）への分化（13日目）。Oct4の発現の下方調節（赤、上の図）と、Nanog+細胞の残留クラスターの存在（緑、下の図）に注意されたい。上の図では、細胞をDAPIで対比染色して核を可視化した。図11〜図13も参照のこと。 一倍体幹細胞の分化能力。A）幹細胞の運命を維持するための条件下で培養した一倍体幹細胞クローンHMSc2-27の分析（“幹細胞”）と、インビトロでのネスチン+ニューロン幹細胞（NS細胞）への分化と、1％血清の存在下でEGFとFGF2を除去することによるGFAP+アストロサイトへのさらなる分化（分化したNS細胞培養条件）。Oct4、ネスチン、GFAPの免疫蛍光標識を、DAPIで対比染色して示してある。代表的な画像を示す。スケールを示す棒は100μmである。B）Oct4とネスチンの発現に関してゲートを設け、幹細胞（上）、NS細胞（中央）、分化したNS細胞（下の図）の条件で増殖させた細胞に含まれるDNA含量のフローサイトメトリー分析。使用したゲートと細胞の割合を各グラフに挿入してある。一倍体細胞は、あらゆる条件下のOct4+分画において優勢であるのに対し、4日間にわたって分化したネスチン+細胞は一倍体細胞を欠いている。左上の図の赤線は、Oct4の発現に関してゲートを設けた二倍体対照IB10/C幹細胞系の代表的なDNA含量を示している。C）一倍体細胞は、二倍体細胞と同じダイナミクスに従って多能性状態を脱出する。左の図は、72時間にわたって対照（+LIF）条件にした後の、一倍体HMSc2-27と、（一倍体と二倍体を）混合したHMSc2-27と、対照二倍体CCE幹細胞における対照Oct4のレベル（平均強度を示す）を示している。LIFの除去による分化によって二倍体細胞と一倍体細胞のOct4の発現が低下する（中央の図）。0.5μMのレチノイン酸を用いた分化の誘導によって一倍体細胞と二倍体細胞の両方でOct4の発現が急速に失われるが、これは分化を示している（右の図）。0.1μMのレチノイン酸を用いたときに同じ結果が得られた（結果は示さず）。データは、各条件で50,000個超の細胞を分析したOct4の平均蛍光強度±SEMとして示してある。一元配置ANOVA（p>0.05）から、Oct4の発現がバックグラウンド・レベルであった48時間と72時間のレチノイン酸処理を除くあらゆる条件において、二倍体細胞ではOct4の発現が増加したことがわかった（各面積の増大と整合している）。図14も参照のこと。 一倍体幹細胞における逆遺伝学。A）ネオマイシン選択の後のウイルス組み込み部位の分析。ディープ・シークエンシングによって176,178個の挿入を明らかにした。レトロウイルスは49％が遺伝子間領域に、51％が遺伝子内領域に組み込まれ、イントロン、特に最初のイントロンに組み込まれる頻度が大きかった。B）グラフは、全ウイルス組み込み部位に対するさまざまな割合（X軸）について、レトロウイルス突然変異誘発を1回実施した後にウイルスが組み込まれた遺伝子の割合を示している。10％という最低発現（0〜10％）の遺伝子は、組み込み効率が最低であったのに対し、より多く発現した遺伝子（50〜100％）は、遺伝子トラッピングの効率がより大きい。全ウイルス組み込み部位に対する割合（X軸）を大きくすると飽和がより大きくなり、67％でもまだ飽和に到達しない。これは、追加の遺伝子が、750万個の独立な挿入部位からなる総合ライブラリにトラップされたことを示している。C、D）示した遺伝子に関する部位特異的プライマと、挿入されたレトロウイルスのLTRに特異的なプライマとを用いたPCR分析。使用したPCRプライマの位置は、各図の上に図示してある。すべてのプライマを10個の異なる全遺伝子で使用したところ、（C）ウイルスは初期シークエンシングによって同定された部位に実際に組み込まれ、（D）組み込みの結果として各遺伝子座がホモ接合突然変異になることがわかったことに注意されたい。レーン1＝Madcam1；レーン2＝Drosha；レーン3＝レチノイン酸受容体γ（Rarg）；レーン4＝Ap4s1；レーン5＝Arap1；レーン6＝Evx1；レーン7＝Bcl211；レーン8＝2210012G02RIK；レーン9＝タイチン；レーン10＝Chr2:50928851。陽性である野生型（Wt）と陰性である対照としてのH2Oを示してある。E）rargに関して野生型（Wt）である一倍体HMSc2-27細胞と、アンチセンス（AS）方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞と、センス方向（S）でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞におけるRARG mRNA発現のqPCR分析。mRNAの発現は、親HMSc2-27細胞で規格化した。F）示してある野生型、アンチセンス、センスRARG HMSc2-27細胞を0.1μMのレチノイン酸で10日間処理したものを含む培養物の代表的な画像。Wt培養物とアンチセンス培養物には細胞がほぼ完全に存在しないことに注意されたい。スケールを示す棒は100μmである。G）Droshaに関して野生型（Wt）である一倍体HMSc2-27細胞と、アンチセンス（AS）方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞と、センス（S）方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞におけるDrosha mRNA発現のqPCR分析。H）Droshaが欠けているHMSc2-27細胞には、Droshaを発現する野生型HMSc2-27細胞およびアンチセンス方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞と比較すると、包嚢性胚様体がまったく存在しない。EB誘導の10日後の胚様体の代表的画像を示す。Drosha突然変異細胞の中の個別の包嚢性EBは、長期培養物の中にも観察されなかったことに注意されたい。スケールを示す棒は100μmである。I）野生型HMSc2-27細胞（Wt）と、アンチセンス（AS）方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞と、センス（S）方向でスプライス・アクセプタを含むHMSc2-27細胞におけるVenusレポータ遺伝子の発現を示すヒストグラム。これらの細胞には、Venusの3’UTRに標的部位がある（標的）、または標的部位がない（無標的）強力なshRNA標的ホタル・ルシフェラーゼを有するpSENSORをベースとしたmiRNAコンストラクトを用いて形質導入した。shRNA発現（dsRed+）細胞を選択し、形質導入していない対照細胞とVenusの発現レベルを比較した（灰色）。 一倍体幹細胞におけるリシン毒性に関する順遺伝子スクリーニング。A）遺伝子トラップ突然変異誘発のある／ない一倍体HMSc2-27を3週間にわたってヒマ（Ricinus communis）からのリシンに曝露した。突然変異したバッチにだけコロニーが出現し、それらコロニーを処理してディープ・シークエンシングした。B）リシン毒性スクリーニングにおいて同定された上位のヒット。Gpr107、Fut9、Slc35cl遺伝子座へのセンス（緑）挿入とアンチセンス（赤）挿入。鉛直方向の線はそれぞれの遺伝子の各エキソンを示しており、最初のエキソンは常に各図の左側に移動している。アンチセンスの挿入は遺伝子の機能を破壊する可能性があるのに対し、センス組み込みは、ほとんどすべての場合にそうなるであろう。ほとんどすべての挿入はスプライス・アクセプタに関してセンス方向であり、いくつかのアンチセンス組み込みはエキソンにマッピングされそのすべては破壊的突然変異となるはずであることに注意されたい。約50％の遺伝子内挿入がセンス方向で約50％がアンチセンス方向であることを考えると、これらのデータも、スクリーニングが実際に破壊的突然変異を非常に増やしたことを示している（Gpr107についてはp>1.13×10-10；Fut9についてはp>3.95×10-6；Slc35clについてはp>0.000019）。C）リシン毒性スクリーニングで同定された遺伝子。（センス方向のスプライス・アクセプタを含む遺伝子内領域、またはエキソンへのセンス方向とアンチセンス方向の組み込みが理由で）遺伝子の発現を消失させることが予想される明確なレトロウイルス挿入の数が示されている。二項試験を利用してセンス突然変異とアンチセンス組み込みの豊富さを評価し、p値を示してある。アンチセンス組み込みも遺伝子分断につながる可能性があることに注意されたい。特定された生化学経路とゴルジ体への割り当ても示してある。D、E）リシン毒性におけるGpr107の評価。HMSc2-27幹細胞とNIH3T3細胞に、Gpr107の発現をノックダウンする設計のshRNAまたは対照shRNAをトランスフェクトした後、致死量のリシンによるチャレンジを2日間実施した。画像はリシン処理をしてから48時間後の代表的な培養物を示している（D）。スケールを示す棒は100μmである。（E）リシン処理から回復した細胞とリシンで処理しなかった細胞の比として表わされるリシン生存率を、％を単位として示してある（リシン処理をしてから48時間後の前方散乱、側方散乱、PI染色による生存率をゲートとした細胞の定量FACS分析によって求まる）。細胞を10cmの皿の中で培養したものを3つ用意し、各プレートでeGFP陰性（トランスフェクトなし）とeGFP陽性の一倍体HMSc2-27 ES細胞とNIH3T3細胞について平均生存率±標準偏差を求めた。 一倍体細胞を導出している間のDNA含量の分析と、染色体の広がりと、SNP分析；図1参照。A）われわれの2つの細胞系を導出したときの最初のFACS分析から、細胞周期のG1期にある単為生殖由来の一倍体細胞（1n）の小さな集団があることがわかった。初期のソーティング結果を示してある。FACS精製を繰り返すと（7回目のソーティング結果を示してある）、HMSc1の集団で一倍性が増大した（下の図）。HMSc1細胞では常に二倍体細胞のほうが多かったため、われわれは主にHMSc2細胞に焦点を絞ったことに注意されたい。B）染色体の広がりの大半は正確に一倍体ゲノムであることがわかった（20本の染色体）。染色体の数が変化している稀な広がりは、重複している染色体、または洗い流された染色体が原因となっている可能性がある。C）129マウス系統とC57BL/6マウス系統の間の識別性SNPに基づく、HMSc1またはHMSc2と、HMSc2に関する独立なシークエンシングの間のSNP比較。一倍体細胞系はC57BL/6×129 F1交配に由来するものであった。データはHMSc2とSNPが同じであることを示しており、2つの一倍体クローンの遺伝的独立性が確認される（スチューデントのt検定：p<5.788×10-8）。 胚様体におけるトランスクリプトーム分析と系譜マーカー；図2参照。A）一倍体HMSc1とHMSc2は、確立された対照ES細胞系（二倍体IB10/C ES細胞）の遺伝子発現プロファイルとクラスターを作る遺伝子発現プロファイルを示す。MEFのトランスクリプトーム・プロファイルを対照として示す。値は、4つのRNAサンプルすべての基準プールに対する相対値である。B）クラスター化の状態から、一倍体HMSc1細胞とHMSc2細胞両方のトランスクリプトーム・プロファイルが二倍体IB10/C ES細胞のものと非常によく似ていることがわかる。クラスター化のため、MEFとIB10/C 幹細胞の間で上方調節された遺伝子と下方調節された遺伝子の上位100個を選択した。3つの典型的なES細胞遺伝子、すなわちNanog、Oct4、Klf2を示してある。補足した表2には、分析に含まれるそれら100個の遺伝子がリストにされている。A）とB）の両方において、上方調節された遺伝子を青で示し、下方調節された遺伝子を赤で示してある（色のキー参照）。遺伝子の階層式クラスター化をヒート・マップの横にツリーとして示す。C）qPCR分析により、一倍体幹細胞系HMSc1に由来するEBにおいて幹細胞マーカーNanog、Rex1、Oct4、Sox2、Klf2、Klf4、Sall4が下方調節されることが明らかになり（7日目に分析）、示した分化系列決定マーカーの発現を伴うことがわかった（本文参照）。mRNAの発現は、未分化の一倍体幹細胞で規格化した（1に設定）。 一倍体幹細胞は、成体マウスと奇形腫のさまざまな組織に寄与することができる；図3参照。A）HMSc2に由来する細胞の多数の組織への寄与を、BamHI消化の後、プライマGAATGT- GAGCGCACAGGGTGATGTGCC（配列ID番号1）とCCCACAGAACACAGTCACAGGG- TCCPCR（配列ID番号2）を用いたPCRによって明らかにした。図に示した組織を毛色キメラを示すマウスから回収し、処理し、C57BL6（BL6）特異的バンドと129特異的バンドの存在を分析した。129バンドの存在は、HMSc2細胞による組織への寄与を示している。BamHI消化産物におけるプライマの特異性を下の図に示す。B〜I）ヘマトキシリンとエオシンで染色した奇形腫（B〜G）、またはアルシアンブルーで染色し、アリザリンレッドで対比染色した奇形腫（H、I）の組織学的検査。矢印の先端は、B）ケラチン化した層状上皮、C）着色した上皮、D）繊毛のある呼吸器上皮、E）杯細胞を有する腺性細管、F）脂肪細胞、G）神経細管、H）軟骨組織、I）汗腺構造を指している。スケールを示す棒は100μmである。 一倍体幹細胞サブクローンにおけるOct4とSox2の発現；図4参照。FACS精製の直後に個別の一倍体細胞のプレーティングによって確立した9つの異なるサブクローンにおけるOct4タンパク質の発現に関する免疫染色（赤、上の図）とSox2タンパク質の発現に関する免疫染色（赤、下の図）。サブクローンは、一倍体幹細胞HMSc1とHMSc2の両方に由来するものであった。サブクローンHMSc1-N1（A、J）、HMSc1-N3（B、K）、HMSc2-N3（C、L）、HMSc2-N4（D、M）、HMSc2-N6（E、N）、HMSc2-1（F、O）、HMSc2-15（G、P）、HMSc2-17（H、Q）、HMSc2-27（I、R）をゼラチンで覆ったカバースリップの上に載せ、Oct4とSox2の発現を調べるために免疫染色した。データは、親系を30回以上継代した後にサブクローニングした細胞からのものであり、見てわかるように幹細胞マーカーの発現の安定性が確認される。細胞はDAPIで対比染色した（青）。スケールを示す棒は50μmである。 一倍体幹細胞サブクローンの発生能力；図4参照。図示したサブクローンに由来する付属の胚様体（EB、10日目）におけるOct4（赤）およびTuj1（緑）の発現と、内胚葉マーカーGata4（赤）の発現を調べる免疫染色。細胞はDAPIで対比染色した（青）。データは、親系を30回以上継代した後にサブクローニングした細胞からのものである。スケールを示す棒は50μmである。 さまざまな幹細胞サブクローンにおける一倍体細胞分画の増殖と安定性；図4参照。A）一倍体HMSc2に由来する7つのサブクローンで増殖の動力学をモニタした。1×106個の細胞を10cmの皿でプレーティングし、細胞の数を72時間後に求めた。どのクローンもロバストな増殖を示した。クローンHMSc2-15とHMSc2-27は、72時間以内に3000万超に達したのに対し、HMSc2-N4とHMSc-2N6は、2細胞周期以上少なく増殖を終えた。B）一倍体HMSc2幹細胞系に由来する7つの異なるサブクローンの集団に存在する一倍体細胞の割合。すべてのサブクローンについて一倍体だけの集団をFACS精製し（ヘキスト33342ヒストグラムによって決まる1nピーク）、培養の10日後にDNA含量に関するFACS分析によって一倍体細胞と二倍体細胞の集団の相対値を求め、ModFitソフトウエアを用いて定量化した。C）支持細胞のない条件で培養したHMSc2サブクローンHMSc2-27の形態。HMSc2-27細胞は、FACSソーティングなしでも数週間にわたって一倍体の割合が大きい状態を維持していて、幹細胞の典型的な形態を示し、丸くてコンパクトなコロニーを形成する。代表的なDIC（微分干渉差、Nomarski）画像を示す。D）典型的なマウス胚性幹細胞マーカーOct4、Nanog、Sox2の発現。ファロイジン陽性支持細胞がないことに注意されたい。NanogとOct4を同時染色し、赤チャネルで別々に示してある。スケール棒：50μm。E）HMSc2-27細胞におけるDNA含量のフローサイトメトリー。DNA含量はヘキスト33342を用いて求めた。一倍体幹細胞に関する1nと2nの染色体と、二倍体幹細胞に関する2nと4nの染色体を示してある。F）HMSc2-27細胞の染色体の広がりから、一倍体のゲノムであることが確認される。 高含量イメージング分析を利用した一倍体細胞と二倍体細胞の分離と、Oct4のレベルの定量的評価；図5参照。A）24時間LIFを除去した培養物からの一倍体HMSc2-27と二倍体CCE細胞の代表的な高含量走査画像。一倍体HMSc2-27と二倍体CCE細胞の並列培養を利用し、核面積（核マスク）とDNA含量（DAPI染色強度）に関して一倍体細胞と二倍体細胞を区別するアルゴリズムを開発した。DAPI染色によって決まる核マスクは青で示してある。オレンジ色のマスクは小さすぎるため、アルゴリズムから核として拒絶された。Oct4染色区画細胞の中の緑の線は、DAPI染色によって決まる核マスクを示している。予想されるように、染色は、一倍体細胞ではDAPIとOct4の両方で強度が小さいことに注意されたい。B）LIFの存在下（上の図）とLIFの不在下（下の図）において、24時間、48時間、72時間の時点で0.5μMのレチノイン酸（下）で処理した後の一倍体HMSc2-27細胞（黄色）と二倍体HMSc2-27細胞（青）の分離を全DAPI強度（x軸）の関数として示した相対頻度プロット。一倍体のグループに二倍体細胞が含まれることとその逆を回避するため、われわれのアルゴリズムにより、一倍体の対照の平均値よりも下にある細胞だけを一倍体と見なし、二倍体の対照の平均値よりも上にある細胞だけを二倍体と見なした。 C）一倍体と二倍体のHMSc2-27 ES細胞におけるLIFの存在下でのベースラインOct4の発現。D）分化を誘導するためLIFの不在下または0.5μMのレチノイン酸の存在下で培養した一倍体と二倍体のHMSc2-27幹細胞におけるOct4の発現。図5Cのデータに対応するOct4の強度の代表的頻度ヒストグラムを示す。分析した時点において一倍体細胞（黄色）は、対照二倍体細胞（青）とほぼ同じ分化動力学を示すことに注意されたい。両方の分化条件下でOct4の強度は時間経過とともに低下するが、レチノイン酸処理のもとでは特に急激に低下する。Oct4の発現は、分化が始まると一倍体と二倍体のHMSc2-27細胞において同じ速度で低下する。 挿入突然変異油初に使用するベクター。SA、スプライス・アクセプタ部位；SA、スプライス・ドナー部位；IRES、内部リボソーム侵入部位；GFP、緑色蛍光タンパク質；Neo、G418選択カセット；βgeo、lacZ-ネオマイシン融合遺伝子；LTR、長い末端反復配列；LoxPとlox5171、“野生型”LoxP部位と突然変異したLoxP部位；FRT、Flpリコンビナーゼ認識標的；F3、他のF3と結合するがヘテロ型FRT部位とは結合しない変異Flp認識部位。R175、L200、To12、トランスポゾン末端必須配列；OPE、オステオポンチン・エンハンサ要素、Oct4結合；IR/DR、眠れる美女トランスポゾンの逆転／直接繰り返し。 野生型（Wt）であるか、アンチセンス方向（AS）またはセンス方向（S）でスプライス・アクセプタを含む一倍体ESCにおけるDrosha mRNAのPCR分析。mRNAは親ESCで規格化した。平均値±標準偏差。Droshaが欠けているESCでは、Wt ESC、およびアンチセンス方向でスプライス・アクセプタを含むESCと比べて包嚢性EBがまったく存在していないことに注意されたい。代表的なEBを示す（10日目）。棒：100μm。 A：リシン処理下におけるmCherry_Cre発現細胞に対するGFP発現細胞の比を対照細胞と比較した図；リシン耐性突然変異がある細胞は、生存率が10〜33倍の範囲で上昇することを示している（棒）。B：有効なクローンのリシン耐性表現型がCreリコンビナーゼ発現を通じて逆転する様子と、野生型遺伝子座が再構成される様子；あらゆる野生型（wt）細胞がリシンのチャレンジによって死滅する（赤）。C：フコシル化阻害剤（Fuco Inh）を用いて処理したときの、リシン毒性下でのヒトHL-60細胞の細胞生存率；棒が左から右に向かうにつれて：Fuco Inhの濃度が増大し；棒のまとまりが左から右に向かうにつれて：リシン濃度が低下する；異なる希釈度のヒマ種子抽出液（1：2000、1：1000、1：500、リシンなし）を使用した。D：標的カセットを逆転させたときのFut9細胞とSlc35cl細胞における糖エピトープSSEA-1の発現（アンチSSEA-1 - PE染色）。 A：ウイルスをトランスフェクトした細胞のGFPとmCherryの発現パターンのFACSブロット。B：リシン処理下におけるmCherry_Cre発現細胞に対するGFP発現細胞の比を対照細胞と比較した図。C：Gpr107の条件付き遺伝子標的カセット。D：サザンブロットを通じた相同組み換えのスクリーニング。E：サザンブロット分析を通じた生殖系伝達の確認。F：シュードモナス外毒素による処理下での、Gpr107野生型細胞、再構成した細胞、ノックアウト細胞の細胞生存率の比較；棒が左から右に向かうにつれて：シュードモナス外毒素（PeX）濃度が低下し；ノックアウト細胞（Gpr107 KO）はより大きな細胞生存率を示す；Gpr107遺伝子（Gpr107_HA）のノックアウトと再構成は野生型（wt）表現型を回復させる。
発生の多細胞胚段階にある複数の一倍体細胞は、一倍体状態で単為生殖によって増殖させることのできる活性化された卵母細胞から得ることができる。好ましい一実施態様では、本発明の方法は、哺乳動物の一倍体単為生殖卵母細胞または一倍体胚性細胞を取得するステップと、その卵母細胞または胚性細胞を偽妊娠雌に移すステップと、その卵母細胞または胚性細胞を成長させて多細胞段階にし、必要に応じてその多細胞段階の細胞を培養して胚盤胞段階にすることにより、発生の多細胞胚段階にある複数の一倍体細胞を提供するステップを含んでいる。追加のステップでは、この方法は、その多細胞段階の細胞を取得するステップと、その多細胞段階の細胞を増殖させるステップ（例えば培養物として、特に単離された形態の培養物として単純に維持し、増殖させないことも可能である）と、増殖させたその細胞から一倍体ゲノムを有する個別の細胞を選択して単離するステップと、その細胞を増殖させて細胞培養物にすることで安定な一倍体細胞の細胞系を取得するステップを含むことができる。
この方法の第1ステップは、一倍体の単為生殖卵母細胞または胚性細胞を取得する操作を含んでいる。これは、公知の一般的な方法（例えばアルコール処理またはストロンチウム処理による卵母細胞の活性化）によって実施できる。活性化された細胞は増殖することができ、ゲノムのコピーを1つしか含んでいない（一倍性）。
一倍性は、細胞周期のG1期またはG0期に細胞1個につきゲノムのコピーが1つ（1n）しか存在しないことと関係している。本発明の一倍体細胞は、S期にゲノムを複製することができ、G2期にゲノムの第2のコピー（2n）を確立する。G2期にコピーされたこのゲノムはホモ接合性である。一倍性は二倍性から区別することができ、G1期またはG0期の間はゲノムが2つ（通常はヘテロ接合性）であり、S期の後のG2期の間はゲノムが4つである。最終的に確立された一倍体細胞培養物になる本発明のすべての細胞は、本発明の方法の全ステップを通じて一倍性を維持する。いくつかの細胞は二倍体ゲノムを獲得する可能性がある。これらの細胞は選択的に除去する。
活性化された卵母細胞は、偽妊娠雌の体内で成長させることができる。そこではその細胞が成長して多細胞段階（例えば胞胚段階または桑実胚段階）になる。偽妊娠雌の体内での成長は、活性化された卵母細胞から培養のための一倍体細胞への初期胚様発生を最適化する。あるいは細胞は、Leeb（2011年）によって記載されているようにして培養することができる。多細胞段階の細胞は、単離し、さらに生体内またはインビトロで成長させることもできる。そのさらなる成長ステップでは、その多細胞段階の複数の細胞をさらに増殖および／または成長させることができる（その中には、胚盤胞段階にすることが含まれる）。一倍体細胞は一倍性を維持しながら胚発生を完了させることはできないとはいえ、発生の初期段階では可能である。本発明によれば、そのような胚様多細胞塊として、発生の胚段階における複数の一倍体細胞が可能である。そのような段階では、細胞は、その複数ある中で細胞間結合によって付着している。そのような複数の細胞は、新たに生成させること、または例えば凍結供給物から提供することができる。あるいは単純に、そのような複数段階または多細胞段階（例えば一倍体単為生殖胚様段階）から単離された細胞を得ることも可能である。
