JP2016535601A - 拡張性のある骨格筋系譜形成及び培養の方法 - Google Patents

拡張性のある骨格筋系譜形成及び培養の方法 Download PDF

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Abstract

本開示は、家畜自律型(livestock-autonomous)食肉生産など、培養肉生産を増進する方法に関する。特定の態様において、該食肉は、ヒト、コンパニオンアニマル、死体が食用に使用される飼いならされた、若しくはつながれた動物、サービス動物、保護動物種、実験目的で用いられる動物、又は細胞培養物により食用品又は栄養成分として使用することを意図した任意の後生動物組織又は細胞由来食用製品である。【選択図】図3

Description

関連出願の相互参照
本願は、全体として参照により本明細書に取り込まれる、2013年10月30日出願の米国特許仮出願第61/962,068号の利益を主張するものである。
配列表の組込み
本願と共に提出されたASCIIテキストファイル(ファイル名:52553_136621_ST25.txt;サイズ:2,962バイト;及び作成日:2014年10月30日)内の電子出願による配列表の内容は、全体として参照により本明細書に取り込まれる。
連邦政府後援による研究及び開発に関する記述
本発明は、米国政府の支援により、米国国立衛生研究所により授与された認可番号R01HD069979/00032722の下でなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
本開示は、家畜自律型(livestock-autonomous)食肉生産など、培養肉生産を増進する方法に関する。
「培養肉」(例えば、インビトロ細胞培養、組織工学、及び食品製造技法による動物自律型食肉生産)という概念的有望性には、生産効率の上昇、環境への影響の低減、料理への応用の拡大、栄養価の向上、虐待を行わない生産、及び従来式で生産された肉と比較して改善された食品安全性がある。しかし今日まで、拡張性があり経済的に耐えうる生産を支援するほど十分には、技術が進展していない。原型組織の現行の実験室規模での培養は、動物組織及び血清などの主要な動物成分を用いており、それにより動物自律型食肉生産の利点を大きく損なってきた。こうして、現在の方法は、培養肉生産による動物依存性を十分に解除して、「培養肉」の概念有望性を理解し、商業的に有利な製品を提供することができなかった。
そのため、食物栄養素及び他の適用のためにインビトロで自己複製供給源から拡張性のある食肉培養を行うための新規で改善された方法を提供する必要がある。
例示的実施形態は、骨格筋として分化する能力を有する細胞株を利用する骨格筋培養のための拡張性のある基盤を提供する。特定の態様において、該細胞株は、畜牛、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ラクダ、スイギュウ、ウサギなどの家畜のものである。特定の態様において、該細胞株は、ニワトリ、シチメンチョウ、アヒル、ガン、ハトなどの家禽のものである。特定の態様において、該細胞株は、野生のシカ、キジ類の鳥、水鳥、ノウサギなど、一般的な狩猟動物種のものである。特定の態様において、該細胞株は、特定の魚、甲殻類、軟体類、頭足綱、クジラ目、ワニ類、カメ、カエルなど、野生の漁場若しくは水産養殖から、又は娯楽のために商業的に回収される水生又は半水生種のものである。特定の態様において、該細胞株は、外国産、保護種、又は絶滅種の動物のものである。特定の態様において、該細胞株は、骨格筋組織形成(skeletal muscle tissue specification)のための能力を示す任意の後生動物種のものである。特定の態様において、該細胞株は、ヒト、霊長類、ラット及びマウスなどのげっ歯類、並びにイヌ、ネコ、ウマなどのコンパニオンアニマルなど、研究又は治療目的のものである。特定の具体的態様において、任意の生物体から得られた細胞株が、自己複製幹細胞株である。特定の態様において、選択された細胞株は、「遺伝子スイッチ」により修飾されて、培養肉生産のために細胞から骨格筋への急速かつ効率的な変換を誘導する。例示的実施形態において、先の、又は他の態様は、選択された自己複製細胞株を筋原性転写因子により修飾して筋原性転写因子修飾細胞株を生成すること、及びそのような修飾細胞株を外因性調節により誘導して、別の自己複製又は分化工程に向けること、を含む方法により遂行され得る。