次のステップでは、多細胞段階にあるその複数の細胞から1個以上の細胞を単離し、増殖させる。多細胞段階からの細胞の単離は、通常は、例えばトリプシン処理で細胞接着を破壊することによって、または少なくとも1個の一倍体細胞を多細胞段階から取り出すことによって多細胞段階の細胞を分離して個別の細胞にする操作、すなわち個別化を含んでいる。その後、単離した細胞を例えば細胞培地の中でさらに増殖させるか維持する。増殖させた細胞または維持している細胞から本発明の一倍体細胞を選択して単離する。一倍体細胞の細胞培養物を得ようとするときにはこの追加単離ステップが極めて重要であるように思われる。そのような細胞は単為生殖活性化の最初から存在している可能性が大きいとはいえ、胞胚段階から得られる他の細胞の存在により、多細胞段階の複数の細胞の中に存在する選択された数個の細胞の独自の特性が隠されてしまうように思われる。この追加単離ステップによってのみ、選択されたそれら数個の細胞がその一倍体状態を長期にわたって維持することが可能になるように思われる。多細胞段階（例えば桑実胚または胚盤胞）の個別化は、多細胞段階（全体）またはその一部で、好ましくは多細胞段階そのもので実施できる。内部細胞塊だけを利用すること、例えば透明帯を除去し、栄養外胚葉を除去し、免疫手術した後に内部細胞塊を取得して培養することが可能（Leeb、2011年）だが、これらのステップは本発明では必要ない。本発明では、多細胞段階を個別化するはるかに簡単な方法、すなわち栄養外胚葉を含む細胞の培養による方法が提供される。この方法は取り扱いがはるかに簡単であり、多細胞段階の細胞に対する破壊性がより少なく、試薬と作業のコストが節約される。別の実施態様では、これらのステップを実行することがもちろん可能である。多細胞段階の透明帯は、その多細胞段階の細胞を単離している間に、または単離する前に除去してもよいし、除去しなくてもよい。内部細胞塊は、単離してもよいし、しなくてもよい。
単離した細胞は個別の細胞であり、多細胞（胚性）段階にある元の複数の細胞のうちの他のどの細胞ともくっついていない。単離したいくつかの細胞が通常は細胞培養物の中に存在している。あるいは個別の細胞のそれぞれを増殖させ、細胞培養物にすることができる（サブクローニング）。サブクローニングは、さらなる発生実験（例えば順突然変異誘発実験や分化実験）のための標準化された出発点を提供するため、特に有利である。元々別々の一倍体細胞に由来する可能性がある細胞の混合物を使用する場合、個々の細胞の性質（例えば幹細胞様の性質や分化能力）を同定することは不可能である。混合物では、1個の細胞が幹細胞マーカーの発現に責任を負っているのに対し、別の1個の細胞は、成長して組織に分化することに責任を負っている可能性がある。本発明により、個別の細胞が幹細胞様であり、それと同時に分化した細胞に成長できることが初めて示された。
細胞は、一般的な支持培地、好ましくは支持細胞層（例えば線維芽細胞。特に、例えば放射線またはマイトマイシンCによって細胞周期が不活性化されたマウス胚性線維芽細胞（MEF）が好ましい）の上で維持および／または増殖させることができる。細胞は、無支持細胞培養条件で維持すること、または増殖させることもできる。細胞は、支持層の上に維持し、次いで無支持細胞培地の中に維持することが好ましい。細胞を維持している間に細胞を増殖させること、および／または成長させることもできる。本発明の細胞を生成させた直後に細胞を支持層の上に維持することは細胞の生存率を向上させる上で重要であるように見えるが、細胞は驚くべきことに無支持細胞条件での増殖に適応することができた。支持細胞の密度を徐々に小さくし最終的になくすことによって細胞を訓練し、無支持細胞条件で増殖させることが好ましい。支持細胞のない細胞は、例えばLeeb（2011年）が記載しているように、支持細胞に依存する細胞と比べて非常に有利である。毒性（耐性）スクリーニングにおいて（例えばランダム突然変異の後に）一倍体細胞に毒素を与えて耐性をスクリーニングするとき、支持層も毒素の影響を受ける可能性がある。支持細胞が死ぬと支持細胞に依存している一倍体細胞も、たとえ毒素耐性が発達していたとしても、死ぬと考えられる。したがって支持細胞を用いた細胞培養物には偽の陰性結果が生じる可能性がある。そこで、以下により詳しく説明するさらに別の利用では、特に毒素または増殖阻害剤と接触する細胞については、支持細胞のない一倍体細胞を使用することが好ましい。
この明細書では、細胞の“単離”は、その細胞を他の特性を持つ他の細胞群の中から取り出すことを意味する。他の特性は、細胞の遺伝子の構成だけでなく、遺伝子のサイレンシング・イベントや活性化イベントと結び付いている可能性のある活性化、分化、発現の状態にも関係する可能性がある。多くの場合、単離は、個々の細胞の個別化と関係しているが、同じ特性または活性化状態の単離と関係していてもよい。
幹細胞を維持するための適切な培地は公知であり、市販されている。その例は、ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水と、MgCl2と、CaCl2と、Lグルタミンと、非必須アミノ酸と、抗生物質（ペニシリン／ストレプトマイシン（P/S）など）と、ウシ胎仔血清（FBS）と、LIF（白血病阻害因子）を含む培地である。場合によっては0.25％（w/v）トリプシン-EDTAを追加して使用して細胞を分割することができる。培地に含まれる追加の因子として、ヒト・トランスフェリン、プトレシンジヒドロクロリド、ヒト組み換えインスリン、Lチロキシン、トリ-ヨードチロシン、プロゲステロン、セレン化ナトリウム、ヘパリン、コルチコステロンが可能である。
多細胞段階から細胞を単離した後の初期増殖は、10分間〜1週間が可能であり、好ましいのは、少なくとも15分間、20分間、25分間のいずれか、および／または5日間まで、4日間まで、3日間まで、2日間まで、1日間まで、18時間まで、12時間まで、6時間まで、3時間まで、1時間までのいずれかである。増殖した細胞から個別の一倍体細胞が単離され、それが、新たな比較的安定な一倍体細胞培養物の基礎を形成することができる。これらの一倍体細胞は幹細胞様の性質を持つため、この明細書では“幹細胞”と呼ぶ。しかし一倍体細胞から一倍体哺乳動物や分化した組織に発達させることはもちろん不可能である。“幹細胞”は、培地の中で増殖する能力を持った細胞であり、比較的未分化のままに留まっているいくつかの娘細胞と、1つ以上の特殊化したタイプの細胞を生じさせるそれ以外の娘細胞を生成させる。本発明の一倍体細胞は無限に増殖することが可能であり、分化して3つの胚性生殖層になる。一倍体細胞は、分化してあらゆる体細胞系譜になることはできないが、胚性幹細胞などの生殖系はなることができる。しかし一倍体細胞は、そのようなさまざまな分化能力を有する二倍体細胞に変換することができる。一般に、本発明の細胞は多能性である可能性がある。本発明の細胞は、卵母細胞の受精が起こっていないため胚の細胞ではない。これらの細胞は、胚性幹細胞または胚性幹様細胞と呼ばれることがある。なぜなら例えば胞胚段階または桑実胚段階に至る発生の初期段階が胚の発生に似ているからである。しかし本発明の細胞は、そのままでさらなる改変がないと、胚や、さらには哺乳動物になることはできない。しかし本発明の細胞は細胞系にするのには適している。同様に、“単為生殖胚”は、受精がないため真の胚ではない。
哺乳動物の細胞、または一倍体細胞の細胞系を生成させる本発明の方法は、これらのステップがすべて終了した後、その哺乳動物の一倍体単為生殖卵母細胞または胚性細胞を取得するステップと、その哺乳動物の卵母細胞または胚性細胞を偽妊娠雌に移すステップと、その卵母細胞または胚性細胞を増殖させて多細胞段階（好ましくは桑実胚段階または胞胚段階）にするステップと、必要に応じてその多細胞段階の細胞を培養して胚盤胞段階にするステップと、その多細胞段階の細胞を取得するステップと、その多細胞段階の細胞を増殖させるステップと、その増殖された細胞から一倍体ゲノムを持つ1個以上の個別の細胞を選択して単離することにより、安定な一倍体細胞の細胞系の細胞を取得するステップを含んでいる。
選択と単離のため、一倍体細胞に標識することができる。特に、細胞内のゲノム、染色体、DNAに標識することが好ましい。好ましいのは、一倍体細胞に蛍光標識することである。選択と単離のため、個々の細胞を例えばトリプシン処理によって分離または個別化することができる。次に個々の細胞をそのゲノム含量に従ってソーティングすることができる。特別な場合には、本発明の方法により、細胞を、1秒に少なくとも20個、好ましくは少なくとも50個、より好ましくは少なくとも100個、特に好ましくは200個という高スループットで選択して単離する。高スループット法は、単位時間に多数の細胞を単離できるという点で有利である。そのような1つの方法は、例えばフローサイトメトリーまたはFACSであり、その方法を用いると1秒間に1000個まで、またはそれ以上の細胞を分類して単離することができる。別のマーカー（例えば胚性細胞のマーカー）で細胞を標識して細胞をさらに識別し、選択することも可能である。この追加選択は、例えばその追加マーカーを標識する別の蛍光染料を用いることによって一倍体細胞の選択と同時になされることが好ましい（“多色”に基づく方法）。細胞は、サイズに従ってさらに選択することができる。
この明細書と実施例に示してあるように、本発明の方法のこれらステップに従うと、単為生殖胚から一倍体マウス幹細胞系を生成させることが可能である。これらの細胞は20本の染色体を持っており、幹細胞マーカーを発現し、インビトロと生体内であらゆる生殖層（内胚葉、中胚葉、外胚葉）になることができる。
本発明の方法は、多細胞段階または複数段階から増殖させた単離された1個または数個の細胞を培養して細胞培養物にする操作を含んでいる。この方法は特に、細胞培養物の定期的なリシード、または一倍体細胞の豊富化、または二倍体細胞の除去を実行して細胞培養物の完全な一倍性を維持する操作を含んでいる。この方法は、細胞培養物のその細胞を培養し、50継代の後にその細胞培養物から1個以上の一倍体細胞を単離し、単離したその一倍体細胞を新たに継続する細胞培養物として増殖させる操作をさらに含むことが好ましい。
本発明により、哺乳動物細胞の比較的安定な培養物が初めて提供される。親および／または細胞培養物の細胞は、哺乳動物に由来することが好ましく、その哺乳動物はヒトでないことが好ましい。したがって特に好ましいのは、倫理的理由により、細胞が非ヒト細胞であることである。細胞は、マウス、霊長類、ブタ、ウシ、ヤギ、ウマ、ヒツジ、イヌ、ネコ、ウサギのものが可能である。
親細胞はヘテロ接合またはホモ接合が可能だが、ヘテロ接合が好ましい。ヘテロ接合細胞は2つの異なるゲノムを含んでおり、本発明の細胞系で個々の一倍体ゲノムを生じさせることができる。ヘテロ接合細胞から一倍体細胞を生成させる各イベントによって通常は親ゲノムの異なる組み合わせが生じるため、異なる一倍体細胞が生じる。細胞培養物の本発明の細胞は、同じ一倍体ゲノムを含むクローンであることが好ましい。親細胞がホモ接合である、すなわち2つの同じゲノムを含んでいることも可能である。そのような親細胞からのすべての一倍体細胞は通常は同じである。本発明は、ヘテロ接合親細胞の場合に特に有利である。なぜなら本発明の方法を用い、一倍体細胞経路を通じてホモ接合の子孫細胞を生成させることが可能だからである。
本発明の一倍体細胞は、例えばゲノムの失敗した細胞質分裂および／または内部倍化によって、または少なくとも2個の一倍体細胞の融合によって、または従来から知られている他の方法（例えば電気融合または別の一倍体ゲノムの注入（例えばWO 01/32015 A1））によって二倍体細胞に変換することができる。そのような二倍体細胞はやはりホモ接合であり、生殖層発生よりも遅い段階でさえさらなる胚発生または組織発生が可能であり、分化して例えば組織細胞になることができる。したがって本発明により、ホモ突然変異誘発（後で詳述）と幹細胞の分化能力の組み合わせが提供される。一倍体細胞のゲノム以外のゲノムが人工的に導入する場合には、ヘテロ接合の二倍体細胞を生成させることもできる。同様に、本発明の細胞のゲノムを他の細胞に導入してヘテロ接合細胞を生成させることができる。これら別の細胞は、一倍体（例えば卵母細胞）であってもなくてもよく、二倍体であってもなくてもよい。したがって本発明の方法はさらに、本発明の培養物の細胞を二倍体細胞に変換し、場合によってはさらにその細胞を分化させて例えば体幹細胞（例えば胃内壁細胞、胃腸管細胞、肺細胞、筋肉細胞、骨細胞、血液細胞、泌尿生殖細胞、表皮細胞、神経系細胞）にする操作、または多能性幹細胞や全能性幹細胞にする操作を含むことができる。特に、細胞を分化させることで、血液細胞を生じさせる造血幹細胞；例えば骨の細胞（骨細胞）と軟骨の細胞（軟骨細胞）を生じさせる骨髄基質（間充織幹細胞）細胞；多能性末梢血幹細胞（PBSC）；肝細胞、心筋細胞、神経細胞、筋肉細胞を生じさせる能力を持つ成体骨髄幹細胞；神経細胞（ニューロン）と非神経細胞（アストロサイトやオリゴデンドロサイト）を生じさせる脳内の神経幹細胞；例えば吸収細胞、杯細胞、パーネト細胞、腸内分泌細胞を生じさせる上皮幹細胞；皮膚幹細胞（ケラチノサイトと毛包を生じさせる表皮幹細胞）；膵臓内分泌ホルモン産生細胞を生じさせる肝幹細胞；島細胞を生じさせる膵臓幹細胞と前駆細胞；目の幹細胞と前駆細胞（角膜幹細胞と網膜幹細胞）；中胚葉性血管芽細胞（血管関連幹細胞）にすることができる。例えば骨髄細胞と臍帯血幹細胞は血液疾患（例えば白血病、多発性骨髄腫、リンパ腫）の治療に有用である。深刻な虚血性心疾患を治療するため、骨髄と末梢血からの幹細胞、移植可能な細胞（例えば骨髄からの間充織細胞、末梢血からのCD34+細胞）を冠動脈に注入するか、直接に心筋層に注入することができる。治療上の可能な利点は、心筋の血管形成増加と新たな心筋細胞の形成である。
本発明による一倍体細胞の培養物は比較的安定だが、個々の細胞が二倍体状態へと変換される可能性がある。本発明の細胞は70継代にわたって安定であることが示されている。一日に細胞の2〜3％が二倍体細胞に変換される場合がある。本発明の細胞培養物は、定期的に精製して二倍体細胞を除去するか、リシードを行なうことが好ましい。好ましい実施態様では、本発明の細胞培養物は、一倍体細胞を少なくとも30％、好ましくは少なくとも40％、または少なくとも50％、または少なくとも60％、または少なくとも70％、または少なくとも80％、または少なくとも90％含むか、その割合の一倍体細胞からなる。新たにリシードを行なった培養物または凍結培養物は、一倍体細胞を100％含むか、100％の一倍体細胞からなる。
好ましい実施態様では、二倍体細胞への変換率は最大で一日に10％である。変換率は、特に連続した5日間で平均すると、最大で8％、または最大で6％、または最大で5％、または最大で4％、または最大で3％であることが好ましい。
本発明の細胞培養物は、通常は、複数の一倍体幹細胞を含んでいる。好ましいのは一倍体幹細胞を少なくとも10個、特に好ましいのは一倍体幹細胞を少なくとも50個、より好ましいのは一倍体幹細胞を少なくとも100個、または少なくとも500個、または少なくとも1000個、または少なくとも5000個、または少なくとも10000個、または少なくとも50000個、または少なくとも100000個を含んでいることであり、細胞のうちの上記の割合、例えば少なくと30％が、一倍体である。
本発明の一倍体幹細胞の遺伝子を分析すると、PCRにより、遺伝子発現の識別値が大きい特徴的な遺伝子がいくつか同定された。本発明の細胞では、遺伝子Nanogおよび／またはSall4が、IB10/C細胞と比べて上方調節されることが好ましい。上方調節は少なくとも1.2倍であることが好ましく、少なくとも1.5倍であることがより好ましい。Nanogに関しては、上方調節は少なくとも2倍になることも可能である。
本発明の一倍体細胞はさらに、胚様体（EB）を形成することができる。そのようなEB細胞は、内胚葉マーカーGata4を発現することができる。リアルタイムPCRを用いて分化をさらに確認した。典型的なES細胞マーカーであるNanog、Rex1、Oct4、Sox2、Klf4、Sall4、Kf12のいずれか、またはこれらの任意の組み合わせの発現は、EBではEB分化のない親一倍体幹細胞と比べて下方調節される可能性があるのに対し、分化系列決定マーカーであるHand1（中胚葉、栄養外胚葉）、Nkx2-5とブラキュリー（両方とも内胚葉）、ネスチン（神経）、Gata4、Gata6、Foxa2（すべて初期内胚葉）、Sox17（内胚葉と中胚葉）、Cxcr4R（内胚葉）、ケラチン18（外胚葉）のいずれか、またはこれらの任意の組み合わせのmRNAの発現は、上方調節される可能性がある。こうした違いは、本発明の一倍体幹細胞が、全部で3つある生殖層のいくつかの系譜に分化できることも示している。
本発明の一倍体細胞は、少なくとも1つの幹細胞マーカー（例えばOct4および／またはSox2）を発現することが好ましい。本発明の一倍体細胞は、Gata4+細胞および／またはTuj1+ニューロンを含むEBを形成できることが好ましい。
本発明の特別な1つの目的は、単為生殖の桑実胚または胚盤胞から多能性一倍体胚性幹細胞系を生成させる方法を提供することである。この方法は、
（a）被験雌からの未受精の卵母細胞をインビトロで活性化させて単為生殖を誘導し；
（b）ステップ（a）で活性化された卵母細胞を培養して桑実胚および／または胚盤胞を生成させ；
（c）ステップ（b）の桑実胚および／または胚盤胞から胚性幹細胞を単離し、必要に応じてその胚性幹細胞を、その胚性幹細胞の分化を抑制する細胞培地に移し；
（d）ステップ（c）の胚性幹細胞をFACS分析し、一倍体DNAを含む胚性幹細胞を同定し、および／または豊富化し；
（e）必要に応じ、一倍体DNAを含む胚性幹細胞のFACS精製とその胚性幹細胞の増殖を繰り返すことにより、一倍体胚性幹細胞系を生成させる操作を含んでいる。
この明細書では、単数形に単数と複数の両方が含まれるが、文脈からそうでないことが明らかな場合は別である。例として、“1個の細胞”は、1個の細胞、または2個以上の細胞を意味する。
この明細書では、“含んでいる”、“含む”、“からなる”という用語は、“包含している”、“包含する”や、“含有している”、“含有する”の同意語であって、包括的または無制限であり、記載されていない追加のメンバー、要素、方法のステップを排除しない。明らかに、“含んでいる”という用語は、“からなる”という用語を包含している。
この明細書では、“インビトロ”という用語は、動物またはヒトの身体の外側または外部を意味する。この明細書では、“インビトロ”という用語は、“生体外”を含むものと理解すべきである。“生体外”という用語は、典型的には、動物またはヒトの身体から取り出されて身体の外部（例えば培養容器の中）で維持または増殖された組織または細胞を意味する。この明細書では、“生体内”という用語は、動物またはヒトの身体の内側または内部を意味する。
この明細書では、“単為生殖”または“単為生殖性発生”という用語は、受精なしに卵母細胞から直接に胚へと発達するプロセスを意味する。この明細書では、これらの用語は、卵母細胞、すなわち雌配偶子の活性化が精子の侵入なしに起こるプロセスを意味する。この明細書では、単為生殖は、すべてが雌由来のDNAを含む卵母細胞の活性化によって得られた栄養外胚葉と内部細胞塊を含む初期段階の胚の発生を意味する。したがって“単為生殖の桑実胚または胚盤胞または胚”は、雌配偶子に由来するためにすべて雌の染色体DNAだけを含む桑実胚／胚盤胞／胚を意味する。このような単為生殖性の胚段階または胚は、未受精の雌配偶子（例えば未受精の哺乳動物の卵母細胞）の活性化から導くことができる。これについてはあとでさらに詳しく説明する。
さらに別の一実施態様では、単為生殖胚を雄性生殖から導くことも考えられる。
“配偶子”は、減数分裂によって生じた特殊化された一倍体細胞（例えば精子や卵母細胞）であり、有性生殖が関係する。
この明細書では、“卵母細胞”という用語は、生殖に関係する雌の生殖母細胞または生殖細胞を意味する。言い換えるならば、これは未熟な卵子、すなわち卵細胞である。卵母細胞は、雌の配偶子形成の間に卵巣で産生される。卵母細胞を単離する方法は周知である。本質的には、この方法は、被験雌の卵巣または生殖管から卵母細胞を単離する操作を含むことになろう（例えば『受精保護の原理と実践』、ケンブリッジ大学出版、2011年、J. DonnezとS.S. Kim編を参照のこと）。
本発明の文脈で用いる卵母細胞は、哺乳動物の被験雌から得ることができ、好ましいのはヒト被験者、非ヒト霊長類から選択することである。非ヒト霊長類は、例えば、マカク属（例えばカニクイザル、アカゲザル）、カリスリクス属（例えばコモンマーモセット）、大型類人猿（例えばゴリラ、チンパンジー、オランウータンだが、本発明の文脈では特にヒトが除外される）、マウス、ラット、ヤギ、ブタ、ウマ、ウシ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ラクダである。卵母細胞として、未受精で未熟な卵母細胞、または未受精で成熟した卵母細胞が可能である。卵母細胞は、未受精で未熟な卵母細胞であることが好ましい。その未熟な卵母細胞は、文献に記載されている方法（例えばKrotz他、2010年参照）によってインビトロで成熟させることができる。
本発明の方法の一実施態様では、未受精で未熟な卵母細胞を単離し、インビトロで成熟させた後に活性化させる。
この明細書では、卵母細胞の“活性化”は、未受精の卵母細胞が（好ましくは外部発生的に）活性化され、典型的には染色分体ペアの分離と第2極体の押し出しを含むプロセスを経て、特に一倍体数の染色体（それぞれが1つの染色分体を持つ）を有する卵母細胞になるプロセスを意味する。“活性化”には、すべてが雌由来のDNAを含む細胞を誘導して、内部細胞塊と栄養外胚葉が識別不能な状態で含まれた胚にする方法も含まれる。この胚は、多能性胚性幹細胞を生成させるのに有用である。本発明の実施態様には、卵母細胞または割球細胞（例えば2匹の雄の一倍体核（雄性発生）または2匹の雌の一倍体核（雌性発生）を移植された内部細胞塊細胞や栄養芽細胞）の活性化も含まれる。この明細書では、“活性化された卵母細胞”にはさらに、従来技術（例えばKaufman他、1983年参照）で知られているように、そして添付の実施例にも記載されているように、未受精で場合によっては成熟した卵母細胞をエタノールまたは塩化ストロンチウムとともにインキュベートしたものが含まれる。例えば過剰排卵した雌マウスまたはヒトからの卵母細胞は、所定の期間エタノールに曝露すること、または塩化ストロンチウム（Leeb他、2011年に例示してあるように25mMが好ましい）に曝露することによって活性化させることができる。エタノールは、4％〜8％の範囲が好ましく、5％〜7％がより好ましく（PBS、または生理食塩水、または他の適切な緩衝液に含まれていることが好ましい）、期間は3〜7.5分間が好ましく、4〜6分間がより好ましく、5分間が最も好ましい（さらに好ましいのは、添付の実施例に示してあるように5分間を5％EtOHと組み合わせることである）。活性化された卵母細胞に由来する桑実胚と胚盤胞を生成させるための適切な培養条件は文献に記載されている（例えばいくつか例示すると、Leeb他、2011年；Krotz他、2010年）。
この明細書では、“割球”という用語は、活性化された卵母細胞の分割によって生成したあるタイプの細胞を意味する。
この明細書では、“桑実胚”という用語は、哺乳動物の初期胚発生において形成される構造であり、約16個の分化していない球形細胞からなる固体ボールを意味する。桑実胚で細胞分裂が継続するにつれて割球は形が変化し、互いにきっちりと並ぶ。このプロセスはコンパクションとして知られる。
この明細書では、“胚盤胞”という用語は、哺乳動物の発生において桑実胚が形成された後の初期胚段階である。胚盤胞は、哺乳動物の胞胚の具体的な一例である。胚盤胞は、内部細胞塊（ICM）すなわち胚結節（それが後に胚を形成する）と、細胞の外側層、すなわち栄養芽層（それが後に胎盤を形成する）を有する。ICMは、本発明の胚性幹細胞の1つの供給源であるのに対し、栄養芽層は別の供給源である。栄養芽層は、内部細胞塊と、胞胚腔または胚盤胞腔として知られる流体で満たされた胚盤胞腔を取り囲んでいる。胚盤胞の形成はヒトでは受精の約5日後に始まり、そのとき胞胚腔が桑実胚に向かって開く。したがって“内部細胞塊”という用語は、胚で胎児組織を生じさせる内側部分を意味する。本発明の文脈では、内部細胞塊のこれらの細胞（添付の実施例参照）だけでなく、栄養芽層（Wuら（2011年）の実施例に開示されているOct4によって誘導される栄養芽層、すなわちOiPSであることが好ましい）も、本発明の多能性胚性幹細胞の連続的な供給源を提供するのに使用できる。本発明の文脈で使用される栄養芽層（誘導された栄養芽層が好ましい。ここで誘導されたとは、これらの細胞の多能性の誘導を意味し、その例は、Oct4によって誘導された栄養芽層、OiPSである）は、胚盤胞を破壊することなく胚盤胞（ヒト胚盤胞を含む）から導くことが可能であることが理解されよう。すなわち胚盤胞-“胚”が損傷を受けることはない。対応する方法は、例えば哺乳動物（ヒトを含む）の胚に由来する栄養芽層で実施されることがしばしばある移植前診断（“PID”と呼ばれることがある）の技術分野から当業者には周知である。
本発明では、“内部細胞塊”は、単為生殖から得られる胚の内部を意味する。
“前駆細胞”は、一般に、特殊化されていないか、相対的に特殊化の程度が少なく、増殖可能な細胞を意味する。前駆細胞またはその子孫は、相対的により特殊化された少なくとも1つのタイプの細胞を生じさせることができる。非限定的な例として、前駆細胞は、1つ以上の系譜に沿って分化して相対的にますますより特殊化された細胞を生成させることのできる子孫を生じさせることができる。そのような子孫および／またはますますより特殊化された細胞は、それ自体が前駆細胞になることや、最終的に分化した細胞、すなわち完全に特殊化された細胞（分裂後の細胞でもよい）を生成させることさえできる。前駆細胞には、この明細書で規定した胚性幹細胞も含まれる。
この明細書では、“幹細胞”という用語は、自己複製が可能な前駆細胞、すなわち分化なしに増殖できる前駆細胞を意味する。そのため幹細胞の子孫またはその少なくとも一部は、母幹細胞の特殊化されていない表現型、または相対的に特殊化の程度が少ない表現型と、分化能力と、増殖能を実質的に保持している。幹細胞という用語には、実質的に無制限の自己複製が可能な幹細胞、すなわち子孫またはその少なくとも一部がさらに増殖する能力が母細胞と比べて実質的に低下していない幹細胞のほか、限定された自己複製を示す幹細胞、すなわち子孫またはその少なくとも一部がさらに増殖する能力が母細胞と比べてはっきりと低下している幹細胞が含まれる。前駆細胞または幹細胞は、さまざまなタイプの細胞を生じさせる能力に基づき、通常は、全能性、または多能性、または単能性と記載することができる。
“全能性”細胞は、身体内で分化して任意のタイプの細胞になることができる。そうした細胞には、発生において通常起こる刺激への曝露の後の生殖系が含まれる。したがって全能性細胞は、成長して、すなわち発達して1つの生物個体全体になることのできる細胞と定義することができる。
本発明の対象となる細胞（本発明のさらに別の実施態様を含む）は、全能性ではなく（厳密に）多能性であることが好ましいことが理解されよう。
特に好ましい一実施態様では、本発明の細胞（関連するさらに別のすべての実施態様を含む）は、多能性のヒト細胞または非ヒト霊長類細胞であり、胚盤胞に由来する（栄養芽層に由来することが好ましい）。
“多能性”幹細胞は、増殖して1つの生物個体の全体になることはできないが、3つの生殖層のすべて、すなわち内胚葉、中胚葉、外胚葉から生じるタイプの細胞を生じさせることができ、1つの生物個体のあらゆるタイプの細胞を生じさせることができる。この明細書では、“多能性細胞”は、完全に雌または雄を起源とするDNAを含む細胞の活性化によって生成される胚に由来し、インビトロで長期にわたって、理論的には無限の時間にわたって、異なるタイプの分化した組織（すなわち内胚葉、中胚葉、外胚葉）を生じさせることが可能な未分化の状態に維持できる細胞を意味する。その中には、例えば、骨、軟骨、筋肉への分化が可能な間充織幹細胞；血液、内皮、心筋への分化が可能な造血幹細胞；ニューロン、グリアへの分化が可能な神経幹細胞などが含まれる。一実施態様では、その細胞の多能性状態は、内部細胞塊を、または単為生殖法によって生成された胚の内部細胞塊または栄養芽層（再プログラムされて多能性になる誘導された栄養芽層が好ましい）に由来する細胞を、適切な条件下にて、例えば線維芽細胞支持細胞層または別の支持細胞層の上で、または必要に応じて白血病阻害因子（LIF）を含む周知の培地の中で培養することによって維持される。培養されたこのような細胞の多能性状態は、公知のさまざまな方法で確認することができる。確認には、例えば、（a）多能性細胞に特徴的なマーカーの発現の確認；（b）多能性細胞の遺伝子型を発現する細胞を含むキメラ動物の作製；（c）動物（例えばSCIDマウス）に細胞を注入することによる、生体内での分化したさまざまなタイプの細胞の生成；（d）インビトロでその細胞が胚様体と他の分化したタイプの細胞に分化することの観察といった方法がある。本発明の細胞は多能性であることが好ましい。
“多能性”細胞は、生物個体の2つ以上の異なる臓器または組織のそれぞれから少なくとも1つのタイプの細胞を発生させることができる。そのタイプの細胞は、同じ生殖層または異なる生殖層に由来するものが可能だが、1つの生物個体のあらゆるタイプの細胞を生じさせることはできない。逆に、“単能性”細胞は、1つの細胞系譜だけの細胞に分化することができる。
この明細書では、“胚性幹（ES）細胞または胚性幹細胞系”は、（例えばMartin（1981年）とEvans（1981年）に報告されているように）桑実胚または胚盤胞から単離された胚性幹細胞（哺乳動物のものが好ましい）の特徴を有する細胞または細胞系を意味する。すなわち胚性幹細胞は、無限に増殖することが可能であり、生物個体の特殊化されたあらゆるタイプの細胞に分化することができる。その中には、3つの胚性生殖層とあらゆる体細胞系譜が含まれ、さらには生殖系も含まれることが好ましい。この明細書では、“細胞系”という用語は、最も広い意味で、例えば哺乳動物の桑実胚または胚盤胞に由来することが好ましい永続的に確立された細胞培養物または細胞集団であって、適切な細胞培養条件が与えられると（少なくとも理論的には）培地の中で無限に分裂できるものを意味する。“桑実胚または胚盤胞に由来する”は、胚性幹細胞が桑実胚または胚盤胞から単離されることを意味する。例えば胚性幹細胞は、胚盤胞の内部細胞塊または栄養芽層から単離することができる。桑実胚または胚盤胞は、胚性幹細胞の単離によって損傷したり破壊されたりしないこと、すなわち“残される”胚がこの手続きによって傷つかないことが好ましい。胚性幹細胞は、細胞質に対する核の比が大きく、核小体がはっきりしていて、無限に増殖することができ、生物個体の特殊化されたほとんどのタイプの細胞、またはあらゆるタイプの細胞に（例えば3つの胚性生殖層、あらゆる体細胞系譜と、好ましくは生殖系にも）分化することができる。生物個体の特殊化されたあらゆるタイプの細胞に分化できて生殖系にも寄与する胚性幹細胞は、全能性である。いくつかの場合には、生物個体の特殊化されたほとんどすべてのタイプの細胞に分化できるが、1つの、または少数の特殊なタイプの細胞には分化できない胚性幹細胞が得られる。例えばThomsonら（1995年）は、別の胚盤胞に移したときに生殖系に寄与しない霊長類胚性幹細胞の単離を記載している。“胚性幹細胞系”という用語には、平坦な形状ではっきりした核小体を持ち、不死であり、あらゆるタイプの体細胞に分化することができ、別の胚盤胞に移したときに生殖系に寄与することはできない哺乳動物の内部細胞塊または胚盤葉上層から単離された細胞系である胚性幹様細胞（ES様細胞）が含まれるものとする。例えば最近の研究では、Oct4を過剰発現させたときに栄養芽層幹細胞をES様多能性幹細胞に変換できることが見いだされた（Wu他、（2011年））。このことに照らすと、本発明の手段と方法の一実施態様において、Oct4を過剰発現している栄養芽層細胞を用いて一倍体のES様細胞とES様細胞系を生成させることもできる。“胚性幹細胞系”という用語には、単離されたICMまたは桑実胚に直接由来し、継代なしに連続的なES細胞系またはES様細胞系が確立される“内部細胞塊由来の細胞”（ICM由来の細胞）も含まれるものとする。胚性幹細胞を作製し、培養し、使用する方法は、例えばアメリカ合衆国特許第6,235,970号または第7,592,175号に記載されている（その内容の全体がこの明細書に組み込まれている）。例えばその細胞は、適切な条件下で培養することができる。例えば、ES細胞の分化を抑制する白血病阻害因子（LIF）の存在下にて、線維芽細胞支持細胞層または別の支持細胞層の上で培養することができる。この明細書では、“胚性幹細胞”という用語に、単離された胚性幹細胞、または初代胚性幹細胞、またはその集団または細胞系から確立された細胞系が含まれる。この用語には、分化していない形態または分化した形態の胚性幹細胞が包含される。この用語には、そのような分化していないか分化した胚性幹細胞を含む胚性幹細胞の子孫、またはその細胞系の子孫、または細胞集団の子孫も含まれる。場合によっては、この明細書の別の箇所に述べてあるように、その胚性幹細胞を遺伝子操作して改変する（例えば突然変異させる）。典型的な胚性幹細胞マーカーは公知であり、例えばアルカリホスファターゼ、Oct4、Sox2、Nanog、Klf4、Rex1、Klf2、cMyc、Sall4、SSEA-1が挙げられる。胚性幹細胞の未分化の多能性状態または全能性状態は、公知のさまざまな方法で確認できる。例えば多能性／全能性細胞に特徴的なマーカーの発現によって確認することができる。多能性／全能性ES細胞は、例えばOct4（POU転写因子のメンバー）とNanogの高レベルの発現を特徴とすることができる。幹細胞の多能性／全能性を維持するには臨界量のOct4とNanogが必要とされる。ES細胞の分化が誘導されるとき、Oct4とNanogは下方調節される。それが、固有かつ分岐的な発生プログラムにとって不可欠であることが証明されている（例えばCavaleri他（2003年）；Mitsui他（2003年）を参照のこと）。
“一倍体の胚性幹細胞または胚性幹細胞系の増殖”は、一倍体細胞の宿主となる生物の外部で人工的に生成させた増殖中の一倍体細胞からなる胚性幹細胞系を意味する。典型的には、そのような一倍体細胞系はインビトロ培養物に含まれる。あるいは一倍体細胞は、例えば偽妊娠雌マウスまたはSKIDマウスに注入して分化したタイプの細胞を生成させることによって生体内で増殖させることができる。
この明細書では、“単離された細胞”または“単離された（一倍体）胚性幹細胞”は、一般に、生体内で関係がある1個以上の細胞または1個以上の細胞要素と関係していない状態の細胞を意味する。例えば単離された細胞として、元の環境から取り出されたもの、または元の環境から取り出した細胞の増殖（例えば生体外増殖）によって生じたものが可能である。この明細書では、胚性幹細胞は、単離された胚性幹細胞であることが好ましい。例えば胚性幹細胞は、胚、胚性組織、胚段階（例えば桑実胚段階または胞胚段階（例えば哺乳動物の胚盤胞））から単離できるが、胚盤胞の内部細胞塊から単離されることが好ましい。しかしWuら（2011年）の最近の研究は、Oct4を過剰発現させているときに栄養芽層細胞を再プログラムして多能性ES様細胞にできることを示唆している。本発明の方法によって生成される一倍体の胚性幹細胞とES様細胞系は、例えばヒト、非ヒト霊長類に由来するものが可能である。非ヒト霊長類は、例えば、マカク属（例えばカニクイザル、アカゲザル）、カリスリクス属または大型類人猿（例えばゴリラ、チンパンジー、オランウータン）、マウス、ラット、ヤギ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ラクダである。
この明細書では、“細胞集団”という用語は、一般に、細胞の集まりを意味する。特に断わらない限り、この用語は、本発明の単離された一倍体胚性幹細胞からなるか、本発明の単離された一倍体胚性幹細胞を含む細胞群を意味する。言及した細胞集団は、それでも二倍体細胞を、少数であるとはいえ含んでいる可能性があることが想定されている。その割合は、例えば、各集団の全細胞カウント数の20％以下、15％以下、10％以下、5％以下、4％以下、3％以下、2％以下、1％以下のいずれかである。細胞集団は、共通する表現型を持つ細胞からなるか、共通する表現型を持つ細胞の少なくとも一部からなる。細胞は、1つ以上の証明可能な特徴が実質的に似ているか同じであるとき、共通する表現型を持つと言われる。そのような特徴として、例えば、形態；特定の細胞成分または産物（例えばRNA、タンパク質、細胞特異的マーカー、他の物質）の存在、不在、発現レベル；所定の生化学経路の活性；増殖能力および／または動力学；インビトロで培養中の分化能力および／または分化シグナルに対する応答、または挙動（例えば接着、非接着、単層成長、増殖の動力学）などがあるが、これらに限定されない。したがってこのような証明可能な特徴が、細胞集団またはその一部を規定する可能性がある。例えばHMSc1およびHMSc2と名づけた本発明の2つの一倍体ES細胞系は、トランスクリプトーム解析において、二倍体ES細胞系IB10/Cのものと非常によく似た発現プロファイルを示した（図9参照）。
この明細書で細胞集団が“異種”であると言うとき、それは、一般に、共通の表現型を持たない2つ以上の細胞またはその一部を含む細胞集団（例えば2つ以上の異なるタイプの細胞を含む細胞集団）を意味する。非限定的な例として、異種細胞集団は、胚性組織または胚段階（例えば桑実胚または胚盤胞）から単離することができ、内部細胞塊や栄養芽層の細胞など、さまざまなタイプの細胞を含んでいる可能性がある。
この明細書で細胞集団が同種であると言うとき、それは、共通の表現型を持つ細胞からなり、その細胞は一倍体でもある。この明細書で“実質的に同種の”と呼ぶ細胞集団は、共通の表現型と一倍性を持つ細胞が実質的に大半を占めている。“実質的に同種の” 細胞集団は、共通の表現型（例えば具体的に言及されている表現型。その例は、この明細書で規定した胚性幹細胞やこの明細書で規定した胚性幹細胞の前駆細胞の表現型）と一倍性を持つ細胞を、少なくとも70％、少なくとも80％、少なくとも85％、好ましくは少なくとも90％、少なくとも95％、96％、97％、98％、それどころか少なくとも99％含んでいる可能性がある。この明細書では、“実質的に同種の”という用語に同種集団も確かに含まれる。例えば以下の実施例に記載する本発明の一倍体胚性幹細胞系は、実質的に同種の細胞集団、それどころか同種の細胞集団と見なすことができる。
この明細書では、“単離する”という用語は、胚盤胞の桑実胚または内部細胞塊または栄養芽層から胚性幹細胞を取り出すことを意味する。例えばヒト胚は受精の4〜5日後に胚盤胞の段階に到達し、その時点で約50〜150個の細胞からなる。好ましいことに、本発明の桑実胚または胚盤胞から胚性幹細胞を単離しても胚盤胞が破壊されたり損傷したりすることはない。例えば単為生殖胚盤胞の内部細胞塊の単一の細胞を単離し、適切な細胞培養条件のもとで増殖させて一倍体胚性細胞系にすることができる。
本発明の方法で単為生殖の桑実胚または胚盤胞に由来する一倍体胚性幹細胞系を“生成させる”という用語は、（未受精の活性化された卵母細胞に由来する）桑実胚または胚盤胞から単離された一倍体胚性幹細胞系を生成させることを意味する。
“FACS”または“FACS分析”は、流体流の中を通過する細胞または粒子の所定の物理的性質と化学的性質をレーザー光線によって測定するためのよく知られた手段である。“フローサイトメトリー”という用語は、個々の細胞（サイト）が一連の検出器を通過するときの測定（メーター）に由来する。フローソーティングはフローサイトメトリーの拡張であり、測定した1つ以上の特徴が、ユーザーが設定した値の範囲に入る細胞を方向転換させて回収する電気的手段または機械的手段を用いて実施する。フローサイトメトリー（FCM）の主な用途として、細胞周期の分析、アポトーシス、壊死、多色分析、細胞ソーティング、機能分析、幹細胞分析が挙げられる。FACS分析を利用すると、以下の実施例に記載してあるように、一倍体DNAを含む胚性幹細胞を同定し、ソーティングし、精製し、豊富にすることができる。この明細書の“FACS分析”は、本発明の方法の文脈では、一倍体細胞の豊富化または精製を意味することが好ましい。
この明細書では、“二倍体細胞”は、二倍体DNAを含む細胞（例えば卵母細胞、割球、胚性幹細胞）を意味する。マウスでは、二倍体卵母細胞は40本の染色体を持ち、1セット（20本の染色体）がそれぞれの親に由来する。ヒトでは、二倍体卵母細胞は46本の染色体を持ち、1セット（23本の染色体）がそれぞれの親に由来する。この明細書では、“二倍体DNA”は、ヒトでは46本の染色体を意味し、1つが雄のセット、1つが雌のセットであり、マウスでは40本の染色体を意味する。“二倍体細胞”は、相同なペアになった染色体を持ち、各常染色体遺伝子座の2つのコピー（2n）を有する。“接合体”は、雄の配偶子と雌の配偶子が受精の間に融合することによって生まれる二倍体細胞である。
この明細書では、“一倍体細胞”は、一倍体DNAを含む細胞（例えば卵母細胞、割球、胚性幹細胞）を意味し、その一倍体DNAは、すべてが雄または雌を起源とする（雌を起源とすることが好ましい）。同様に、本発明の一倍体の（単為生殖）割球、桑実胚、胚盤胞、胚性幹細胞、胚性幹細胞系、胚性幹細胞集団は、一倍体DNAを含むことを特徴とする。この明細書では、“一倍体DNA”は、ヒトではすべてが雄または雌を起源とする23本の染色体を意味する。マウスでは、一倍体DNAは20本の染色体を意味する。“一倍体細胞”は、染色体が一倍体の数（1n）である細胞を意味する。以下の実施例で示すように、本発明の一倍体胚性幹細胞は、例えば以下の手続きによって生成させることができる。マウスでは、過剰排卵させた雌マウスからの卵母細胞を5％エタノールまたは25mMの塩化ストロンチウムに曝露することによって活性化させることができる。活性化の後、卵母細胞を偽妊娠レシピエントに移す。胎生日齢（ED）3.5日目に、コンパクトになった桑実胚と胚盤胞を回収し、胚性幹細胞の導出に用いる条件下で培養する。図1Aも参照のこと。
この明細書では、“過剰排卵させたマウス”という用語は、過剰排卵させたマウスを典型的には交接後（pc）3.5日目にドナー卵母細胞の供給源として使用できることを意味する。このマウスは、例えばPMSGとhCGホルモンを成熟前の雌に注射することによって作製できる。
この明細書では、“分化”、“分化する”、“その導出物”という用語は、特殊化されていないか、相対的に特殊化が少ない細胞が相対的により特殊化された細胞になるプロセスを意味する。細胞の個体発生の文脈では、“分化した”という形容詞は、相対的な用語である。したがって“分化した細胞”は、比較する細胞よりも所定の発生経路をより先まで進んでいる細胞である。分化した細胞として、例えば最終的に分化した細胞、すなわち生物のさまざまな組織と臓器で特定の機能を果たす完全に特殊化した細胞が可能である。この細胞は有糸分裂後であってもよいが、必ずしもその必要はない。別の例では、分化した細胞として、分化系譜に含まれていて、さらに増殖および／または分化することのできる前駆細胞も可能である。同様に、細胞は、比較する細胞よりも所定の発生経路をより先まで進んでいるとき、“相対的により特殊化している”。したがって比較対象の細胞は、“特殊化していない”か“相対的に特殊化が少ない”。相対的により特殊化した細胞は、特殊化していないか、相対的に特殊化が少ない細胞と比べて1つ以上の証明可能な表現型の特徴（例えば特定の細胞成分または産物（例えばRNA、タンパク質、特定の細胞マーカー、他の物質）の存在、不在、発現レベル；所定の生化学経路の活性；形態；増殖能力および／または動力学；分化能力および／または分化シグナルに対する応答など）が異なっている可能性がある。そのような特徴は、相対的により特殊化した細胞がその発生経路に沿ってより先まで進んでいることを意味する。
分化の非限定的な例として、例えば、所定の細胞系譜内で、多能性幹細胞が所定のタイプの多能性の前駆細胞または幹細胞になること、多能性の前駆細胞または幹細胞が所定のタイプの単能性の前駆細胞または幹細胞に変化すること、単能性の前駆細胞または幹細胞がより特殊化したタイプの細胞、または最終的に特殊化した細胞に変化することが挙げられる。特殊化していないか特殊化がより少ない細胞からより特殊化した細胞への分化は、特殊化が中程度の細胞の出現を通じて進行することができる。例えばこの明細書で言及する単離された一倍体胚性幹細胞は、以下の実施例に示してあるように、インビトロと生体内であらゆる生殖層、すなわち内胚葉、外胚葉、中胚葉に分化することができる。
“遺伝子スクリーニング”、“遺伝子診断”、“遺伝子分析”、“遺伝子試験”は、本発明の一倍体細胞または細胞系を通常の方法で分析して、ある表現型、疾患、状態に関係する特定の存在または不在を検出することを意味する。そのような方法として、例えばインサイチュ・ハイブリダイゼーション、ポリメラーゼ連鎖反応、ネスティッド・ポリメラーゼ連鎖反応、蛍光測定検出法、RFLP分析、VNTR検出法またはSTR検出法（多数のタンデム反復ジヌクレオチドまたは他の短鎖タンデム反復（STR）配列で使用するためのスクリーニングを行なう）、一本鎖高次構造多型（SSCP）分析（勾配ゲル電気泳動（DGGE）による）、ミスマッチ開裂分析（すなわち酵素（RNAse A）または化学的（ピペリジン）手段による）がある。このような方法は以下の実施例に記載されており、この分野では周知である（Sambrook、『分子クローニング：実験室マニュアル』、コールド・スプリング・ハーバー研究所、第3版、2001年）。
“遺伝子選択”は、遺伝子試験を利用してある遺伝子型を選択するように仕向けることを意味する。
“遺伝子改変”または“遺伝子操作”は、細胞のゲノム、好ましくは本発明の一倍体胚性幹細胞のゲノムを改変することを意味する。その中には、挿入、欠失、置換による改変が含まれる。改変は、ゲノム内の標的部位でなされることが好ましい。好ましい一実施態様では、改変された一倍体ES細胞は、最終的に、改変された／操作された遺伝子を発現する動物を作製するための核移植で使用される。
“操作”は、雄または雌を起源とする望む一倍体ゲノムを含む細胞の数を増加させることを意味する。
“核移動”または“核移植”という用語は、ドナー細胞からの核を、核を除去された卵母細胞に移植するクローニングの方法を意味する。核移動技術または核移植技術は文献で知られている（例えばLorthongpanich他（2010年）による概説とその中で引用されている参考文献を参照のこと）。本出願では、核移動または核移植、すなわちNTは、同じ意味で用いる。この定義には、選択した1つ以上の一倍体ゲノムを移植して胚を生成させることも含まれる。
“機能性遺伝子の欠如”は、その遺伝子の全体が被験対象のゲノムから失われているか、その遺伝子が突然変異してもはや機能できないことを意味する（例えば野生型タンパク質を産生することができない）。
“遺伝子の欠陥”は、遺伝子の転写の変化、タンパク質になる遺伝子のmRNAの翻訳の変化、タンパク質または遺伝子のmRNAの半減期の変化、遺伝子の野生型発現からのそれ以外の変化に対応する核酸の欠失または挿入を意味する。所定の遺伝子のさまざまな形態は“対立遺伝子”と呼ばれる。所定の遺伝子の“野生型対立遺伝子”は、天然の集団内に相対的に多い頻度で存在していて、野生型表現型、すなわち正常な表現型を生じさせるものである。異常な表現型または非野生型表現型となる遺伝子の対立遺伝子は“突然変異対立遺伝子”である。接合性は、生物のある形質に関して対立遺伝子が類似していることを意味する。両方の対立遺伝子が同じ場合には、生物はその形質に関してホモ接合性である。両方の対立遺伝子が異なる場合には、生物はその形質に関してヘテロ接合性である。一方の対立遺伝子が失われている場合には、それは半接合性であり、両方の対立遺伝子が失われている場合には、それは無接合性である。
本発明は、任意の方法によって一倍体染色体を含む胚性幹細胞を生成させて増殖させることと、これらの細胞を利用して遺伝子評価（例えば順遺伝子スクリーニングや遺伝子劣性スクリーニング）を実施したり、遺伝子を改変したり、特定の一倍体ゲノムを倍加させたりすることと、これらの細胞を利用して二倍体のDNAを含む胚を生成させることに関する。