特定の態様において、該自己複製細胞株は、胚性幹細胞、人工多能性幹細胞、体細胞株、又は筋電位を有する胚体外細胞株からなる群から選択される。特定の態様において、該細胞株は、食物消費を目的とする種に由来する。筋原性転写因子の例示的で非限定的な実施例としては、単独又は組合わせでの、MYOD1、MYOG、MYF5、MYF6、PAX3、PAX7、それらのパラログ、オーソログ、遺伝子変異体、又は本明細書にさらに記載された筋原性転写因子の各プロモータ認識DNA配列の転写活性化アゴニストが挙げられる。
特定の具体的態様において、誘導性MyoD転写因子が、分化系譜形成物(differentiation lineage specifier)として用いられ得る。特定の具体的態様において、ブタから誘導された多能性細胞株O2Kが、自己複製細胞株として使用され得る。1つの具体的態様において、該方法は、O2K幹細胞株を誘導性MyoD転写因子で修飾して筋原性転写因子修飾O2KM細胞株を生成すること、及びそのようなO2KM細胞株を外因性調節により誘導して自己複製又は分化工程に向けること、を含む。前述の修飾ステップは、該細胞株を染色体挿入ベクターで修飾してMYOD1転写因子と、構成活性化プロモータ領域からのESR1リガンド結合ドメインとの誘導性融合物を構成的に発現すること、をさらに含み得る。例えば、翻訳された誘導転写物質(例えば、MyoDER)の誘導性活性は、ESR1アゴニスト(例えば、17−βエストラジオール(E2))の存在下で条件付きで活性化され得る。
特定の態様において、誘導ステップは、ダブルスイッチメカニズムにより調節された自己複製サブステップ及び分化サブステップをさらに含み得る。自己複製サブステップにおいて、修飾細胞株の未分化基底状態が、ドキシサイクリン(DOX)の存在などにより保持され、それにより該細胞株が、多能性導入遺伝子POU5F1及びKLF4の誘導性発現により幹細胞自己複製状態で維持される。未分化サブステップにおいて、修飾細胞株は、DOXの非存在下でE2などで処理されるが、該細胞株は、誘導性MyoD転写因子により骨格筋細胞、即ち筋原性系譜に効率的に形成されて、紡錘状形態を有する特徴的な細長い細胞を生じる。低マイトジェン性の培地でさらに培養すると、誘導された筋細胞が骨格筋線維の前駆体である多核の筋管に融合し得る。低マイトジェン性の培地での長期培養に続いて、MYOG、DES、MYHCの高発現;融合;及び収縮能を有する筋原線維の発達により示される多核の筋管が、最終分化が可能な骨格筋線維に成熟する。分化サブステップは、古典的WNTシグナル伝達経路を活性化させて細胞死を予防し、筋原性分化を容易にするために、培地に特定の試薬を添加すること、及び筋原性遺伝子発現を増加させるために、エピジェネティックモジュレータを培地に添加してクロマチン構造を改変すること、をさらに含み得る。
本開示の特定の態様は、無血清培地中での、内臓肉を含まない食肉製品を構成する主な組織系譜である骨格筋への非限定的な複製能力及び効率的変換のために、遺伝子的に強化された細胞を使用する。そのような方法は、拡張性のある組織工学的アプローチと併せれば、動物自律型培養肉生産のために非限定的量の動物組織の培養を可能にすることによって、食肉を生産して消費者に販売する方法に革命を起こすことができる。企図されるさらなる適用としては、薬物スクリーニングのためのインビボ異種移植の利用及びインビトロモデル、発達生理学、並びに発達生物学のためのインビボ異種移植使用及びインビトロモデルが挙げられる。
本開示のさらなる特色及び利点、並びに本開示の様々な実施形態の構造及び操作を、任意の添付図面を参照しながら以下により詳細に記載する。