単為生殖の桑実胚または胚盤胞に由来する一倍体胚性幹細胞系を生成させるには、未受精の卵母細胞を被験雌から単離する必要がある。本発明の被験雌は、哺乳動物の雌であり、ヒト、非ヒト霊長類の中から選択することが好ましい。非ヒト霊長類は、上述のように、例えば、マカク属（例えばカニクイザル、アカゲザル）、カリスリクス属または大型類人猿（例えばゴリラ、チンパンジー、オランウータン）、マウス、ラット、ヤギ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ラクダなどである。哺乳動物の卵母細胞を単離する方法は文献に記載されている。単離された卵母細胞は、未熟な卵母細胞でも、成熟した卵母細胞でもよい。単離された未受精の卵母細胞は、文献で知られているようにしてインビトロで成熟させることのできる未熟な卵母細胞であることが好ましい。次のステップでは、その卵母細胞をインビトロで活性化させ、単為生殖発生を誘導する。それは、卵母細胞をエタノールまたはストロンチウム塩に曝露することによって実現できる。例えば5％または7％のエタノール、または25mMの塩化ストロンチウムをこの目的で使用できる。次に、活性化された卵母細胞を、桑実胚および／または胚盤胞の生成を可能にする適切な培養条件下で培養する。この培養条件は公知である。次にその桑実胚または胚盤胞を、本発明の胚性幹細胞を単離するための供給源として使用することで、本発明の細胞は、胚盤胞に由来する多能性細胞の非常に好ましい実施態様になる。胚性幹細胞の単離は文献に記載されている（例えば『奇形癌と胚性幹細胞：実際的アプローチ』、Robertson E.J.編、1987年、オックスフォード：IRL出版；『マウス胚の操作』、Nagy A.他、2003年、コールド・スプリング・ハーバー出版、第3版）。場合によっては、単離された胚性幹細胞を、その胚性幹細胞をの分化を抑制する細胞培地に移す。それを実現する手段と方法は当業者には周知であり、例えばLIFをその培地または緩衝液の中に添加する操作を含んでいる。単離された、または培養された胚性幹細胞を次にステップでFACS分析し、一倍体DNAを含む胚性幹細胞を同定する、および／または豊富にする。オプションである別のステップでは、一倍体DNAを含む胚性幹細胞のFACS精製とその胚性幹細胞の増殖を1回以上、好ましくは2回、または3回、または4回、または5回以上繰り返すことにより、安定な一倍体胚性幹細胞系を生成させる。本発明の要点は、1つの側面では、インビトロで活性化した卵母細胞を用いた単為生殖発生の誘導の発見にある。
図1Aは、マウスからの単為生殖の誘導と本発明の一倍体ES細胞系の導出の全体図を示している。5％エタノールまたは25mMの塩化ストロンチウム（SrCl2）を用いてマウス卵母細胞を活性化し、偽妊娠雌に移植した。次に、胚盤胞からES細胞を生成させ、一倍体細胞をFACSによってソーティングした。安定な一倍体細胞が導出されるまで培養物を定期的にソーティングした。
ヒト卵母細胞を成熟させて胚盤胞にすることは、公知のインビトロ受精（IVF）プロトコルを改変することによって実現できる。例えば卵巣を過剰に刺激して多数の卵子を回収することができる。その後、超音波でガイドしながら膣を通じて卵母細胞を回収することで、卵巣から卵母細胞を直接取得する。単離された卵母細胞は、インビトロで36〜48時間にわたって成熟させることができる。この明細書に記載した適切な単為生殖活性化と、従来から知られている細胞培養条件を利用して桑実胚または胚盤胞を生成させ、そこから本発明のヒト一倍体胚性幹細胞を単離することができる。
本発明はさらに、一倍体胚性幹細胞系に関するものであり、その例は、一倍体マウス胚性幹細胞系である。単為生殖胚は一倍体卵母細胞から発生するため、母のゲノムだけを含んでいる。しかし単為生殖胚に由来される報告されているどの細胞系も染色体の二倍体セットを有する（Kaufman他、1983年）。本発明の発明者は、一倍体細胞が単為生殖初期胚にまだ存在していて、そのような胚盤胞から一倍体ES細胞を導出できると仮定した。それを実現するため、発明者は、過剰排卵させたC57BL/6×129 F1雌からの卵母細胞を5％エタノールに曝露することによって活性化した。次に、活性化された卵母細胞を偽妊娠レシピエントに移した（図1A参照）。胎生日齢（ED）3.5日目に、コンパクトになった桑実胚と胚盤胞を回収し、ES細胞の導出に用いる条件下で培養した。FACS分析から、単為生殖に由来する少数の細胞で実際にDNA含量が減っていることがわかった（図8A）。この集団に対する数回のFACS精製とその後の増殖により、2つの明確に異なる胚盤胞に由来する2つの独立な細胞系（それを今後はHMSc1とHMSc2と名づける）が得られ、それら細胞系は、細胞周期のG1期では1n染色体セット、G2期では2n染色体セットであった（図1B、図8A）。染色体の広がりから、両方の細胞系が、20本の染色体からなる一倍体セットを有することがわかった（図1C、図8B）。両方の細胞系が今では50回を超える継代を経ていて、増殖の危機の兆候はないことに注意されたい。したがって発明者は、有糸分裂する卵母細胞の活性化と、胚盤胞の単為生殖による誘導により、一倍体染色体セットを持つマウス細胞を確立することができた。
当業者であればわかるように、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系はさまざまな用途（例えばインプリンティングの調節の研究）に使用できる。本発明によって母親だけを起源とする一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系が提供されるため、対立遺伝子特異的な発現または抑制を支配しているメカニズムを分析する新規なツールとなる。
それに加え、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系は、ホモ接合性突然変異誘発に使用できる。一倍体染色体が含まれることと、時間経過とともに二倍体になろうとする固有の傾向が組み合わさることで、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系は、劣性表現型分析を可能にするホモ接合性突然変異を発生させるのに理想的である。その目的で、発明者は、レトロウイルス遺伝子トラップ突然変異誘発と、トランスポゾンによって容易になる突然変異誘発をうまく利用して大規模なホモ接合性突然変異を発生させた。同様にして、放射線または化学物質を用いてランダムな突然変異を誘発させることができる。発明者は、相同組み換えをうまく実行して望む任意の突然変異を導入することにも成功した。
さらに、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系を用いてホモ接合標的マウスを迅速かつただちに生成させることにより、時間のかかる交配の必要性を回避することができる。これは、その細胞と細胞系が二倍体化という固有の特性を示すという事実によるものであり、内部複製または失敗した細胞質分裂による可能性が非常に高い。このような二倍体の雌胚性幹細胞は、マウス胚盤胞に注入するときに多くの組織に大いに寄与し、したがって例えばホモ接合マウスまたはキメラマウスにおいてホモ接合マウス組織になる可能性がある。好ましいことに、本発明の一倍体胚性幹細胞は生殖系に寄与する。
本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系を適用できる別の用途は、哺乳動物におけるセミクローニングである。セミクローニングは、有性生殖で一般的なように、体細胞のゲノムを人工的に混合して新たな遺伝子の組み合わせを生じさせることと定義される。その目的で、例えば以下の2つの実験を実施することができる。
1）卵母細胞を精子ではなく一倍体胚性幹細胞の核と人工的に受精させることができる。この方法がうまくいくなら、2匹の雌からの生存する初めての子孫となろう。
2）受精した卵母細胞の雌前核を取り出し、本発明の一倍体胚性幹細胞の一倍体ゲノムで置き換え、雄の前核と融合させることができよう。そうすることで一倍体胚性幹細胞はヘテロ接合マウスを生み出すため、導入された潜在的な突然変異が生体内に取り込まれ、それを詳細に分析することができよう。
さらに、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系を用い、突然変異誘発による一倍体または二倍体の胚性幹細胞、または初代細胞の文脈で、ホモ接合性における遺伝子ノックアウトのゲノムワイドなライブラリを生成させることができる。このような細胞を組織培養物または生体内で使用して遺伝子の機能を研究することができる。数千の突然変異を発生させてそのすべての配列を求めることを目的として、発明者は、例えば、数千のクローンを並列に突然変異させ、取り出し、増殖させ、凍結させ、分析するためのプロトコルを確立した。要するに、ランダムに突然変異した1つの細胞に由来するES細胞のコロニーを取り出し、各コロニーを個別に凍結させ、そのコロニーの一部は増殖もさせてDNAを抽出した。そうすることで、以下の実施例に示してあるように、突然変異が同定された数千の個別の細胞系を生成させ、別々に凍結させることができた。
最後に、本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系を用いて細胞培養物を迅速にスクリーニングすることができる。飽和突然変異誘発プロトコルの後、細胞集団を用い、多重発生プロセスまたは病理プロセスのための新規な遺伝子機能を同定することができる。そのような新規な遺伝子機能は、興味深い薬標的の一部となろう。そのようなスクリーニングに必要な技術は最近公開された（Carette他、2009年）。原理の証明として、発明者は、リシン毒性のスクリーニングを実施し、リシン毒性に関与する多数の新規遺伝子の同定に成功した。
本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系の詳細な分析と、多彩な遺伝子および薬に関するスクリーニングとアプローチにおける応用（例えば、飽和遺伝子劣性スクリーニングを可能にし、その結果としてホモ接合対立遺伝子が得られる、すなわち順遺伝子スクリーニングを可能にする可逆的突然変異誘発プロトコル）を以下の実施例に示す。
本発明の方法の好ましい一実施態様では、ステップ（a）の未受精の卵母細胞は、インビトロで成熟した卵母細胞である。
本発明の方法の別の好ましい一実施態様では、ステップ（a）の卵母細胞は、その卵母細胞をエタノール（5％が好ましい）または塩化ストロンチウム（SrCl2）（25mMが好ましい）に曝露することによって活性化される。
本発明の方法のさらに別の好ましい一実施態様では、ステップ（d）および／または（e）を少なくとも5回繰り返す。
本発明の方法のさらに別の好ましい一実施態様では、被験雌は哺乳動物であり、ヒト、非ヒト霊長類が好ましい。非ヒト霊長類は、例えば、マカク属（例えばカニクイザル、アカゲザル）、カリスリクス属（例えばコモンマーモセット）、大型類人猿（例えばゴリラ、チンパンジー、オランウータン。しかし本発明の文脈では特にヒトが除外される）、マウス、ラット、ヤギ、ブタ、ウマ、ウシ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ラクダである。
本発明の方法の好ましい一実施態様では、細胞系の一倍体胚性幹細胞は、細胞周期のG1期に1n染色体セットを持ち、G2期に2n染色体セットを持つことを特徴とする。
本発明の方法の別の好ましい一実施態様では、細胞系で生成した胚性幹細胞の少なくとも60％、好ましくは65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、それどころか100％が一倍体である。
本発明の方法のさらに別の好ましい一実施態様では、細胞系の一倍体胚性幹細胞は、アルカリホスファターゼ、Oct4、Sox2、Nanog、Klf4、Rex1、Klf2、cMyc、Sall4、SSEA-1の中から選択した1つ以上の胚性幹細胞マーカーの発現を特徴とする。
本発明の方法のさらに別の好ましい一実施態様では、細胞系の一倍体胚性幹細胞は、少なくとも50、55、60、65、70、75、またはそれ以上の継代数にわたって安定に増殖する。
本発明の方法の好ましい一実施態様では、細胞系の一倍体胚性幹細胞は、少なくとも7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、50、またはそれ以上の継代数にわたって一倍性を維持する。
本発明の方法の別の好ましい一実施態様では、この方法はさらに、細胞系の一倍体胚性幹細胞を分化させる操作を含んでいる。
本発明の方法の追加の好ましい一実施態様では、この方法はさらに、細胞系の一倍体胚性幹細胞を遺伝子改変する操作を含んでいる。
さらに別の一実施態様では、この方法はさらに、本発明の一倍体細胞（例えば突然変異または核酸配列の挿入（例えばベクター）によって遺伝子改変した細胞が好ましい）を二倍体細胞に形質転換する操作を含んでいる。その二倍体細胞は、同質遺伝子型（同じ性染色体セットを含んでいる）である。
本発明はさらに、本発明の上記の方法によって生成した一倍体胚性幹細胞に関する。
それに加え、本発明により、桑実胚または胚盤胞に由来し、少なくとも60％の一倍体胚性幹細胞を含む胚性幹様細胞系も提供される。
本発明の方法に関して記載した定義と実施態様は、必要に応じて本発明による一倍体の胚性幹細胞と胚性幹細胞系に適用される。
それに加え、本発明は、本発明の桑実胚または胚盤胞に由来する胚性幹細胞または胚性幹細胞系から得られるライブラリに関する。このようなライブラリは、ゲノム・スケールでの順遺伝子学と逆遺伝子学のためのツールとして使用できる。例えば発明者は、本発明の胚性幹細胞系の1つでHMSc2-27と名づけたものを新たにFACS精製した一倍体培養物の細胞5×108個に、可逆的遺伝子トラップを含む以前に報告されているレトロウイルス（Schnutgen他、2008年）を感染させ、一倍体マウスES細胞における突然変異誘発の力を明らかにした。このベクターは、除去可能なOct-4結合部位も含んでいる（Schnutgen他、2008年）ため、幹細胞の中で検出可能な発現が非常に少ないかない遺伝子への挿入が可能である。感染後、コロニー形成アッセイから判断すると7.5×106個の独立なゲノム挿入体が生成した。次に胚性幹細胞コロニーをプールし、300万個の細胞に対応する10μgのゲノムDNAを逆PCRとディープ・シークエンシングによって分析してウイルス挿入部位のマッピングをした。発明者は、176,178個の挿入をあいまいさなく同定できた。このライブラリが40倍を超える（7.5×106）独立な組み込みからなることを考えると、突然変異誘発プロトコルは、原則として大半の遺伝子を分断する力を有する。このライブラリを高スループット逆遺伝学のためのツールとして利用することを以下の実施例で詳細に示す。簡単に述べると、このシステムにより、マイクロRNAプロセシング酵素Droshaのためのノックアウト細胞系の生成が可能になった。それに加え、順遺伝子スクリーニングでは、Gpr107が、生物兵器として使用される毒素であるリシンによって殺すのに不可欠な分子であることが同定された。当業者であれば、本発明の一倍体胚性幹細胞に導入された突然変異は、その胚性幹細胞の二倍体状態においてホモ接合であることがわかるであろう。したがってその二倍体胚性幹細胞は、順遺伝子法および逆遺伝子法としても使用できる（図6参照：組み込みによってそれぞれの遺伝子座がホモ接合突然変異となる）。
本発明には、桑実胚または胚盤胞に由来する本発明の一倍体胚性幹細胞または細胞系を含むキットまたは試験システムも含まれる。
この明細書では、“キット”という用語は、桑実胚または胚盤胞に由来する本発明による一倍体の胚性幹細胞または胚性幹細胞系と、この明細書に記載した方法を実行するためにすぐに使用できるようにして別のバイアルまたは共通のバイアルに入れられている指示シートを含む手段をまとめたものを意味する。キットはさらに、典型的な胚性幹細胞マーカー（例えばOct4、Nanog、SSEA-1、アルカリホスファターゼ（AP）、Rex1、Sox2、Klf4、Klf2、Sall4）またはこの明細書で言及した他のマーカーに特異的に結合するPCRプライマまたは抗体を含んでいてもよい。多能性ES細胞は、Oct4とNanogの高レベルの発現を特徴とすることができる。幹細胞の多能性を維持するには臨界量のOct4とNanogの発現が必要とされる。ES細胞の分化を誘導するとき、Oct4とNanogは下方調節される。ES細胞が未分化の状態は、細胞表面抗原SSEA-1、SSEA-3、SSEA-4の発現によって特徴づけられることがしばしばある。SSEA-1は、八細胞段階にある移植前段階のマウス胚の表面で発現しており、奇形癌幹細胞の表面で見いだされたが、その分化した導出体では見いだされなかった。SSEA-3とSSEA-4は卵形成の間に合成され、卵母細胞の膜、接合体、初期卵割段階の胚に存在する。これら炭水化物関連分子の生物学的な役割は、発生の間の細胞表面の相互作用の制御であることが示唆されている。未分化の霊長類ES細胞、ヒトES細胞、ヒト胚性癌（EC）細胞はSSEA-3とSSEA-4を発現するが、SSEA-1は発現しない。しかし未分化のマウスES細胞はSSEA-1を発現するが、SSEA-3またはSSEA-4は発現しない。アルカリホスファターゼは、血液、腸、肝臓、骨細胞の中にある酵素であり、糖タンパク質のさまざまな膜結合アイソフォーム（共通のタンパク質構造を有するが炭水化物の含量が異なる）として存在する。これら酵素はアルカリのpHで非常に活性であるため、そのような名前となっている。ヒトの未分化のEC細胞、ES細胞、胚性生殖（EG）細胞は、アルカリホスファターゼの肝臓／骨／腎臓アイソザイムを非常に高レベルで発現することがわかった。アルカリホスファターゼの発現レベルは幹細胞が分化するにつれて低下する。別の好ましい一実施態様では、キットは、分化系列決定マーカー（例えばHand1（中胚葉と栄養外胚葉）、Nkk2-5、ブラキュリー（両方とも中胚葉）、ネスチン（神経）、Gata4、Gata6、Foxa2（すべての初期内胚葉）、Sox17（内胚葉と中胚葉）、Cxcr4R（内胚葉）、ケラチン18（外胚葉））に特異的なPCRプライマを含むことができる。さらに別のマーカーは以下の実施例に記載されている。このことに照らすと、本発明のキットは、（例えば奇形腫アッセイにおいて）例えばインビトロと生体内での一倍体胚性幹細胞の分化の研究に使用できる（可能性がある）。別の好ましい一実施態様では、キットは、この明細書に記載した一倍体胚性幹細胞を投与するための追加の手段を含んでいる。それは例えば注射器、注射針であり、例えば本発明の一倍体胚性幹細胞を胚盤胞に注入してトランスジェニック・マウスまたはノックアウト・マウスを作るためである。指示シートは、細胞培養条件、投与すべき細胞の数、投与経路などに関する情報を含んでいる。さらに別の好ましい一実施態様では、キットは、桑実胚または胚盤胞に由来する本発明の胚性幹細胞または胚性幹細胞系から得られたライブラリを含んでいる。
本発明は、桑実胚または胚盤胞に由来する本発明の胚性幹細胞または胚性幹細胞系を含む試験システムにも関する。この試験システムは、以下の実施例に示すように薬理学の発展に特に役立つ。
本発明の方法と一倍体の胚性幹細胞および胚性幹細胞系において、胚盤胞に由来する胚性幹細胞は、胚盤胞の内部細胞塊（ICM）に由来することも好ましい。本発明の方法と一倍体の胚性幹細胞および胚性幹細胞系において、胚盤胞に由来する胚性幹細胞は、栄養芽層（Oct-4を過剰発現している栄養芽層が好ましい）に由来することがさらに好ましい。
胚性幹細胞と栄養芽層幹（TS）細胞は両方とも初期胚に由来するが、これらの細胞は異なる分化特性を有する。胚性幹細胞は分化して3つのタイプの生殖層細胞のどれになることもできるのに対し、TS細胞は胎盤細胞にしか分化することができない。TS細胞をES様多能性幹（PS）細胞に変換できるかどうかはわかっていない。Wuらの最近の研究（2011年）では、TS細胞において単一の転写因子Oct-4を過剰発現させるだけで、TS細胞を再プログラムして多能性状態にするのに十分であることが見いだされた。Oct-4によって誘導されたこれらPS（OiPS）細胞は、X染色体の再活性化、H3K27 me3の修飾増加、Oct-4遺伝子とNanog遺伝子のプロモータ領域の低メチル化など、胚性幹細胞のエピジェネティックな性質を有する。その一方で、Elf5遺伝子のプロモータ領域の低メチル化が、TS細胞の再プログラミングの間に起こった。OiPS細胞の遺伝子発現プロファイルは、ESCのものと非常によく似ていた。さらに、OiPS細胞は、インビトロと生体内で3つのタイプの生殖層細胞に分化することができる。より重要なのは、OiPS細胞から生殖系列が伝達されるキメラマウスを効率的に作製できたことである。これらの結果は、単一の転写因子Oct-4が非胚性TS細胞を再プログラムしてPS細胞にできたことを示している（Wu他、（2011年））。
本発明の一倍体細胞は、一倍体ゲノムの能力を幹細胞の多能性と組み合わせることで、特定のタイプの細胞における基本的な生物学的プロセスをゲノム・スケールで明らかにする可能性を開く。したがって本発明の細胞を利用して突然変異を分析することができる（その中に順遺伝学と逆遺伝学が含まれる）。
例えば本発明により、一倍体ゲノムを有する細胞を利用した突然変異分析が提供される。この分析は、興味の対象である遺伝子座に突然変異を導入し、その遺伝子座に関係する細胞の変化した活性を観察する操作を含んでいる。一倍体ゲノムを有する細胞は、特に上に記載した幹細胞様の特性（例えばEBに分化する能力）を有する哺乳動物の細胞であること、特に本発明の方法で得られるか、得ることのできる細胞であることが好ましい。Leebら（2011年）、WO 2001/32015 A1、WO 2012/117254 A1、Ellingら（2011年）に記載されている他の一倍体細胞も使用できる。本発明の細胞は一倍体の性質を持つため、他の染色体の中には単一の遺伝子の他のコピーが不在であるという理由で劣性突然変異をよりよい効率で調べることができる。したがって、本発明の細胞を利用して本発明の一倍体細胞の中で劣性および／または単一コピー遺伝子を調べることが好ましい。
本発明の細胞のこの利用法や他の利用法のため、少なくとも10継代にわたって安定に一倍体の形態を維持する細胞を選択できる。それは、本発明の方法で得られるか、得ることのできる細胞である。例えば10継代の後、初期一倍体細胞の少なくとも40％、少なくとも50％、少なくとも60％、少なくとも70％、少なくとも75％が、特に興味の対象である遺伝子座に突然変異が導入された状態で相変わらず存在しているはずである。興味の対象であるそのような遺伝子座として、例えばDroshaやRargが可能である。
特に、本発明により、必要不可欠な遺伝子（例えばDrosha）の条件付きノックアウトの導入、または例えば可逆的遺伝子トラップを含む適切な条件付き突然変異ベクターの利用による致死遺伝子のノッキングが可能になる。好ましいことに、条件付きノックアウトによって可逆的突然変異が容易になり、その突然変異は、例えば二重Flex系におけるように刺激によって遺伝子活性化状態に戻すことができる（Schnutgen他、2008年；WO 2006/056615 A1；WO 2006/056617 A1；WO 2002/88353 A2；WO 2001/29208 A1；図15も参照のこと）。したがって本発明の好ましい実施態様では、可逆的突然変異が、ランダムな（順）突然変異誘発または部位特異的（逆）突然変異誘発によって一倍体細胞に導入される。可逆的突然変異（例えばノックアウト）を有する挿入カセットを含む適切なベクターを使用できる。突然変異の後、細胞を二倍体細胞に変換してもよいし、変換しなくてもよい。これは、通常は、細胞の利用可能性に影響を与えない。なぜなら二倍体化されると突然変異はホモ接合になるからである。特に好ましいのは、両立しない2つ以上の逆転カセット（例えば両立しないloxP/lox5171とFRT/F3部位のペア）を使用することである。
逆転は、（例えば上述のように）細胞が分化した後にも実施できる。あるいは遺伝子座を“修復し”、野生型条件のもとで細胞を分化させ、次いで挿入により、（場合によっては最終的に）分化したタイプの細胞において再び突然変異を起こさせる。
飽和遺伝子劣性スクリーニングを可能にし、その結果としてホモ接合の対立遺伝子になる可逆的突然変異誘発プロトコルが開発された。このシステムにより、マイクロRNAプロセシング酵素Droshaのための初めてのノックアウト細胞系を生成させることができた。
したがって本発明により、本発明による一倍体細胞の細胞培養物の細胞がさらに提供される。その細胞では、興味の対象である1つ以上の遺伝子が不活性にされている。細胞は、すべての細胞が同様に改変された細胞培養物の細胞であることが好ましい。特に、支持細胞のない一倍体哺乳動物細胞が提供される。支持細胞がない、すなわち支持細胞独立性については上に記載した。
さらに、遺伝子Droshaおよび／またはRargがノックアウトされた一倍体哺乳動物細胞が提供される。この細胞は上に説明した幹細胞様表現型であることが好ましく、例えばEBに分化することができる。この細胞は、本発明の方法で得られた、または得ることができる細胞培養物のものであることが好ましい。
一倍体細胞内の興味の対象である遺伝子の発現を例えばノックアウトまたはノックダウンによって改変し、興味の対象であるその遺伝子に関係する細胞の改変された活性を観察する方法も提供される。
遺伝子分析と突然変異誘発のさらに別の方法では、本発明の細胞を古典的な順遺伝学で使用することができる。ランダムな突然変異、特に挿入突然変異を一倍体細胞のゲノムに導入することができる。その結果として異なる表現型になり、それを、選択した細胞で分析することができる。突然変異により、遺伝子の発現は増加または減少する可能性がある。減少（発現の完全な消失を含む）は、遺伝子が突然変異によって破壊されたときに起こる可能性がある。増加は、例えばプロモータの活性が増加したり、リプレッサが破壊されたり興味の対象である遺伝子から除去されたりしたときに可能である。
本発明による一倍体細胞の利用可能性は、発現カセットまたは発現レポータの導入によって増大させることができる。したがって本発明により、好ましくは上記のようにして得られ、発現カセットまたは発現レポータを含んでいる一倍体哺乳動物細胞が提供される。そのような細胞を生成させる方法がさらに提供される。この方法は、好ましくは上記のようにして得られる一倍体哺乳動物細胞を取得し、発現カセットまたは発現レポータを導入する操作を含んでいる。発現レポータの例として、陽性または陰性の選択マーカー（例えば抗生物質耐性遺伝子であるHPRT1、ジフテリア毒素、生物発光タンパク質）が挙げられる。発現レポータは、興味の対象となる所定の条件で活性化するあらかじめ選択したプロモータによって駆動することができる。そのような条件として、細胞の発生のある段階、特に分化の程度、または特定のタイプの細胞であることが可能である。そのようなプロモータは、ゲノムのDNAのあらかじめ選択した部分に特に導入遺伝子（例えばBAC導入遺伝子）で所定の改変を行なうことによって、または興味の対象である所定の遺伝子要素を所定の遺伝子座に組み込むことによって、活性化させることができる。そのような遺伝子要素として、以下に詳述するノックアウト・コンストラクトが可能である。
したがって本発明は、興味の対象である表現型を含む細胞を生成させる方法にも関する。この方法は、一倍体ゲノムを有する複数の細胞（哺乳動物細胞、特に本発明の方法で得られた、または得ることができる細胞が好ましい）をランダムに突然変異させ、興味の対象である表現型を有する細胞を選択する操作を含んでいる。
興味の対象となるそのような表現型は、例えば、特にその細胞を毒素または増殖阻害剤と接触させたときの細胞の生存または細胞の成長である。したがってその毒素または増殖阻害剤に対する耐性に関係する改変された遺伝子を持つ細胞を生成させることができる。次に、遺伝子突然変異を分析し、その遺伝子を同定することができる。
そのような毒素は、例えばリシンまたはリシン様毒素である。毒素として、リボソーム阻害タンパク質であるPAP、PAP-S、PAP-II、ドデカンドリン、リシン、モデクシンや、これらの毒性（特に酵素活性）部分（例えば酵素鎖様リシンA鎖またはモデクシンA鎖）が可能である（Ready他、1984年）。特に好ましい毒素は、AB5毒素、またはAB5毒素で毒性活性を有するAサブユニットである。AB5毒素は、例えばカンピロバクター・エンテロトキシン（例えばLT、LT-II）、百日咳毒素、シガトキシン、ベロ毒素、EHEC毒素、シュードモナス外毒素Aである。本発明の方法を用いると、そのような順遺伝子スクリーニングにより、遺伝子Gpr107が、リシンによって死ぬ上で不可欠な分子であることを特定できた。リシンは、生物兵器として使用されている毒素である。この原理の証明に基づき、今や、耐性細胞を生成させ、他の任意の毒素または増殖阻害剤や、表現型の変更を誘導する他の薬剤に対する耐性に関係する遺伝子を同定することももちろんできる。
強力な毒素（例えばリシン）に対する耐性の開発は、一倍体幹細胞の突然変異という本発明のシステムにより、実質的にあらゆる毒素または増殖阻害剤（毒素タンパク質が含まれることが好ましい）、毒性小分子、毒性病原体をスクリーニングして耐性を得ることが可能であることを示している。
本発明のランダム突然変異の導入は部位特異的ではないことが好ましく、ゲノム内の任意の部位を潜在的な標的とすることができる。好ましい突然変異誘発因子は、レトロウイルスまたはレンチウイルスの感染、またはゲノム内への挿入が可能なヌクレオチド・コンストラクト（例えばトランスポゾン）の使用である。もちろん、そのような挿入コンストラクトまたはウイルス突然変異誘発物質がより好む部位が存在する可能性があるが、一般に大半の遺伝子を潜在的に標的とすることができる。通常は、本発明の突然変異は遺伝子分断であり、機能している遺伝子産物の遺伝子発現を阻止するか低下させる。さらに別のランダム突然変異は、細胞を突然変異誘発化学物質と接触させること、または放射線に曝露することによって実現できる。
効率的にランダムな突然変異誘発を起こさせるため、これらの実験では複数の細胞を使用する。そのとき各細胞で突然変異が異なる可能性がある。好ましいのは少なくとも1000個、特に好ましいのは少なくとも5000個、少なくとも10000個、少なくとも50000個、少なくとも100000個、少なくとも200000個、少なくとも500000個、少なくとも1000000個の細胞を使用することである。
この方法によって得られた、または得ることのできる、毒素または増殖阻害剤に対する耐性を有する細胞も提供される。例えば、興味の対象である毒素（上記のリシンまたはリボソーム阻害毒素であることが好ましい）に対する耐性を有する一倍体細胞が提供される。毒素は、例えば、上記のPAP、PAP-S、PAP-II、ドデカンドリン、リシン、モデクシンや、これらの毒性（リボソーム阻害）部分、AB5毒素である。
本発明により、毒素耐性に関する活性を有する遺伝子標的を探すために細胞をスクリーニングする方法も提供される。この方法は、毒素または増殖阻害剤に対する耐性を有する細胞を生成させ、さらに、毒素耐性を有するその細胞における突然変異を、そのランダム突然変異がない細胞と比較して同定する操作を含んでいる。
改変を必要とする興味の対象である遺伝子、特に抑制だけでなく発現の増加を必要とする興味の対象である遺伝子が本発明のランダム・スクリーニングによって同定されたとき、その同定された遺伝子の発現を改変することによって、例えば（発現を低下させるため）ノックアウト突然変異またはノックダウン突然変異によって、または（発現を増加させるため）その遺伝子を含む発現ベクターを導入することによって、他の細胞を改変することも可能である。そのような遺伝子はリシン耐性に関して同定されており、例えば表1または表2から選択した遺伝子、Gpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1が挙げられる。本発明のこの側面とさらに別の側面にとって特に好ましいのは、Gpr107および／またはFut9および／またはSlc35clである。これらの遺伝子を例えばノックアウトまたはノックダウンによって抑制して、リシンや上記の他の毒素に対する耐性が増大した細胞を生成させることができる。このようにして生成された細胞として、これら標的の同定に使用した上記の一倍体細胞だけでなく、他の細胞（二倍体細胞を含む）も可能である。細胞（二倍体細胞を含む）は、本発明の一倍体細胞に関して上に記載したのと同じ動物供給源からのものでもよい。
したがって本発明により、哺乳動物の一倍体細胞（上記の本発明の方法で得られたものが好ましい）を改変して、興味の対象である遺伝子を抑制するか遺伝子座を改変する方法も提供される。このような抑制は、例えば興味の対象である遺伝子の発現を阻止する不活性な遺伝子コンストラクトの相同組み換えによって容易になるノックアウト突然変異によること、または興味の対象である遺伝子の改変によること、または特にRNAiのための阻害性核酸（例えばsiRNAやshRNA）を使用したノックダウンによることが好ましい。興味の対象である遺伝子は、興味の対象である所定の表現型を選択して本発明のランダム突然変異誘発スクリーニングによって以前に同定されたものでも、そうでないものでもよい。興味の対象である遺伝子は、表1または表2の遺伝子から選択することができ、好ましいのは、Gpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1、またはこれらの任意の組み合わせである。この方法によって得ることのできる哺乳動物の一倍体細胞も提供される。この方法は、改変されていない親哺乳動物一倍体細胞と比較してある遺伝子を抑制する操作を含んでいる。
特に、本発明により、リシンに対する耐性が増大した改変細胞であって、表1または表2の遺伝子のタンパク質のうちの任意の1つ（Gpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1、またはこれらの任意の組み合わせが好ましい）の発現が非改変細胞（例えば同じタイプで改変のない親細胞）と比べて低下しているものが提供される。その改変はノックアウトまたはノックダウンによることが可能であり、阻害性核酸（例えば阻害性RNS（例えばsiRNAまたはshRNA）か、阻害性RNSをコードしているもの）の投与によることが特に好ましい。そのような改変細胞として、一倍体細胞、特に本発明によって得られる細胞、または他の任意の細胞が可能である。細胞は、哺乳動物の細胞および／または非ヒト細胞であることが好ましい。別の実施態様では、細胞としてヒト細胞が可能である。細胞は、単離された細胞、および／またはインビトロまたは生体外の細胞であることが好ましい。別の実施態様では、細胞は生体内のもの、例えば生きている生物の中のものが可能である。細胞は、一倍体（例えば本発明の方法によって得られたもの）でも二倍体でもよい。細胞（二倍体細胞を含む）は、本発明の一倍体細胞に関して上に記載したのと同じ動物供給源からのものが可能である。
この明細書では、“生体外”細胞培養物は、身体の外部で細胞を培養することを意味する。生体外細胞培養物には、例えば懸濁液の中のインビトロ細胞培養物や、単一ウエルまたは多ウエルのプレートの中の細胞培養物が含まれる。生体外培養には、2種類以上の異なるタイプの細胞が含まれる細胞を同時に培養することと、2次元または3次元の支持体またはマトリックスの中または上で培養することが含まれ、その中には、細胞を単独で、または他のタイプの細胞とともに培養して人工組織を形成する方法が含まれる。
本発明はさらに、毒素に対する治療剤を同定する方法にも関する。この方法は、上記の遺伝子標的を同定し、好ましくは単離した細胞の中で、その遺伝子標的またはその標的の遺伝子産物に治療候補分子を接触させ、その候補と遺伝子標的または遺伝子産物の結合イベント、または毒素に対する細胞の変化した耐性を同定する操作を含んでいる。毒素は、リシンまたは上記のリボソーム阻害毒素（例えばPAP、PAP-S、PAP-II、ドデカンドリン、リシン、モデクシン、またはこれらの毒性（リボソーム阻害）部分、または上記のAB5毒素）であることが好ましく、遺伝子標的の選択は、表1または表2から、特にGpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1の中からなされる。しかし他の毒素または増殖阻害剤を選択して耐性に関係する遺伝子標的を同定することももちろん可能である。原則として、本発明の細胞培養物にチャレンジすることにより、あらゆる種類の化合物の活性を試験して毒素に対する治療剤を探すことができる。遺伝子標的（その遺伝子産物、コードされたタンパク質を含む）が本発明によって同定されると、結合してその遺伝子標的（コードされたタンパク質を含む）の活性を変化させる化合物、または増大させる化合物、または低下させる化合物、特に不活性にする化合物を直接試験することができる。ゲノム・シークエンシング・プロジェクトは興味の対象となるたいていの生物で終了しているため、遺伝子標的が同定されると標的遺伝子の配列がわかる。したがってこれら遺伝子、または転写されたmRNAを標的とする候補阻害剤のスクリーニングは容易である。そこで候補ヌクレオチド阻害剤を容易にスクリーニングすることができる。タンパク質の阻害剤は、化合物ライブラリを接触させてそのタンパク質と結合する活性な化合物を同定することによって得られる。次に、タンパク質に対する活性、または本発明の細胞か細胞培養物に対する活性を分析することにより、結合剤の毒素耐性活性を確認できる。タンパク質を標的とする阻害剤の好ましいクラスは抗体である。これら標的タンパク質に対する抗体は、モデル動物（例えばマウス、ラット、他の齧歯類（ハムスター）、ウサギ、ヤギなど）を免疫化することによって容易に生成させることができる。この明細書では、抗体に、標的タンパク質と結合する抗体断片（例えばFv部を有する断片であり、その例は、F(ab’) 抗体、F(ab) 抗体、F(ab)2抗体など）も含まれる。
本発明は、被験対象内または細胞内で毒素、特にリシン毒素を処理する方法、または被験対象内または細胞内でリシン耐性を誘導する方法にも関する。この方法は、表1または表2の遺伝子（Gpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1のいずれかが好ましい）、またはそれら遺伝子の遺伝子産物のうちの任意の1つをその被験対象において抑制する操作を含んでいる。毒素としてリシン様毒素が可能である。毒素として、リボソーム阻害タンパク質（例えばPAP、PAP-S、PAP-II、ドデカンドリン、リシン、モデクシン、またはこれらの毒性（特に酵素活性）部分（例えばリシンA鎖やモデクシンA鎖などの酵素鎖））が可能である（Ready他、1984年）。特に好ましい毒素は、AB5毒素、またはAB5毒素のうちで毒素活性を有するAサブユニットである。AB5毒素は、例えばカンピロバクター・エンテロトキシン、コレラ毒素、易熱性エンテロトキシン（例えばLT、LT-II）、百日咳毒素、シガトキシン、ベロ毒素、EHEC毒素、シュードモナス外毒素Aである。抑制は、阻害剤の投与によって実現できる。上記遺伝子の阻害剤は、それら遺伝子の発現レベルまたは活性を低下させる化合物と関係している。その阻害剤として、抗体または阻害性RNA分子（特に小さな阻害性RNA分子を含むかコードしているもの）が可能である。特に好ましいのは、細胞内で上記遺伝子のmRNAの発現または含量を少なくとも20％、特に少なくとも50％低下させる阻害性核酸である。ヌクレオチド阻害剤の選択は、アンチセンス分子、リボザイム、小さな阻害性RNA分子（“マイクロRNA”（“miRNA”）や“短いヘアピンRNA”（“shRNA”）などの小さな干渉性RNA；本発明の意味では、“マイクロRNA”（“miRNA”）や“短いヘアピンRNA”（“shRNA”）などの調節RNAは、“siRNA”と同じ意味で使用される）の中から行なうことができる。抑制は、発現、タンパク質含量、活性を低下させることによって実現できる。
ヌクレオチド型阻害剤の具体的な一実施態様では、RNA干渉（RNAi）を利用する。RNAiは、沈黙させる遺伝子の配列と相同な二本鎖RNAによって開始される配列特異的転写後遺伝子サイレンシングのプロセスである。21〜22個のヌクレオチドからなる短鎖干渉RNA（siRNA）二本鎖は、哺乳動物細胞において遺伝子の機能を抑制するための強力なツールであることがわかった。短鎖干渉RNAを安定に発現させるためのベクターに基づく系が好ましい。これらの系は、ベクターに基づくものであり、そのベクターでは、siRNAをコードしている合成遺伝子特異的標的配列が、小さな非コード化RNAの転写に適したプロモータの制御下で発現する。したがってsiRNAは、ベクターが標準的なトランスフェクション（例えば電気穿孔、リポフェクション）やウイルス感染プロトコル（例えばレトロウイルス感染）によって哺乳動物の細胞に導入された後にそのベクターから生成する。適切な小さな干渉性RNA分子は、公知の方法によって容易に選択できる。一般的なのは、例えば長さが21〜22個のヌクレオチドからなる約20〜50種類の異なる二本鎖を合成し、試験細胞と接触させることである。標的遺伝子の発現が最も低下した細胞を選択する。本発明によれば、最良の阻害性RNA分子を選択するマーカーとして一倍体細胞の表現型（例えば毒素耐性または増殖阻害耐性）を用いることももちろん可能である。siRNAを選択して設計する方法（その中には、標的配列の選択、siRNA二本鎖の調製、ベクターの設計と送達が含まれる）は周知であり、例えばアメリカ合衆国特許第7,235,654号に記載されている。
siRNAの代わりとしてアンチセンス・オリゴヌクレオチドをヌクレオチド型阻害剤として使用し、標的遺伝子、遺伝子産物、タンパク質の発現に干渉することができる。アンチセンス・オリゴヌクレオチドは、標的mRNAの領域と相補的な短いヌクレオチドであり、その特定の転写産物の発現を特異的に抑制することができる。アンチセンス核酸は、細胞にトランスフェクトしたベクターから発現したRNAの形を取ること、または多彩な手段で（例えばカチオン性リポソーム、カチオン性ポルフィリン、融合ペプチド、人工的ウイロソームによって、またはストレプトリシン-Oを用いた細胞透過と電気穿孔によって）細胞に導入できるDNAオリゴヌクレオチドまたはRNAオリゴヌクレオチドの形を取ることができる。カチオン性脂質はオリゴヌクレオチドと安定な複合体を形成して改善された細胞取り込みを示すため、アンチセンス活性が増大する。
さらに別の一実施態様では、本発明は、標的遺伝子、遺伝子産物、タンパク質に対するリボザイムに関する。アンチセンス・オリゴヌクレオチドと同様、リボザイムは、ワトソン・クリック塩基対を通じて基質RNAに結合し、転写産物の配列特異的開裂へと導く。2種類のリボザイム、すなわちハンマーヘッド式リボザイムとヘアピン式リボザイムが、サイズが小さく化学反応が速いという理由で精力的に研究されてきた。その用途は、いくつかの刊行物にまとめられている。リボザイムは、アンチセンス・オリゴヌクレオチドに関して上に記載したようにさまざまな手段で細胞内に導入することができる。あるいはリボザイムは、ベクターから発現させることができる。そのことには、これら分子の連続的な細胞内産生という利点がある。
ヌクレオチド型阻害剤は、ウイルス・ベクター（例えばレトロウイルス・ベクター、アデノウイルス・ベクター、アデノ随伴ウイルス・ベクター、レンチウイルス・ベクター）から作製することが好ましい。
一実施態様では、ヌクレオチド型阻害剤、またはヌクレオチド型阻害剤をコードしているコンストラクトは、トランスフェクションによって、すなわち“裸の”DNAの送達によって、またはコロイド状分散系との複合体にして、細胞に供給される。コロイド系には、巨大分子複合体、ナノカプセル、微小球、ビーズ、脂質をベースとした系（例えば、水中油型エマルジョン、ミセル、混合されたミセル、デンドリマー、リポソーム）が含まれる。コロイド系として、脂質複合体式またはリポソーム調製式のヌクレオチド型阻害剤が可能である。例えばさまざまな脂質またはリポソーム材料を用いた阻害剤の調製は、公知の方法と材料を利用して実行することができ、その阻害剤は、レシピエントとなる細胞または哺乳動物に送達される。
特に好ましいのは、表1または表2の任意の遺伝子の小分子阻害剤、好ましくはフコシル化に関与する遺伝子（例えばFut9またはSlc35cl）の小分子阻害剤である。これら阻害剤の分子標的として、遺伝子産物、すなわちコードされたタンパク質、または調節タンパク質が可能である。好ましいフコシル化阻害剤は、Buechsel他、1980年、Burkart他、2000年；Lee他、2003年、Hosoguchi他、2010年；Rillahan他、2012年に開示されている。阻害剤として、フコシルトランスフェラーゼFucTIIIおよび／またはVおよび／またはVIおよび／またはVIIの阻害剤も可能である。特に好ましい阻害剤としてフッ素化フコース（例えば2Fまたは6Fフッ素化フコース）があり、特に2F-ペルアセチル-フコース、6F-ペルアセチル-フコース、GDP-2F-フコース、GDP-6F-フコースが挙げられる（Rillahan他、2012年、Burkart他、2000年）。別の好ましい阻害剤は、シチジン-5’-モノホスホ-5-アセトアミド-9-アジド-3,5,9-トリデオキシ-β-D-グリセロ-r-D-ガラクト-ノン2-ウロソン酸、5-アジドアセトアミド-3,5-ジデオキ-D-グリセロ-β-D-ガラクト-ノン-2-チオフェニル-1-メチルエステル、5-アジドアセトアミド-3,5-ジデオキシ-D-グリセロ-β-D-ガラクト-ノン-2-ウロソン-1-メチルエステル、5-アジドアセトアミド-3,5-ジデオキシ-D-グリセロ-r,β-D-ガラクト-ノン-2-ウロソン酸、シチジン-5’-モノホスホ-5-アジドアセトアミド-3,5-ジデオキシ-β-D-グリセロ-r-D-ガラクト-ノン-2-ウロソン酸、シチジン-5’-モノホスホ-5-(2-(4-((8R,9S,13S,14S,17S)-3,17-ジヒドロキシ-13-メチル-7,8,9,11,12,13,14,15,16,17-デカヒドロ-6H-シクロペンタ[a]フェナントレン-17-イル)-1H-1,2,3-トリアゾル-1-イル)アセトアミド)-3,5-ジデオキシ-β-D-グリセロ-r-D-ガラクト-ノン-2-ウロソン酸；6-デオキシ-6-(2-(4-((8R,9S,13S,14S,17S)-3,17-ジヒドロキシ-13-メチル-7,8,9,11,12,13,14,15,16,17-デカヒドロ-6H-シクロペンタ[a]フェナントレン-17-イル)-1H-1,2,3-トリアゾル-1-イル))-β-L-ガラクトピラノス-1-イル-グアノシン 5’-ジホスフェート；6-デオキシ-6-(1-メチル-4-(4-ペンチルフェニル)-1H-1,2,3-トリアゾル-1-イル)-β-L-ガラクトピラノス-1-イル-グアノシン 5’-ジホスフェート（Hosoguchi他、2010年）；GDP-フコース化合物（例えば一般式1の化合物）である。
一般式1（Lee他、2003年）：
別の好ましい阻害剤は、ジ(トリメチルアンモニウム)ホスホリル-2,3,4-トリ-O-ベンゾイル-6-デオキシ-6-ウオロ-L-フコピラノシド、ジ(シクロヘキシルアンモニウム)ホスホリル6-フルオロ-L-フコピラノシド、グアノシン 5’-ジホスホ-6-フルオロ-L-フコピラノシド（Burkart他、2000年）、2-デオキシ-D-ガラクトース（Buechsel他、1980年）の中から選択される。
特に好ましい実施態様では、本発明により、AB5毒素による中毒（リシンまたはシュードモナス外毒素Aの中毒が好ましい）を治療する方法が提供される。この方法は、フコシル化阻害剤（小分子フコシル化阻害剤が好ましく、その阻害剤がフコシルトランスフェラーゼ（例えばFut9および／またはSlc35cl）を阻害することが特に好ましい）を投与する操作を含んでいる。
そのような阻害剤は医薬組成物の形態で投与することができる。医薬組成物はさらに、基剤（例えば具体的な投与法に適した緩衝液、乳化剤、添加剤）を含むことができる。医薬組成物は、全身投与すること、または局所投与することができる。例えば興味の対象である組織への直接的な注入による投与が可能だが、それに限定されることはない。組成物は、一般に、静脈内に、または筋肉内に、またはインプラントとして、または局所的に投与される。適切な医薬組成物の形態は、例えば、アンプルに入った注射可能な溶液、エマルジョン、懸濁液、クリーム、エーロゾル、活性化合物が徐放される調製物である。
本発明を以下の図面と実施例によってさらに説明するが、本発明がこれらの実施態様に限定されることはない。
この明細書に記載したデータは、エタノールまたはストロンチウムで活性化させた卵母細胞に由来する単為生殖マウス胚盤胞から哺乳動物の一倍体幹細胞系を生成させることが可能であることを示している。一倍体幹細胞の分子的特徴を詳しく調べることで、これらの細胞が二倍体ES細胞の正統的なあらゆるマーカーを発現し、20本の染色体を持ち、ゲノムの完全性をほぼ維持していることがわかる。機能的には、これら一倍体幹細胞は、インビトロと生体内で分化して3つの生殖層すべてからの細胞になることができる。われわれの系とサブクローンは安定であっていくつかの場合には70継代を超えて維持されたとはいえ、いくつかの一倍体細胞は二倍体になる。突然変異誘発のデータは、これらの細胞が細胞融合を通じて二倍体になることはなく、失敗した細胞質分裂および／またはゲノムの内部複製を通じて二倍体になることを示唆している。最も重要なのは、一倍体幹細胞を突然変異させることができ、すべての場合にこれら突然変異がホモ接合になっていることである。これは、インビトロでそのような一倍体細胞を用い、さまざまな細胞系譜で劣性表現型と疾患表現型を分析できることを示している。しかし多くの組織への細胞系の寄与がキメラの生体内で検出された。以前にメダカについて報告されているセミクローニング技術を利用して生殖系の伝達を試みることができた（Yi他、2009年）。
こうした結果により、一倍体ゲノムの能力を胚性幹細胞の多能性と組み合わせることが可能になる。前世紀を通じ、劣性遺伝子スクリーニングから多彩な生物学的プロセスが明らかにされたため、通常の発生、基本的な生理学、疾患についての理解が大いに深まった。逆遺伝学は、Creを媒介としたスプライス・アクセプタ部位の変換を利用して同じクローン内で遺伝子機能をただちに確認できるベクター系を用いて実現できる。発明者は、この系を用いることで、条件付きのRargとDroshaの突然変異があるクローンを使用して実際にわれわれの方法が機能することを確認できた。さらに、順遺伝子スクリーニングをリシン毒性に関して実施した。リシンは最も危険な毒の1つであり、諸政府によって生物兵器としても使用／研究されている。リシンは、生物テロで使用できる可能性があることでも悪名が高い。一倍体幹細胞でのこのスクリーニングにより、GPCR Gpr107が、リシンによって誘導される死に必要とされる不可欠な分子であることが明らかにされた。リシン中毒に対する抗毒素は入手できないため、Gpr107（と、われわれのスクリーニングによって同定された他の分子）の分子阻害が生体内のリシン毒性を緩和するのに有用であると思われる。
方法のまとめ
卵母細胞の単為生殖活性化
卵母細胞を回収し、5％エタノールの中で5分間にわたってインキュベートした。その後、生きている卵母細胞を偽妊娠マウスに移し、胎生日齢3.5日目に胚盤胞を回収した。
ES細胞の導出
以前に報告されているES細胞導出培地（Bryja他、2006年）が入っていて、支持細胞で覆われた細胞培養皿の上に胚盤胞を載せた。胚盤胞の増殖物をトリプシンで処理し、支持層の上に再度載せてES細胞のコロニーを増殖させた。
ゲノムのシークエンシング
マウスの肝臓またはES細胞からのDNAを精製し、超音波処理によって剪断し、イルミナ・アダプタ連結プロトコルを実施し、イルミナHiSeqの中でシークエンシングした。Bowtieを用いて読み取った結果をゲノムにマッピングした。
幹細胞の特徴づけ
qPCRまたは免疫蛍光標識と、アルカリホスファターゼに関する酵素アッセイを利用して細胞を分析し、幹細胞マーカーの存在を調べた。
分化
LIFを除去してEBを形成することによって、またはニューロンを直接分化させることによって細胞を分化させた（Pollard他、2006年）。奇形腫を形成するため、細胞をヌードマウスの精巣または皮下に注入し、奇形腫の成長をモニタした。キメラマウスを生成させるため、HMSc2 ES細胞をC57BL/6 ED3.5胚盤胞に注入し、偽妊娠雌に移した。毛色によってキメラの割合を求めた。
ES細胞へのレトロウイルスの感染と逆PCR
ウイルスを 白金E細胞の中に包装した。G418を用いて遺伝子トラップ挿入の選択を行なった。逆PCRのプロトコルをCaretteらに基づいて改変した（Carette他、2011年）。
リシン毒性スクリーニング
細胞の突然変異ライブラリを致死量のリシンに3週間にわたって曝露した。生き延びた細胞のDNAを精製し、逆PCRを実施し、ディープ・シークエンシングによって分析した。shRNAノックダウンを用いて確認するため、細胞を48時間にわたってリシンに曝露し、FACSを利用して生存を定量した。
実施例１
方法
実施例１．１：単為生殖による一倍体幹細胞の導出
標準的なプロトコルを利用してC57BL/6×129 F1雌マウスを過剰排卵させ、未受精の卵母細胞を排出させて回収した。活性化のため、報告されているようにして卵母細胞を5％エタノールまたは25mMのSrCl2に曝露した（Kaufman他、1983年；Otaegui他、1999年）。活性化の4時間後、生きている卵母細胞を偽妊娠129雌に移し、胎生日齢（ED）3.5日目に再度回収し、確立されている胚性幹細胞導出プロトコル（Bryja他、2006年）に従って細胞を導出した。単為生殖に由来する幹細胞は、最初は支持層の上に維持し、その後、無支持細胞培養条件に適合させた。一倍体細胞を訓練して徐々に支持細胞の密度を小さくし、最終的に支持細胞を培地から除去することによって無支持細胞培養条件下で成長させた。幹細胞培地は、15％FCS（Gibco社）を含むDMEMに2mMのL-グルタミン酸、1mMのピルビン酸ナトリウム、100U/mlのペニシリン、0.1mg/mlのストレプトマイシン、1×非必須アミノ酸、50mMのβ-メルカプトエタノール（すべてSigma社）、1,000U/mlのESGRO（Millipore社）を補足したもので構成した。
実施例１．２：ゲノム・カバー率分析とSNPのマッピング
Covaris DNAソニケータを用いてゲノムDNA調製物を剪断し、アダプタを連結させ、イルミナ・シークエンシング（HiSeq）を製造者のプロトコルに従って実施した。読み取った結果をBowtieを用いてマッピングし（3個のミスマッチまで許容でき、読み取った結果は単一のゲノム位置にマッピングする必要がある）、カバー率を、親系統である129とC57BL/6におけるカバー率に対する読み取り結果／50kbウインドウとして分析した。そのとき独自のゲノム座標だけを考慮した。C57BL/6と129で異なっているSNPをSanger（www.sanger.ac.uk/resources/mouse/genomes/）から検索し、そのSNPとゲノム・マッピングの間に観察されたディープ・シークエンシングの読み取り結果のミスマッチを評価した。Solexaの読み取り結果によってカバーされた各SNPを、優勢な読み取り結果に従ってC57BL/6と129に割り当てた。
実施例１．３：アルカリホスファターゼ活性、免疫組織学、染色体の広がり
VECTORキットSK-5300を用いてアルカリホスファターゼ活性を検出した。染色体の広がりは、確立されているプロトコル（Nagy他、2008年）に従って調べた。培養した細胞または胚様体（EB）培養物、神経幹細胞培養物、分化した神経幹細胞培養物の免疫蛍光を、4％PFAの中で1時間固定し、1％グリシンと、2％BSAと、0.2％トリトンと、5％FCSを補足したPBSの中で1時間ブロックして透過させた後に実行した。細胞を一次抗体o/nとともに4℃でインキュベートし（抗ネスチン、Abcam 6142、1：300；抗Gata4、Santa Cruz社、1：500；抗Oct3/4、BD Transduction社、1：100；抗Tuj1、Covance社RB-435P、1：1000；抗サイトケラチン5、PRP160P-100、Covance社；抗GFAP、DAKO社、1：200；抗Sox2、Cell Signaling社、L1D6A2マウスmAB、1：100；抗Nanog、Abcam ab80892、1：100）、洗浄し、蛍光標識したヤギ二次抗体（Molecular Probes社）とともにインキュベートし、Zeiss Axioplan2（神経幹細胞の分化）またはZeiss LSM700共焦点顕微鏡（胚様体）を用いて可視化した。生体内での分化を分析するため、奇形腫を回収し、4％PFAの中で固定しo/n、パラフィンに包埋し、切除し、ヘマトキシリンとエオシン（H&E社）、アルシアンブルーと核ファーストレッドで染色するか、ネスチンとサイトケラチン5の免疫検出を実施した。ビオチニル化した二次抗体を用いて一次Abを検出した。ストレプトアビジン-HRPとDABを用いてAb染色を可視化し、ヘマトキシリンを用いて切片を対比染色した。Ventana自動化システムを用いて免疫組織化学を実施した。Zeiss Miraxscanを用いて画像を取得した。奇形腫の評価は認定された病理医によってなされたことに注意されたい。
実施例１．４：フローサイトメトリー
FACS分析のため、細胞をトリプシンで処理し、洗浄した後、プレプレーティングしながら10μg/mlのヘキスト33342とともに30分間にわたってインキュベートした。その後、細胞を遠心分離によって回収し、BD FACSAriaIIIを用いてFACSでDNA含量（とFSC-AとSSC-A）をソーティングした。免疫組織化学染色について記載したのと同じ一次抗体と二次抗体を用いて（トリプシン処理の後のFACSのための）細胞内染色を実施した。
実施例１．５：遺伝子発現分析
QIAgen RNeasyミニ・キットを用いてRNAを精製した。x44Kマウス遺伝子発現アレイ・デザインID 14868を用い、逆転写、DNA標識化、マイクロアレイ・ハイブリダイゼーションを製造者のプロトコル（Agilent社）に従って実施した。qPCR分析のため、QIAgen RNeasyミニ・キットを用いてRNAを精製し、iScriptキット（Biorad社）を用いて逆転写した。iQ5リアル・タイムPCR検出システム（Biorad社）を用い、iQ SYBRグリーン・スーパーミックスで増幅をモニタした。ハウスキーピング遺伝子としてGapdhを用い、Δデルタct法を利用して発現レベルを計算した。以下のPCRプライマを使用した：
nanog GCAAGAACTCTCCTCCATT（配列ID番号3） 順
ATGCGTTCACCAGATAGC（配列ID番号4） 逆
oct-4/pou5f1 TCACTCACATCGCCAATC（配列ID番号5） 順
CCTGTAGCCTCATACTCTTC（配列ID番号6） 逆
sox2 CTCGCAGACCTACATGAAC（配列ID番号7） 順
CTCGGACTTGACCACAGA（配列ID番号8） 逆
klf4 TCTCTCTTCTTCGGACTCC（配列ID番号9） 順
CTGGACGCAGTGTCTTCT（配列ID番号10） 逆
c-myc GTACCTCGTCCGATTCCA（配列ID番号11） 順
CATCTTCTTGCTCTTCTTCAG（配列ID番号12） 逆
sall4 AACTTCTCGTCTGCCAGT（配列ID番号13） 順
GAGTCATGTAGTGTACCTTCA（配列ID番号14） 逆
kf12 CTCAGCGAGCCTATCTTG（配列ID番号15） 順
AGAGGATGAAGTCCAACAC（配列ID番号16） 逆
gata-4 GTGAGCCTGTATGTAATGC（配列ID番号17） 順
CTGCTGGCGTCTTAGATT（配列ID番号18） 逆
hand1 CCTTCAAGGCTGAACTCA（配列ID番号19） 順
CGCCCTTTAATCCTCTTCT（配列ID番号20） 逆
gata-6 CTCCTACTTCCTCTTCTTCTAA（配列ID番号21） 順
CGTCTTGACCTGAATACTTG（配列ID番号22） 逆
foxa2 GAGCCGTGAAGATGGAAG（配列ID番号23） 順
GTGTTCATGCCATTCATCC（配列ID番号24） 逆
sox17 GCCGATGAACGCCTTTA（配列ID番号25） 順
CAACGCCTTCCAAGACTT（配列ID番号26） 逆
krt18 TTGCCGCCGATGACTT（配列ID番号27） 順
CAGCCTTGTGATGTTGGT（配列ID番号28） 逆
zfp42/rexl CTGCCTCCAAGTGTTGTC（配列ID番号29） 順
GAACAATGCCTATGACTCAC（配列ID番号30） 逆
drosha CCAAGATGATCCAACTCCTT（配列ID番号31） 順
GGTGCTGATTCTGAACAATG（配列ID番号32） 逆
rarg CACCATTTGAGATGCTGAG（配列ID番号33） 順
GGCTTATAGACCCGAGGA（配列ID番号34） 逆
実施例１．６：幹細胞の分化、奇形腫の形成、キメラマウス
胚様体（EB）を形成するため、幹細胞をトリプシンで処理し、LIFの不在下にて、懸滴（ハンギング・ドロップ）の中、または細菌皿の中で培養した。レチノイン酸（RA）によって誘導される分化に関しては、0.1μMのRAのもとで細胞を一週間増殖させ、10cmの皿1つにつき100万個の密度にプレーティングし、72時間後に調べた。筋芽細胞の分化に関しては、LIFのない幹細胞培地の中で懸滴中にて4.5日間培養した後、洗浄してゼラチン化細胞培養皿に載せた。LIFのない8ml/10mlの幹細胞培地を交換することにより、接着する細胞の塊を3日ごとに供給した。Zeiss Axiovert 200MとCoolSNAP HQ2を使用し、脈打っている筋芽細胞の動画を11〜13日目に36ショット／秒の割合で記録した。神経幹細胞の導出と、神経幹細胞のGFAP+アストロサイトおよびTuj1+ニューロンへのさらなる分化を報告されているようにして実施した（Pollard他、2006年）。奇形腫の形成に関しては、細胞をヌードマウスの精巣または皮下に注入し、奇形腫の成長をモニタした。キメラマウスを作製するため、フローサイトメトリーを利用してHMSc2幹細胞の二倍体分画を精製し、7日間培養し、C57BL/6 ED3.5胚盤胞に注入し、偽妊娠129雌に移した。キメラの割合を毛色によって求めた。
実施例１．７：幹細胞へのレトロウイルスの感染
スプライス・アクセプタの後に、3つの読み枠のネオマイシン耐性遺伝子と、転写を増大させるOct結合部位とを有するOct4増大遺伝子トラップ・レトロウイルス（Schnutgen他、2008年）を白金E細胞（Cell Biolabs社）に包装し、遠心分離（25,000rpm、4℃、4時間）によって濃縮し、2μg/mlのポリブレンを用いて8時間にわたって幹細胞に適用した。遺伝子トラップ挿入の選択は、0.2mg/mlのG418（Gibco社）を用いて実施した。組み込み数を評価するため、5000,000個の細胞を15cmの皿でプレーティングし、G418選択を利用して組み込みを選択し、10日後にコロニーを数えた。比較のため、5,000個の細胞を選択なしでプレーティングした。
実施例１．８：逆PCR
逆PCRのプロトコルをCaretteら（Carette他、2011年）に基づいて改変した。簡単に述べると、ゲノムDNA調製物をDpnIIまたはMseIを用いて消化させ、QIAquickゲル抽出キットを用いて精製し、断片を3μg/mlの濃度で一晩かけて連結させた。次いでリガーゼを熱によって不活性化し、酵素NheIとPvuIIを用いてリングをリガーゼ緩衝液の中で再度消化させた。直線にした断片をQIAquickゲル抽出キットを用いて精製し、Accuprime Taqポリメラーゼ（Invitrogen社）と、FS Solexa上流プライマと、FS Solexa下流プライマと、BioRad社の熱サイクラーを用いてPCRを実施した。95℃で30秒間、60℃で30秒間、68℃で105秒間というプログラムを36回繰り返した。アンプリコンをアガロース・ゲルに装填し、溶離させ、イルミナ・ゲノム分析装置とFSフローセル・プライマを用いてディープ・シークエンシングを実施した。以下のiPCRプライマを使用した：
上流プライマ
AATGATACGGCGACCACCGAGATCGCCAGTCCTCCGATTGA（配列ID番号35）
下流プライマ
CAAGCAGAAGACGGCATACGAGTTCCTATTCCGAAGTTCCTATTCTCTA（配列ID番号36）
フローセル・シークエンシング・プライマ
TGATTGACTACCCGTCAGCGGGGGTCTTTCA（配列ID番号37）
実施例１．９：ウイルス組み込み部位のマッピング
Bowtieを用いてSolexaの読み取り結果をマウス・ゲノムにマッピングしたが、そのときゲノムへの唯一の最適一致が必要とされる。ENSEMBLE遺伝子注釈付けを利用し、イントロン内、エキソン内、UTR内、プロモータ（転写開始部位の2kb上流と定義される）内と、残る遺伝子間領域における組み込み部位の割合を求めた。われわれの一倍体幹細胞でのENSEMBLE転写産物の発現レベルを、トランスクリプトーム分析で使用するAgilentアレイ上での絶対信号によって測定し、その発現レベルに応じてENSEMBLE転写産物を10個の区画に分割し、ウイルスが組み込まれた転写産物の割合を各区画で評価した。同等な遺伝子に基づく分析に関しては、各遺伝子について発現が最も多い転写産物を考慮した。分析を繰り返し、全挿入部位のサブサンプルでウイルス組み込みのカバー率を評価した。
マッピングされた組み込み部位の確認には、以下のプライマを使用した：
madcaml-F AGTCTCTCCTTTGCCCTGCTACTGG（配列ID番号38）
madcaml-R CACAGGCATTGAACAGTTTTGTTGG（配列ID番号39）
drosha-F TTCGAGTTATAGACTGTAATGAGCC（配列ID番号40）
drosha-R CCTACACTCTCTAGCAACGGAAGCC（配列ID番号41）
RARG-F GCTGTTGTCACCCTTGTGCAT AAGCC（配列ID番号42）
RARG-R AGATGCTGGGAATGGAACCCTGGTCC（配列ID番号43）
Ap4sl-F GTAGCTTAGAAACTCTGGCCACTGG（配列ID番号44）
Ap4sl-R CAGTGAAGTCTGAATACAGAGAATGG（配列ID番号45）
Arapl-F GTCCATGCAGGTTTGAGTGACTCC（配列ID番号46）
Arapl-R GACCTCCAGCTACAGAGGACAGAGCC（配列ID番号47）
Evxl-F TGTCAAGGGCAAGAGCTGCGAAGG（配列ID番号48）
Evxl-R CCAATGTCAAACCGGAAGGGAGAAGG（配列ID番号49）
Bcl211-F GAGTTACAGATGACTGCGAGCTGCC（配列ID番号50）
Bcl211-R GAAGCATTGAGTAGCTTTACCTGCC（配列ID番号51）
2210012G12Rik-F GTAGACCTGACTTGACTGGCTTGG（配列ID番号52）
2210012G12Rik-R GATGCTCATCTTACCAAACGCATCTC（配列ID番号53）
Tit-F CTTCGACCGTCTGGTCCTCAAGAGG（配列ID番号54）
Tit-R GAAACCAGCCTGATCTACATAGTGG（配列ID番号55）
chr2:50928851-F ACTTCCGACAAGAT TCTCAGTCC（配列ID番号56）
chr2:50928851-R CGTGACCTTTGGGTGTGTAATGCC（配列ID番号57）
実施例１．１０：個々の幹細胞におけるタンパク質の定量化と分化
分化の指標としてのOct4の発現の喪失を分析するためにわれわれが以前に公開した高含量スクリーニング（HCS）プロトコル（Walker他、2010年；Walker他、2007年）を改変したものを用い、分化分析を実施した。50継代を超える無支持サブクローンHMSc2-27を用いてすべてのHCS実験を実施した。96ウエル組織培養プレート（Greiner社）の別々の列で細胞を並列に培養した。細胞をトリプシンで処理して個別細胞懸濁液にし、フィブロネクチン／ゼラチン混合物（12.5μg/mlのフィブロネクチン、Sigma社と、水中の0.02％のゼラチン、Millipore社）であらかじめ被覆しておいたウエルに6000細胞/ウエルの割合でプレーティングした。細胞を24時間、48時間、72時間の時点で4％パラホルムアルデヒドを用いて15分間にわたって室温で固定した。Oct4のための免疫染色を以下のようにして実施した：固定した細胞を室温で30分間にわたってブロックし、4℃で1時間にわたって0.1％トリトンX-100／PBSを用いて透過状態にし、透過緩衝液（PB、5％FBS、0.3％トリトンX-100を含むPBS）で1回洗浄した後、マウスのモノクローナルOct4抗体（BD、1：100）とともに室温で1時間にわたってインキュベートした。その後、細胞をPBSで4回洗浄し、DAPIを1：5000に希釈したPBの中で抗マウスIgG1 AlexaFluor488（Invitrogen社、1：100）とともに1時間にわたってインキュベートした。次に、ThermoFisher Cellomics ArrayScan VTi自動化蛍光顕微鏡でプレートの画像を取得した。それぞれの時点と条件について最低で9個のウエルを用いてデータを取得した。一倍体細胞系HMSc2-27の混合培養物の中で一倍体細胞を二倍体細胞から識別するため、核サイズとDAPI強度（DNA含量）に基づくアルゴリズムをR言語で設計した。われわれの一倍体と二倍体の分析が忠実になされたことを確かめるため、Rアルゴリズムは、DAPI強度が対照一倍体の平均DAPI強度よりも低い場合にだけ細胞を“一倍体”と呼び、DAPI強度が対照二倍体の平均DAPI強度よりも高い場合にだけ細胞を“二倍体”と呼んだ（図9参照）。
実施例１．１１：レトロウイルスの中でのスプライス・アクセプタ要素の逆転
遺伝子トラップ・ベクターを有するクローンに、CreリコンビナーゼとGFPをコードしているプラスミドを過渡的にトランスフェクトし、GFP陽性細胞をFACSでソーティングし、クローン密度でプレーティングし、採取し、増殖させ、PCR分析を利用して逆転を分析した。
実施例１．１２：マイクロRNAセンサー実験
pSIN-TRE-dsRed-miR30/shRNA-PGK-Venus-shRNA標的部位ベクターを使用した。このベクターはpSENSORの誘導体であり、shRNAを発現している細胞を蛍光（dsRed）に基づいてモニタすることを可能にする（Fellmann他、2011年）。このベクターの2つの変異体として、ホタル・ルシフェラーゼを標的とする強力なshRNA（shLuc.1309）を含んでいて、その具体的な標的部位がVenusの3’UTRにあるものとないもののそれぞれを、MSCV-rtTA3-PGK-Puroをともに、対照野生型ES細胞と、アンチセンス（AS）方向とセンス（S）方向の突然変異誘発ベクターが組み込まれたES細胞に、リポフェクタミン2000を製造者のプロトコルに従ってトランスフェクトした。トランスフェクションの8時間後、トランスフェクトされた細胞をドキシシリン（1μg/ml）で処理してshRNAの発現を誘導し、48時間後、shRNAを発現している（dsRed+）細胞のVenusレポータの発現レベルをFACS-Aria-IIIフローサイトメータ（BD社）で分析した。
実施例１．１３：リシンのスクリーニング
細胞培地中のリシン粗抽出物をSimmonsとRussell（1985年）に記載されているようにして生成させ、すべての細胞を3〜4日以内に効果的に殺す濃度を滴定した。リシン毒性に関与する遺伝子を同定するため、上記の突然変異ライブラリ（図13）の2500万個の細胞を5枚の15cmの皿にプレーティングした。使用したライブラリは、遺伝的に独立な約750万通りの異なる突然変異からなるという複雑性を持っていた。6番目の15cmの皿にサブクローンHNSc2-27の突然変異していない細胞を500万個プレーティングした。リシンが存在する幹細胞培地の中に細胞を2週間維持した。この時点で、突然変異がなければ空であったはずのプレートには数百個の明確に異なるコロニーが出現したのに対し、対照プレートには、典型的な幹細胞の形を持つコロニーがまったくなかった。リシン不感受性細胞をさらに精製するため、すべての細胞をトリプシンで処理し、同じ面積で再度プレーティングした。対照とライブラリにおけるリシン選択を1週間延長した。対照プレートにはその時点でコロニーがまったくなかったのに対し、ライブラリのプレートは増殖を始めていた。1つの集団内のすべての細胞を溶解させ、DNAを精製し、DNAに逆PCRとディープ・シークエンシング（上述）を実施して、継続的なリシン処理を3週間実施した後に残っていた細胞内のウイルス組み込み部位をすべて求めた。
実施例１．１４：Gpr107ノックダウン
Gpr107を標的とするshRNA（TGCTGTTGACAGTGAGCGCAACTAGCTTATTCATAGCCA-
ATAGTGAAGCCACAGATGTATTGGCTATGAATAAGCTAGTTTTGCCTACTGCCTCGGA、配列ID番号58）を設計し、Zuberら（2010年）；Zuberら（2011年）が記載しているLMN （MSCV-miR30-PGK-NeoR-IRES-GFP）にクローニングした。GPFを発現するレトロウイルス・ベクターと、Gpr107をノックダウンするshRNAまたはスクランブル状態の対照shRNAとを白金E細胞に包装し、HMSc2-27細胞とNIH3T3細胞にトランスフェクトしたものを3つ用意した。72時間後、細胞を2つの10cmのプレートに分割し、一方のプレートは処理せずに放置し、他方のプレートはリシンで処理した（NIH3T3に関しては粗抽出液の1：250、HMSc2-27に関しては粗抽出液の1：2000）。リシンを添加してから48時間後に生存を分析した。細胞をフローサイトメトリーによって分析し、LSR Fortessa（BD社）を用いて絶対数、eGFP発現、生存率（プロピジウムヨード染色）を求めた。
実施例２：単為生殖マウス胚盤胞からの一倍体細胞系の導出
単為生殖胚は一倍体卵母細胞から発生するため、母親のゲノムだけを含んでいる。しかし単為生殖胚に由来する報告されているどの細胞系も染色体の二倍体セットを有する（Kaufman他、1983年）。一倍体細胞が単為生殖初期胚の中に相変わらず存在している可能性があり、一倍体幹細胞をそのような胚盤胞から導出できる可能性があることは、以前は知られていなかった。それを実現するため、過剰排卵させたC57BL/6×129 F1雌からの卵母細胞を5％エタノールまたは25mMのSrCl2によって活性化させた。次に、活性化した卵母細胞を偽妊娠レシピエントに移した（図1A）。胎生日齢（ED）3.5日目に、コンパクトになった桑実胚と胚盤胞を回収し、幹細胞の導出に用いる条件下で培養した。FACS分析から、単為生殖に由来する少数の細胞でDNA含量が実際に低下していることがわかった（図8A）。この集団でFACS精製を数回実施した後に増殖させると、2つの異なる胚盤胞に由来する2つの独立な細胞系が得られ（それを今後はHMSc1とHMSc2と名づける）、細胞周期のG1期では1n染色体セット、G2期では2n染色体セットであった（図1B、図8A）。染色体の広がりから、両方の細胞系が20本の染色体からなる一倍体セットを有することがわかった（図1C、図8B）。両方の細胞系が今では50継代を超えているが、増殖危機の兆候はないことに注意されたい。したがって減数分裂の卵母細胞を活性化させ、胚盤胞を単為生殖で導出することにより、一倍体染色体セットを持つマウス細胞を確立することができた。
実施例３：ゲノムの完全性
確立された一倍体細胞の遺伝子の特徴を明らかにするため、ディープ・シークエンシングを利用してそのゲノムを親マウス系統C57BL/6および129のゲノムと比較し、識別性カバー率分析を実施した。簡単に述べると、50kbの移動ウインドウ（10kbのオフセット）の中で唯一のゲノム位置にマッピングされるシークエンシングの読み取り結果をデュープリケートは考慮せずに評価し、各ライブラリのゲノムにマッピングされる読み取り結果の合計数で規格化した。予想通り、系統間で多くの位置が異なっていることが見いだされた（ウェブのwww.starklab.org/data/elling_CSC_2011/に掲載）。そこで両方の一倍体細胞系から両方の親系統までのゲノムDNAについてのディープ・シークエンシングの読み取り結果を比較し、両方の親系統に対するずれに焦点を当ててまとめた（図1D、図1E）。総合すると、HMSc1は、親系統とは、219箇所の非重複領域に対応する1553個の重複ウインドウで2倍を超えて異なっていること（多重検定補正p値≦10-3）、そしてHMSc2は、読み取りカウント数が増加したウインドウが568個（113領域）、読み取りカウント数が減少したウインドウが61個（10領域）であること（2倍以下；多重検定補正p値≦10-3）が見いだされた。読み取りカウント数が増加した1155個のウインドウと、減少した99個のウインドウが、HMSc1とHMSc2で重複していたのに対し、397個と4個のウインドウがそれぞれ異なっていた。発明者にはこの観察結果の原因がわからないが、共通するこれらコピー数の変動（CNV）は、さまざまなタイプの細胞（ES細胞対成体腎臓）からDNAを調製している間やシークエンシングの間のバッチ効果など、シークエンシング手続きのバイアスに起因している可能性がある。一次シークエンシングの全データは、UCSC ゲノム・ブラウザ（genome.ucsc.edu/）にアップロードするための形式にしたwww.ncbi.nlm.nih.gov/geo/とwww.starklab.org/data/elling_CSC_2011/ で入手できる。したがってまとめると、一倍体細胞系は親系統と比べて限られた数の所定のCNVを示す。これは、一倍体細胞系が、確立されたES細胞（Baker他、2007年）またはiPS細胞系（Hussein他、2011年）を用いた以前の報告と似た少数の複製と欠失を有する可能性が大きいことを示唆している。
両方の一倍体細胞系がコピー数分析では類似していても実際には異なっていることを確認するため、それらがV57BL/6×129異系交配の卵母細胞に由来するという事実を利用した。そのため減数分裂組み換えによって一倍体の構造は異なるはずである。ディープ・シークエンシングの読み取り結果を、サンガー研究所の少数ヌクレオチド多型（SNP）リリースから得られるSNPと比較したところ、両方のマウス系統で異なっていた。われわれの配列は異なるSNPを150万個（HMSc2）と170万個（HMSc1）カバーしていたため、対応するゲノム領域を両方の親の一方に一意的に割り当てることができた。HMSc1細胞とHMSc2細胞に存在するSNPを比較することにより、2つの独立な一倍体クローンが導出されたことが実際に確認された（図8C）。データは、www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/とwww.starklab.org/data/elling_CSC_2011/で入手できる。まとめると、CNV分析にFACSと染色体の広がりを組み合わせることで、両方の細胞系が独立に導出されることがわかり、HMSc1とHMSc2でゲノムに多くの共通部分があったり、個々の染色体の欠失や複製があったりすることはない。
実施例４：典型的な幹細胞マーカーの発現
次に、一倍体細胞系が典型的な胚性幹細胞マーカーを発現するかどうか、すなわち一倍体細胞が実際に幹細胞であるかどうかを調べた。単為生殖に由来する一倍体のHMSc1系とHMSc2系の両方とも、ES細胞の典型的な形態を示し、ES細胞マーカーであるアルカリホスファターゼに関する染色で陽性であった（図2A）。Oct4、Nanog、Sox2を検出するための免疫標識（図2B）により、HMSc1細胞とHMSc2細胞が典型的なES細胞マーカーを発現することが確認された。トランスクリプトーム分析から、両方の一倍体細胞系の発現プロファイルは二倍体ES細胞系IB10/Cの発現プロファイルと非常によく似ていることがわかった（図9A）。識別値が最大の遺伝子に焦点を絞るため、100個の遺伝子セット（その中にはNanog、Oct4、Klf4が含まれる（Chambers他、2003年））について、マウス胚性線維芽細胞（MEF）と二倍体ES細胞の間で、どちらかの方向の遺伝子発現の最大差を分析した。この遺伝子セットの分析から、HMSc1細胞系とHMSc2細胞系の両方とも、真正の二倍体ES細胞系IB10/Cと非常によく似た発現の兆候を示すことがわかった（図9B）。定量PCR分析により、HMSc1細胞とHMSc2細胞の両方が典型的なES細胞マーカーを発現することが確認された（図2C）（Elling他、2006年；TakahashiとYamanaka、2006年）。合わせて考えると、全体的なトランスクリプトーム・プロファイリングと典型的な観察結果マーカーの発現分析により、両方の一倍体細胞系が幹細胞の性質を持つことが確認された。
実施例５：インビトロでの一倍体幹細胞の分化能力
われわれの一倍体ES細胞の分化能力を調べるため、最初に胚様体（EB）の形成を調べた。両方の一倍体細胞系は容易にEBを形成し、EB細胞は内胚葉マーカーGata4を発現した（図2D）。リアルタイムPCRを利用して分化をさらに確認した。典型的なES細胞マーカーNanog、Rex1、Oct4、Sox2、Klf4、Sall4、Kfl2（Chambers他、2003年；TakahashiとYamanaka、2006年）は、EBでは、親一倍体ES細胞と比べて下方調節されたのに対し、分化系列決定マーカーHand1（中胚葉、栄養外胚葉）、Nkx2-5とブラキュリー（両方とも中胚葉）、ネスチン（神経）、Gata4、Gata6、Foxa2（すべて内胚葉）、Sox17（内胚葉と中胚葉）、Cxcr4R（内胚葉）、ケラチン18（外胚葉）は上方調節された（図2E、図9C）。これらの結果は、一倍体ES細胞が3つの生殖層すべてのいくつかの系譜に分化できることを示している。
実施例６：生体内での分化能力
確立された一倍体ES細胞系が成体マウスに寄与する分化能力を評価するため、アグーチ+ES系HMSc2をED 3.5胚盤胞に注入した。競合的増殖、したがって効率的な寄与を保証するため、一倍体HMSc2に由来する二倍体細胞を使用した。生まれた25匹のマウスのうちの6匹で毛色キメラが観察された（図3A）。単為生殖に関して以前に報告されているように（ThomsonとSolter、1988年）、さまざまな臓器に対する全面的に母に由来する細胞の寄与を分析するため、識別PCRを実施し、多数の組織でHMSc2に由来する細胞を検出した（図10A）。われわれの一倍体幹細胞の固有分化能力を調べるため、生体内奇形腫アッセイを実施した。対照二倍体ES細胞と同様、HMSc1細胞とHMSc2細胞の両方を注入すると常に4〜8週間以内に奇形腫が形成された。
両方の一倍体幹細胞系に由来する奇形腫では、中胚葉に由来する筋肉細胞、内胚葉に由来するアルシアンブルー陽性上皮組織（ムチンを産生する）、神経内胚葉に由来するTuj1+ニューロン、外胚葉に由来するサイトケラチン5+上皮組織が観察された（図3B）。それに加え、真正の軟骨組織、脂肪、ケラチン化した多層上皮、染色された上皮、皮下汗腺、腺性管、神経管、呼吸器上皮が観察された（図10B〜図10I）。これらのデータから、一倍体幹細胞に由来する細胞は、キメラマウスに寄与する能力を持ち、生体内で3つの生殖層すべての細胞に分化できることがわかる。
実施例７：安定な増殖と分化の能力は一倍体幹細胞に固有である
一倍体幹細胞が安定に増殖する固有の能力を有するかどうかを評価するため、FACS精製の直後に個別の一倍体細胞をプレーティングしていくつかの個別の細胞クローンを確立した。これらサブクローンは、無支持条件で確立されたものであり、以前に30継代を超えて培養されたHMSc1とHMSc2両方の親系に由来する。導出されたすべてのサブクローンが幹細胞マーカーOct4とSox2を発現し（図4A、図11）、Gata4+内胚葉細胞とTuj1+ニューロンを含むEBを形成した（図4A、図12）。一倍体サブクローンHMSc2-27を選択し、その増殖速度と安定な一倍体細胞の数をさらに調べた（図13A、図13B）。
典型的な幹細胞の形態と、Oct4、Nanog、Sox2のタンパク質発現と、染色体の一倍体セットを、HMSc2サブクローンで確認した（図13C〜F）。一倍体：二倍体の比率がさまざまなHMSc2細胞の増殖速度は、純粋な二倍体HMSc2-27細胞の増殖速度と同等であった（図4B）。これら増殖速度は、以前に確立されたES細胞系の増殖速度と同等であることに注意されたい。HMSc2-27細胞培養物の中の二倍体細胞と一倍体細胞の比に関する動力学的研究から、これら細胞の大半が7継代にわたって一倍性を維持することがわかった（図4C）。HMSc2-27幹細胞からEBへの系譜特異的分化プロトコルに従った分化から、これら細胞が、Gata4+内胚葉、Tuj1+神経系譜（図4A）、中胚葉“脈打つ”筋芽細胞（図4D、同期収縮、付録のムービー1と2参照）を形成する能力を持つことがわかった。さらに、生体内奇形腫アッセイにおいて、HMSc2-27細胞は、すべての生殖層に分化することができた（結果は示さない）。このサブクローニング実験を確認するため、すなわち個別の一倍体幹細胞からのクローニングが実際にうまくいくことを確認するため、GFP陽性サブクローンを生成させた。確立されたサブクローンからのすべての細胞が、一倍性段階にあるか二倍性段階にあるかに関係なく、GFPを発現した（図4E）。二倍体細胞は一倍体になることはできないため、これらの実験から、そのようなクローンのすべての細胞が個別の一倍体細胞に由来したに違いないことが確認される。
HMSc2サブクローンにより、一倍体状態と二倍体状態におけるこれら細胞の分化能力を調べることが可能になった。一倍体HMSc2幹細胞は実際にOct4を下方調節することができ、EB培養物の中でTuj1+ニューロンとGata4+内胚葉細胞を形成する（図4F）。次に、一倍体HMSc2細胞を（EBを形成することなく）ニューロン系列とアストロサイト系列に直接分化させることを試みた（Pollard他、2006年）。ネスチンの発現からわかるように、HMSc2細胞は分化してニューロン幹細胞（NSC）になることができた。さらに、分化したGFAP+アストロサイトとTuj1+ニューロンが観察された（図5A）。次に、分化と一倍体状態が互いに排他的であるかどうか、すなわち一倍体細胞は分化する前に二倍体になる必要があるかどうかを調べた。そこでわれわれは、胚性幹細胞、神経幹細胞、分化した神経幹細胞培養物の中の系譜マーカーOct4とネスチンをゲートとし、細胞のDNA含量を調べた。ほとんどすべてのOct4+細胞はすべての培養条件で一倍体に留まったが、一倍体と二倍体のネスチン+神経前駆細胞が観察された。しかしそのような神経前駆細胞をさらにアストロサイトとニューロンに向かって分化させると、すべてのネスチン陽性細胞が4日以内に二倍体になった（図5B）。
Oct4発現の高含量スクリーニング分析（Walker他、2007年）と、一倍体と二倍体のHMSc2-27細胞の分化状態を自動的に求めることが可能なDAPI強度および核面積とを利用して、一倍体細胞の分化能力をさらに評価した（図14）。LIFの存在下で72時間にわたって培養した幹細胞は、平均Oct4発現強度からわかるように、高レベルのOct4を維持した（図5C、左の図）。分布分析から、二倍体になるHMSc2-27細胞は、一倍体細胞よりもわずかに高いレベルのOct4を発現した。これは、核がより広いことと整合している。LIFを除去すると、Oct4の発現は、一倍体と二倍体のHMSc2-27細胞で低下した（図5C、中央の図）。さらに、0.5μMのレチノイン酸に応答した分化によって一倍体と二倍体のHMSc2-27細胞でのOct4の発現が劇的に低下し、バックグラウンドのレベルになった（図5C、右の図）。これは、0.1μMのレチノイン酸を用いて得られた結果と同様であり、効率的な分化を示している。これらのデータから、一倍体幹細胞は二倍体ES細胞と同様の動力学で分化できること、そして重要なことだが、一倍体幹細胞は、分化が始まっても一倍性を維持できることがわかる。
実施例８：レトロウイルス突然変異誘発
一倍体幹細胞を確立するというアイディアは、ゲノム・スケールでの順遺伝学と逆遺伝学のためのツールを作り出すことを目的としている。一倍体マウス幹細胞での突然変異誘発能力を証明するため、FACS精製したばかりの一倍体HMSc2-27培養物の細胞5×108個に、可逆的遺伝子トラップを含む以前に報告されているレトロウイルス（Schnutgen他、2008年）を感染させた。このベクターは、幹細胞の中で検出可能な発現がわずかであるか発現がない遺伝子への挿入を可能にする除去可能なOct4結合部位も含んでいる（Schnutgen他、2008年）。感染の後、コロニー形成アッセイで評価すると7.5×106個の独立なゲノム挿入が生成した。
次に幹細胞コロニーをプールし、逆PCRとディープ・シークエンシングによって300万個の細胞に対応する10μgのゲノムDNAを分析してウイルス挿入部位をマッピングした。176,178個の挿入をあいまいさなく同定することができた。挿入のほぼ半分は遺伝子間領域にマッピングされ、約51％の挿入は、8203個の異なる遺伝子をカバーするプロモータ領域と遺伝子内領域（5’UTR領域、3’UTR領域、第1イントロン領域、他のイントロン領域、コード領域）で起こった（図6A）。遺伝子内挿入のうちで、約半分（53％）がセンス方向、半分がアンチセンス方向であった。第1イントロンへの頻繁な挿入が観察されたため、遺伝子の発現／機能が完全に失われる可能性が非常に大きいことに注意されたい。遺伝子トラップ効率を分析するため、HMSc2細胞での発現レベルに基づいて遺伝子を10の区画に分割した（0〜10％は発現が最低の遺伝子、90〜100％は発現が最高の遺伝子）。予想通り、発現がより多い遺伝子がより多くヒットした（67％まで）。重要なことだが、改変したOct4結合部位（Schnutgen他、2008年）が理由で、われわれは、幹細胞の中で検出可能な発現がわずかであるか発現がない遺伝子への頻繁な（31％）挿入を得ることができた（図6B）。われわれは、次に、全部で176,178箇所ある挿入またはその一部によってトラップされた遺伝子の数を分析した（図6B；全挿入数をX軸で100％に設定する）。この分析から、突然変異誘発は飽和に達していないことがわかる。これは、挿入の数がより多くなると標的とされる遺伝子の数が増えることを示している。使用したライブラリは40倍多い（7.5×106）独立な組み込みからなることを考慮すると、突然変異誘発プロトコルは、原則として、大半の遺伝子を分断する力を持つ。
実施例９：修復可能な突然変異誘発ベクターを用いた迅速かつほぼゲノム-ワイドなスクリーニング
挿入突然変異誘発のため以下のアプローチを採用した：転写終了カセットを共有するベクター、すなわち所定の遺伝子の1つのイントロンに挿入された後にポリAシグナルがあると新生mRNAの未熟な切断につながる、遺伝子転写産物を“捕獲する”スプライス・アクセプタ（SA）を共有するベクター（図15A）。組み込まれる遺伝子トラップは、トラップされる遺伝子のプロモータから転写された抗生物質耐性カセットを用いて選択した。われわれは、そのようなカセットをレトロウイルス骨格で使用し（図15B）、それを眠れる美女トランスポゾン骨格にクローニングした（図15C）。この方法は、遺伝子座の転写を必要とするため、各タイプの細胞に転写される遺伝子に限定される。遺伝子トラッピングは、最近、胚性幹様細胞特異的エンハンサ要素を付加することによって改良された（図15D）（Schnutgen他、2008年）。そうすることで、胚性幹様細胞での発現が弱い遺伝子が、十分な選択を可能にするレベルまで活性化される。ポリAトラッピング・カセットは自らのプロモータとともに挿入されるが（図15Eの水色の矢印）、mRNAは、ゲノムポリアデニル化シグナルの上流に挿入される場合、したがって転写産物内に挿入される場合を除き、失われたポリAシグナルが原因で不安定なままである。したがってこの系は、胚性幹様細胞で標的遺伝子の転写をまったく必要としない。
遺伝子トラップ・カセットを送達するため、レトロウイルス系およびレンチウイルス系とともに、いくつかの転移性遺伝因子、すなわち眠れる美女、Tol2、piggyBacを使用した（図15B〜図15E）。使用する送達系、ウイルス力価、一倍体幹細胞の数は、注意深い滴定実験において各システムについて最適化することができる。異なるこれら突然変異誘発戦略のすべてを試験するのは、これらの系のすべてが独自の組み込みホットスポットを有するからである。重要なことだが、われわれのすべてのベクターは、カセットを逆転させるため二重柔軟（double flex）系を含んでいる。これは、両立しないloxP/lox5171部位とFRT/F3部位のアレイによって実現される（図15F）。この可逆的な系により、同定された遺伝子の因果関係が確立する。なぜならわれわれは、突然変異したクローンと“修復された”クローンを並べて比較し、尋ねたい疑問に合わせて挿入を2回逆転させることさえできるからである。さらに、われわれは、アンチセンス挿入から機能喪失突然変異体を生成させることにより、そうでない場合には致死的なハウスキーピング遺伝子の機能を研究することができる。
遺伝子トラップ・カセットの大半の送達系は、組み込み部位に向かうバイアスを示す。しかしこれら送達戦略が広く利用されているとはいえ、驚くべきことに、大きなデータセットを用いてすべての方法に関して系統的な比較を行なう研究はまだなされたことがない。そこでわれわれは、われわれの一倍体幹細胞において、異なるレンチウイルス系、レトロウイルス系、トランスポゾン系を使用して大規模な突然変異誘発スクリーニングを実施した。すると、発生する何千万もの独立な突然変異をゲノムにマッピングすることが可能になる。こうすることで、これまでで初めて、われわれの突然変異誘発ベクターの挿入の挙動を系統的に、かつ並べて比較することが可能になった。われわれはそのようなデータセットから多数のパラメータを導くことができた。その例として以下のものがある。1．各系の突然変異誘発の飽和の挙動の比較とその組み合わせにより、われわれの機能喪失遺伝学のための最適な突然変異誘発系を確立すること。2．同じベクターの生物学的複製を独立に分析することにより、同じゲノム部位における独立な組み込みの確率を評価することができた。3．各系が各遺伝子をヒットする確率の比較により、共通するホットスポット、共通するコールドスポット、ゲノム内で別々に標的とされる遺伝子座が同定される。4．標的（例えばホットスポット）に向かう挙動が似た遺伝子セットの分析により、共通するホット／コールドスポットを、メチル化状態、DNAseのアクセス可能性、細胞の転写状態と相関させることができる。
実施例１０：高スループット逆遺伝学のためのツールとしての一倍体マウス幹細胞
次に、レトロウイルス突然変異誘発の設定を利用し、個々のクローンを取り出し、約1000の細胞系の挿入部位を同定し、センス挿入とアンチセンス挿入がある10個のクローンを選択してさらに分析した。部位特異的プライマを用いたPCR分析により、われわれのシークエンシング法を利用すると全部で10のケースにおいて正しい標的部位が同定されることを確認した（図6C）。非常に重要なのは、これらのデータから、10のクローンすべてがホモ接合の挿入を有することもわかることである（図6D）。これは、突然変異誘発が一倍体細胞に起こったこと、そしてこの方法が実際に劣性遺伝学にとって実用的であることを示している。
親野生型（Wt）HMSc2-27細胞、またはレトロウイルス・ベクターをアンチセンス方向で有する幹細胞クローンを用い、レチノイン酸受容体γ（Rarg）とDroshaをコードしている遺伝子の中に挿入がある2つのクローンの機能を確認した。次に、一過性Cre発現により、対立遺伝子を、スプライス・アクセプタが遺伝子の発現を破壊するセンス組み込みに変換した。この方法により、候補遺伝子の確認がただちに可能になり、潜在的なバックグラウンド突然変異が除外される。実際、スプライス・アクセプタのセンス組み込みにより、Rarg mRNAの発現がほぼ完全に消える（図6E）。機能的には、スプライス・アクセプタの野生型（Wt）対立遺伝子をアンチセンス方向に有する幹細胞は迅速に分化し、レチノイン酸処理で細胞死を起こすのに対し、Rargの発現の破壊は、幹細胞をそのようなレチノイン酸効果に対して不感受性にする（図6F）。
RNase III Droshaは、核におけるプリmiRNA転写産物からプレmiRNA幹-ループ前駆体への変換の触媒となる（Lee他、2003年）。ホモ接合Droshaの不活性化は、miRNAプロセシングの初期ステップにおいてこの重要な役割を果たすことが理由で、miRNAの生物発生を大きく損なうことが予測される。条件付きDroshaノックアウト・マウスは以前に公開されている（Chong他、2008年）が、生きているDroshaノックアウト細胞系はまだ報告されたことがない。われわれは、Creを媒介としたスプライス・アクセプタの逆転によってDrosha突然変異幹細胞クローンを実際に生成させることができた（図6G）。pashaオルソログDgcr8（Droshaと合わさって、マイクロプロセッサ複合体と呼ばれるタンパク質複合体の一部を構成する）に突然変異があるES細胞で報告されているように（Wang他、2007年）、drosha突然変異幹細胞は包嚢性胚様体を形成することができない（図6H）。破壊されたDrosha対立遺伝子を有するES細胞におけるプリmiRNAのプロセシングを評価するため、強力なmiR30をベースとしたshRNA（shmiR.Luc1309）が、Venusレポータタンパク質をコードする配列の3’UTRにLuc1309特異的shRNA標的部位（標的）を有する転写産物の発現に及ぼす効果をモニタした。shmiR.Luc1309の発現は正常なES細胞においてVenusの発現を強く抑制したが、われわれのDrosha欠失ES細胞クローンは、shRNAを媒介とするレポータの抑制を示さなかった（図6I）。これは、miRNA経路が機能しないことを示している。これらのデータから、一倍体幹細胞を逆遺伝学で実際にうまく利用して可逆的突然変異とホモ接合突然変異を生み出せることがわかる。
レトロウイルス遺伝子トラップ・ベクターが組み込まれる挙動の分析から、マッピングされた組み込みの約50％は所定の遺伝子に対してアンチセンス方向であり、したがって非破壊的であることがわかった。その結果、不可欠な遺伝子へのいかなる組み込みもアンチセンス方向だと元通りになる。なぜならセンス方向だと、レトロウイルス遺伝子トラップ突然変異誘発の後に死ぬため、生き残っている細胞のプールから失われるからである。一例として、われわれの可逆的突然変異誘発戦略を利用することで、われわれは、miRNAプロセシングの初期ステップで重要な役割を演じるDroshaに関して生きているホモ接合ノックアウト幹細胞系を初めて記述した。次に、一過性Cre発現により、アンチセンス挿入を、スプライス・アクセプタが遺伝子の発現を破壊するセンス挿入に変換した。実際、アンチセンス組み込みではなくセンス組み込みにより、Drosha mRNAの発現がほぼ完全に消失し、機能上は、Drosha突然変異幹細胞が嚢包性胚様体を形成できなかった（図16）。
実施例１１：リシン毒性に関与する遺伝子を探すゲノム-ワイドなスクリーニング
最後に、一倍体幹細胞系を用いてゲノム・レベルでの劣性順遺伝子スクリーニングを実施した。ひまし油植物ヒマからの天然のリシン毒性は非常に有毒である。分子レベルでは、リシンは、N-アセチルガラクトサミンまたはβ-1,4-連結ガラクトース残基に結合するとともに、細胞表面のマンノース受容体に結合するため、リシン分子は、ゴルジ体を通じた逆行性輸送に従って小胞体（ER）の管腔に入り、そこから細胞質ゾルの中に流出してリボソームを不活性化すると考えられる。われわれは、リシンがマウスES細胞に対して非常に強い毒性を示すことを見いだしたため、突然変異した一倍体HMSc2-27細胞ライブラリを使用し、細胞に致死量のリシンでチャレンジを行なった。リシンは対照幹細胞をすべて殺したが、突然変異した一倍体HMSc2-27細胞からは多数の幹細胞コロニーが成長していることを観察した（図7A）。そこでこれらコロニーをプールし、ディープ・シークエンシングによって組み込み部位を求めた。以前の研究から予想されるように、糖代謝に関与する多数の酵素が見いだされた。すなわちβ-1,4-ガラクトシルトランスフェラーゼ1（B4galt1）、N-アセチルラクトサミニドβ-1,6-N-アセチルグルコサミニル-トランスフェラーゼ（Gcnt2）、ポリペプチドN-アセチルガラクトサミニルトランスフェラーゼ2（Galnt2）、糖タンパク質ガラクトシルトランスフェラーゼα1,3（Ggta1）、ポリペプチドN-アセチルガラクトサミニルトランスフェラーゼ3（B4galnt3）である（図7B、図7C）。α-(1,3)-フコシルトランスフェラーゼFut9における多数の破壊性突然変異も得られ、GDP-フコース輸送体1 Slc35clがヒットした（図7B、図7C）。フコシル化経路とリシン毒性はこれまで関連づけられたことがまったくない。
興味深いことに、GPCR Gpr107（LUSTR1）において49個の異なる組み込みが観察された（図7B）。これは、Gpr107が、リシン毒性に関与する1つの重要な分子であることを示唆している。HMSc2でのshRNA技術を用いてHMSc2-27細胞においてGpr107の発現をノックダウンすることで、リシン毒性におけるこのGPCRの中心的な役割が確認された。リシン誘導細胞死におけるGpr107のカギとなる役割を異なるタイプの細胞、すなわちNIH 3T3細胞でさらに確認した（図7D、図7E）。われわれのshRNAデータは、プレートから回収した生きている細胞の、リシン処理ありと、リシン処理なしの比（％生存率）として示してあることに注意されたい。トランスフェクトなしの細胞、または対照ヘアピンをトランスフェクトされた細胞、またはeGFP陰性の対照細胞の約1％が、処理なしのそれぞれの細胞と比較して、リシン処理の48時間後にまだ生きていた。shRNAを媒介としたGpr107のノックダウンにより、リシンに曝露したHMSc2-27細胞とNIT 3T3細胞の生存は著しく増加したが、これらの細胞をリシン毒性から完全に保護することはできなかった。逆に、スクリーニングのために実施した一倍体HMSc2-27幹細胞におけるGpr107の遺伝子除去により、細胞は3週間にわたるリシン適用を生き延び、個々の突然変異した細胞から出発して増殖し、コロニーを形成することができた。したがって、われわれの一倍体幹細胞では順遺伝学スクリーニングが可能であり、かつ有効である。
以下の耐性遺伝子の同定結果を用いて突然変異実験を繰り返した（表1）。
突然変異した細胞のバッチにおいて約300万箇所の独立な挿入部位を同定することにより、得られた挿入を選択前の挿入と比較することができる。LOFスコアは、2つのp値を互いに掛けたものである。すなわち、関連する遺伝子について、破壊的挿入は、バックグラウンドに対する確率P（DIvsDIBG）と、選択後の遺伝子における破壊的挿入に対する確率P（DIvsI）の両方で実際よりも大きく予想されているため、これらP値の掛け算から、遺伝子が真のヒットである確率が推定される。
単独の遺伝子レベルでヒットを検証するため、細胞のプールから数百の個別の細胞クローンを単離し、それらクローンを96ウエルの形式で同量の2種類のレトロウイルスを用いて処理した。一方のレトロウイルスは改変してGFPを発現させ、他方は、赤色蛍光体mCherryとCreリコンビナーゼをコードしている。両方のウイルスによってコードされているピューロマイシン耐性を通じ、感染した細胞を選択する。細胞が、耐性表現型と直接関係するイントロンの中に遺伝子トラップをセンス方向で有する場合には、Creリコンビナーゼの発現によって挿入は非破壊的になり、mCherryを発現する集団は、選択された表現型を失うであろう。その細胞は、突然変異した遺伝子の野生型機能を再度獲得し、毒性に対して再び感受性になり、赤いすべての細胞が集団から失われるであろう（図17A、図17B）。耐性が、関係のない突然変異によって、またはイントロン以外への遺伝子トラップの組み込みによって起こった場合には、mCherry-Cre発現細胞に対するGFP発現細胞の比は変化しない。この方法により、数百の突然変異を並列に効果的に確認し、真のヒットを“背景ノイズ”から識別することが可能になる。
リシン・スクリーニングの3つの最大ヒット、すなわちGpr107、Slc35cl、Fut9（後ろの2つはフコシル化に関与する）の関与を個別に確認するため、スクリーニングから直接単離して突然変異一倍体幹細胞クローンを導出し、上記のGFP/mCherry-Cre確認システムで確認した（図17B、図17D）。さらに、相同組み換えを通じてGrp107の遺伝子ターゲティングを実施した。そうすることで初期スクリーニングの結果が確認された。野生型遺伝子座の不在を探すPCRに基づく簡単なスクリーニングを利用することで、一倍体染色体の状態により、標的カセットが適切に組み込まれたノックアウト系をすべて直接導出することができた。Gpr107を標的としたこれら細胞を、Slc35clとFut9に関する突然変異クローンとともに使用し、リシン耐性におけるこれら遺伝子の重要な役割を遺伝子的に確認した。それに加え、タグを付けたGpr107を過剰発現させてわれわれのノックアウト細胞でリシン感受性を再び獲得させ、プルダウン実験を質量分析と組み合わせて実施し、Gpr107の相互作用パートナーを同定する。
Gpr107プルダウン：
潜在的な結合パートナー、またはGpr107の機能を同定するため、プルダウン実験を実施した。このタンパク質のC末端にタグ（mCherry、Ha、myc）を付けたものを、ノックアウト一倍体幹細胞をバックグラウンドとして過剰発現させた。改変したこのタンパク質により、われわれの細胞で機能を再構成することができた。それは、リシン毒性に対する感受性が再獲得されたことからわかる。この発現コンストラクトを使用し、全細胞ライセートの中でGpr107の抗HAプルダウン実験を実施した。溶離したタンパク質の質量分析により、Gpr107の潜在的相互作用パートナーがいくつか同定された。それらは現在さらに研究中である。
以下に示すように、表1と表2の遺伝子の抑制は、リシン耐性にとって重要であるだけでなく、リシン様毒素、特にリボソーム阻害性毒素やAB5毒素（例えばシュードモナス外毒素A）に対する耐性にとっても重要である。
ひまし油植物ヒマから自然に発生するリシン毒性は、最も危険な毒の1つであり、生物テロで使用される可能性があることで悪名が高い。リシンはわれわれの一倍体マウス幹細胞を効果的に殺すため、リシン毒性に関する順遺伝学スクリーニングを実施した。このスクリーニングにより、リシンによって誘導される殺傷に必要な第1 の候補としてGPCR Gpr107が同定された。リシン中毒の治療に有効な抗毒素は入手できないため、図7、表1、表2の遺伝子（例えばGpr107）の分子抑制が、生体内のリシン毒性を緩和する有用な候補である。
実施例１２：シュードモナス外毒素A処理：
Gpr107の野生型細胞とノックアウト細胞と再構成細胞を同数用意し、さまざまな濃度のシュードモナス外毒素Aで3日間処理した。その後、アラマールブルー細胞生存アッセイを利用して生存率を調べた。Gpr107ノックアウト細胞は、毒素のもとで、この受容体を発現している細胞よりも生存率が大きかった（図18F）。
実施例１３：治療のための毒性耐性
フコシル化阻害剤
われわれの一倍体幹細胞スクリーニングにおいて、フコシル化がリシン毒性の主要な経路であることがわかった。フコシル化は非常に興味深い。なぜならこの経路がこれまでリシン毒性と関連づけられたことはまったくないからである。われわれは、基質として機能するが、それと同時にヒト細胞の中でフコシルトランスフェラーゼを抑制する小分子を調べた。HL-60を2F-ペルアセチル-フコース（Rillahan他、2012年の中の化合物2。合成情報に関しては付録を参照）で3日間処理した。
フコシルトランスフェラーゼ阻害剤：
エピトープSSEA-1を有するフコースを染色した後、FACS分析を行なうと、われわれの細胞で用量に依存したフコシル化の喪失が実際に見られた。次に、前処理した細胞をリシンと阻害剤の両方の存在下で4日間増殖させた後、生存率と細胞数を調べた。フコース類似体で前処理した細胞は毒素ストレスの存在下で生存率が顕著に上昇していたことから、リシン毒性におけるフコシル化の役割がヒト細胞でも確認された。さまざまな分子と化合物（例えば2-デオキシ-D-ガラクトース）が哺乳動物のさまざまなフコシルトランスフェラーゼFucTIII、V、VI、VIIを特異的に抑制することが以前からわかっており（Buechsel他、1980年、Burkart他、2000年；Lee他、2003年、Hosoguchi他、2010年；Rillahan他、2012年）、リシン毒性の効果を低下させるのに使用できる。
実施例１４：セミクローニング：
一倍体バックグラウンドでの遺伝子スクリーニングにより、数千個の遺伝子を同時に分析することが可能になった。しかしスクリーニングの結果を評価し、遺伝子セットの生体内での機能をさらに研究するには、動物モデルが貴重なツールとして役立つため、動物モデルを作製した。最近、さまざまな単為生殖マウスと雄性生殖マウスの一倍体ESCが、遺伝子操作の後でさえ生殖系に寄与することが示された（Li他、Nature、2012年）。これによってわれわれが目指したマウス一倍体幹細胞を直接用いて生体内表現型の研究を行なう可能性が生まれる。キメラマウスの作製に胚盤胞幹細胞を注入する従来法とは別に、一倍体幹細胞を用い、細胞質内注入によって減数分裂II卵母細胞を直接受精させることができる（セミクローニング）。こうすることで、ドナー一倍体ESCの遺伝材料を子孫に伝達することができる。われわれの一倍体幹細胞の多能性の最適なエピジェネティック状態を維持または再獲得するのに適切な条件は、GSK3とMEKキナーゼの活性を化学的に抑制することによって実現できた（2i培地）。セミクローニングにより、ノックアウト系または入手可能な一倍体幹細胞系を使用し、この明細書に記載した一倍体幹細胞遺伝学を利用して新規遺伝子を同定することだけでなく、これら突然変異クローンを生体内マウス実験に直接“移す”こともできる。
参考文献
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優先権主張後の文献：
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Schimenti、Cell Stem Cell第9巻(6)（2011年）：488〜489ページ、
WO 2012/117254 A1
参考文献は、参考としてこの明細書に組み込まれている。参考文献の引用は、先行技術を認めていることを意味しない。

Claims (40)

  1. 一倍体細胞の哺乳動物細胞系を生成させる方法であって、
    発生において塊になっている胚段階、好ましくは胚盤胞段階にある複数の一倍体細胞を取得し、
    その複数の一倍体細胞から細胞を単離し、
    その複数の一倍体細胞から単離した細胞を増殖させ、
    その増殖させた細胞から一倍体ゲノムを持つ1個以上の個別の細胞を選択して単離し、それによって、安定な一倍体細胞の細胞系の細胞を取得することを含む、方法。
  2. 前記哺乳動物の一倍体単為生殖卵母細胞または胚性細胞を取得するステップと、その卵母細胞または胚性細胞を偽妊娠雌に移すステップと、その卵母細胞または胚性細胞を多細胞段階へと増殖させるステップと、必要に応じてその多細胞段階の細胞を培養して胚盤胞段階にすることにより、発生において塊になっている胚段階にある前記複数の一倍体細胞を提供するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 細胞培養物の前記細胞を培養し、50継代までの後にその細胞培養物から一倍体細胞を単離し、その単離した一倍体細胞を新たに継続する細胞培養物として増殖させることをさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 親細胞がヘテロ接合またはホモ接合であり、好ましくはヘテロ接合である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 単為生殖の桑実胚または胚盤胞に由来する多能性一倍体胚性幹細胞系を生成させる方法であって、
    （a）被験雌からの未受精の卵母細胞をインビトロで活性化させて単為生殖を誘導し；
    （b）ステップ（a）で活性化された卵母細胞を培養して桑実胚および／または胚盤胞を生成させ；
    （c）ステップ（b）の桑実胚および／または胚盤胞から胚性幹細胞を単離し、必要に応じてその胚性幹細胞を、その胚性幹細胞の分化を抑制する細胞培地に移し；
    （d）ステップ（c）の胚性幹細胞をFACS分析し、一倍体DNAを含む胚性幹細胞を同定し、および／または豊富にし；
    （e）必要に応じ、一倍体DNAを含む胚性幹細胞のFACS精製とその胚性幹細胞の増殖を繰り返し、それによって一倍体胚性幹細胞系を生成させること
    を含む、方法。
  6. ステップ（a）の前記未受精の卵母細胞が、インビトロで成熟した卵母細胞である、請求項5に記載の方法。
  7. ステップ（a）の卵母細胞をエタノール（5％が好ましい）または塩化ストロンチウム（SrCl2）（25 mMが好ましい）に曝露することによって活性化させる、請求項5または6に記載の方法。
  8. ステップ（d）および／または（e）を少なくとも5回繰り返す、請求項5〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 哺乳動物の前記被験雌または前記細胞を、ヒト、非ヒト霊長類（例えば、マカク属（例えばカニクイザル、アカゲザル）、カリスリクス属または大型類人猿（例えばゴリラ、チンパンジー、オランウータン））、マウス、ラット、ヤギ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ラクダの中から選択することが好ましい、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞が、細胞周期のG1期に1n染色体セットを持ち、G2期に2n染色体セットを持つことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記細胞系の生成した胚性幹細胞の少なくとも60％が一倍体である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞が、胚性幹細胞マーカーであるアルカリホスファターゼ、Oct4、Sox2、Nanog、Klf4、Rex1、Klf2、cMyc、Sall4、SSEA-1のうちの1つ以上の発現を特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞が、少なくとも50継代にわたって安定な増殖を示す、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞が、少なくとも7継代にわたって一倍性を維持する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞を分化させることをさらに含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記細胞系の一倍体胚性幹細胞の遺伝子を改変することをさらに含む、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. 内部細胞塊の培養によって、またはその内部細胞塊または栄養芽層または胚盤胞の成長に由来する細胞の培養によって細胞を維持することを含むか、前記複数の細胞の単離に、多細胞段階の細胞（例えば胚盤胞全体）の個別化を好ましくは多細胞段階、好ましくは胚盤胞のトリプシン処理によって実施することを含む、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 個別の細胞を増殖させて細胞培養物にする（サブクローニング）、請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法。
  19. 前記細胞を、好ましくは支持層の上で維持した後に、無支持細胞培養条件で維持するか増殖させる、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。
  20. 請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法によって生成した、桑実胚または胚盤胞に由来する胚性幹様細胞系。
  21. 少なくとも60％の一倍体胚性幹細胞を含む、桑実胚または胚盤胞に由来する胚性幹様細胞系。
  22. 桑実胚または胚盤胞に由来する請求項20または21の胚性幹様細胞系を含む試験系またはキット。
  23. 胚盤胞に由来する前記胚性幹様細胞が、胚盤胞の内部細胞塊（ICM）に由来する、請求項20または21に記載の胚性幹様細胞。
  24. 胚盤胞に由来する前記胚性幹様細胞が、栄養芽層、好ましくはOct4を過剰発現している栄養芽層に由来する、請求項20または22に記載の胚性幹様細胞。
  25. 請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法によって得ることが可能な一倍体ゲノムを有する細胞からなる細胞培養物。
  26. 一倍体ゲノムを有する細胞、好ましくは哺乳動物の細胞を提供することを含む、突然変異の分析方法であって、突然変異をその細胞の興味の対象である遺伝子座に導入し、その細胞でその遺伝子座に関係する変化した活性を観察する操作を含む、方法。
  27. 前記細胞が、少なくとも10継代にわたって一倍体の形態で安定であり、好ましくは、その細胞は、請求項1〜19のいずれか1項の方法によって得ることが可能であるかまたは得られる、請求項26に記載の方法。
  28. 対象である1個以上の遺伝子が不活性化されている、請求項25に記載の細胞培養物の細胞。
  29. 遺伝子Droshaおよび／またはRargのノックアウトを含む一倍体哺乳動物細胞であって、好ましくは、その細胞が、請求項25の細胞培養物の細胞である、一倍体哺乳動物細胞。
  30. 対象である表現型を含む細胞を生成させる方法であって、
    一倍体ゲノムを有する複数の細胞、好ましくは哺乳動物の細胞、特に好ましくは請求項1〜19のいずれか1項の方法によって得ることが可能であるかまたは得られる細胞をランダムに突然変異させ、
    前記の対象の表現型を有する細胞を選択すること
    を含む、方法。
  31. 対象である前記表現型が、前記細胞を毒素または増殖阻害剤と接触させたときの細胞の生存または細胞の増殖である、請求項30に記載の方法。
  32. 前記毒素がリシンである、請求項31に記載の方法。
  33. 前記複数の細胞が少なくとも1000個の細胞を含む、請求項30〜32のいずれか1項に記載の方法。
  34. 請求項30〜33のいずれか1項に記載の方法によって得ることができて、毒素、好ましくはリシンに対する耐性を持つ一倍体細胞。
  35. 細胞で毒素耐性の活性を有する遺伝子標的をスクリーニングする方法であって、
    請求項31〜33のいずれか1項に記載の毒素耐性を有する細胞を生成させ、
    前記ランダム突然変異のない細胞と比較した、毒素耐性を有するそれら細胞における突然変異を同定することをさらに含む、方法。
  36. 毒素に対する治療薬を同定する方法であって、請求項35に記載の遺伝子標的を同定し、その遺伝子標的、またはその遺伝子標的の遺伝子産物に治療候補分子を好ましくは単離した細胞内で接触させ、その候補と前記遺伝子標的または遺伝子産物との結合イベント、または前記毒素に対する前記細胞の改変された耐性を同定することを含む、方法。
  37. 前記毒素がリシンであり、好ましくは前記遺伝子標的の選択が、Gpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galtl、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggtalの中からなされる、請求項36に記載の細胞。
  38. 対象におけるAB5毒素の中毒、好ましくはリシン中毒を治療する方法、または対象においてAB5毒素またはリシンに対する耐性を誘導する方法であって、
    表1または表2の遺伝子、好ましくはGprl07、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galtl、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggtalのうちの任意の1つを前記対象において抑制することを含み、好ましくは、その抑制は、阻害剤の投与、特に表1または表2の遺伝子、好ましくはGprl07、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galtl、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggtalいずれかの遺伝子産物のうちの任意の1つに特異的な抗体の投与、または阻害性核酸、特にsiRNAまたはshRNAを含むかコードしている阻害性核酸、特に好ましくは細胞内で前記遺伝子のmRNAを少なくとも20％、特に少なくとも50％減少させる阻害性核酸の投与によってなされる、方法。
  39. AB5毒素、特にリシンに対する耐性が増大した改変細胞であって、表1または表2の遺伝子、好ましくはGpr107、Fut9、Tcf711、Slc35cl、Fgfr2、Galnt2、Mid1、B4galt1、B4galnt3、Plcd3、Ror2、Samd4b、Gcnt2、Ggta1、またはこれらの組み合わせのうちの任意の1つの発現が、前記毒素に対する耐性の増大がない非改変細胞と比べて低下している改変細胞。
  40. AB5毒素の中毒、好ましくはリシンまたはシュードモナス外毒素Aの中毒を治療する方法であって、フコシル化阻害剤、好ましくは小分子フコシル化阻害剤を投与する操作を含んでいて、特に好ましくは前記阻害剤がFut9および／またはSlc35clを抑制する、方法。
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