図1は、MyoDERのDNA配列を示す。 図2は、未分化細胞株の増殖、又は骨格筋系譜形成のためのダブルスイッチ調節メカニズムを含む方法の略図である。 図3は、DOX又はE2により調節された筋原性修飾O2KM細胞株に適用されたダブルスイッチメカニズムを示す略図である。 図4Aは、選択可能なMyoDER導入遺伝子発現カセットの略図である。矢印及び四角は、それぞれプロモータ及び遺伝子配列を示す。 図4Bは、抗MYOD1抗体によりブラスチシジン(blastidicin)で選択されたO2K中でのMyoDER導入遺伝子発現のウェスタンブロット画像検出を示す。導入遺伝子発現カセットで修飾されたO2Kは、O2KMと呼称する。TUBA(α−チューブリン)は、内部負荷対照として検出されている。 図5は、親O2K細胞株として自己複製条件で安定していてコンパクトなコロニー形態を呈したO2KM細胞を示す画像である。 図6は、ポリ−Dリシン+ラミニン+マトリゲルコーティングディッシュ+/−フェノール不含自己複製培地(SRM)用0.25μM 5−アザシチジン(5AC)で5%Oの下、3日間培養し、その後、3μM CHIR99021補充のフェノールレッド不含筋原性誘導培地(MIM)中で、17−βエストラジオール(E2)を用いて、又は用いずに、20%O下で2日間、MyoDER融合タンパク質が誘導されたO2KMを示す画像のパネルである。C.E2誘導2日目のO2KMの位相コントラスト画像。 図7は、示された2日間E2誘導レジメンに続いて回収された分化O2KM細胞溶解物中のMYOD1(MyoD)、MYF5(Myf5)、及びMYOG(ミオゲニン)のウェスタンブロット分析を示す。MyoDER移動:約75kD。予測された内在性MYOD1移動:45〜50kD。 図8は、2日間の10μM E2誘導タイムコース前及び後の5AC暴露O2KM培養物中の筋細胞表面マーカNCAM(アレクサ568)及び核(DAPI)の免疫蛍光検出画像を示す。 図9は、i.SRM中、5%O下のポリ−Dリシン+ゼラチン+ラミニンで培養された基底状態未分化O2Kコロニーと、ii.〜Vi.パネルi.に示された基底状態から、ii.0μM、iii.1μM、iv.3μM、v.6μM、又はvi.9μMのCHIR99021を補充された20%O下の分化培地(DM)中で2日間分化した接着コロニーと、の位相差画像のパネルを示す。接着コロニーには、6μM(vii.)又は9μM(viii.)のCHIR99021に暴露された培養物中には胚様体として多く存在するものはなかった。 図10は、分化の際の接着O2K細胞集団の変化を示した棒グラフを示す。パーセント値は、基底状態から分化する前に計数された接着細胞(図9のパネルi.に示す)に対する、示された濃度のCHIR99021の存在下で2日後の培養物中で計数された接着細胞(図9のパネルii.〜vi.に示す)の比率を表す。各計数での培養条件でn=3。 図11は、アネキシンV標識細胞のフローサイトメトリー分析の棒グラフを示す。未分化O2Kコロニーを、分析前1日間、0、1、3又は6μM CHIR99021の存在下の分化培地中、20%O下で培養した。 図12は、示された濃度のCHIR99021の存在下、基底状態(図9に示された)から分化された培養物中のGSK3β基質セリン33、37及びトレオニン41での相対的CTNNB1(β−カテニン)レベル及びリン酸化(p−CTNNB1)のウェスタンブロット分析を示す。培養物を50nM カリクリンA及び30μM MG−132に3時間暴露した後、回収して、拮抗分析のためにp−CTNNB1の検出可能なレベルを安定化させた。 図13Aは、図12に示されたp−CTNNB1/CTNNB1のバンドの濃度比を示したグラフを示す。 図13Bは、図12に示されたCTNNB1/TUBAのバンドの濃度比を示したグラフを示す。 図14は、分化マーカの経時変化によるウェスタンブロット分析を示した画像を示す。CHIR99021の存在下で基底状態から分化されたO2K培養物中の多能性マーカPOU5F1及びKLF4、並びに前筋原性(pre-myogenic)沿軸中胚葉マーカPAX3の発現レベル。 図15は、5−アザシチジン(5AC)の非存在下(左パネル)又は存在下(右パネル)で分化されたO2KM筋細胞の最終分化の画像を示す。左パネル(+5AC)の細長い多核化した筋管と対照的な左パネル(−5AC)の平坦な形態の筋細胞誘導体に留意されたい。 図16は、図9のパネルi〜iiと同様に、培養物の24時間移行の前及び後のアポトーシス細胞のアネキシンV標識を示す。 図17Aは、分化環境への移行(12〜48時間)の前(0時間)及び後(12〜48時間)の基底状態コロニーの全長CPP32(約32kDのプロカスパーゼ3a)及び大きな切断断片(約17kDの切断されたカスパーゼ3a)のウェスタンブロット検出を示す。 図17Bは、示されたCHIR99021レベルの存在下、分化環境へ42時間移行させた後のコロニー中の全長CPP32及び切断断片のウェスタンブロット検出を示す。 図18は、2日間、6μM CHIR99021含有分化環境に置き、そしてさらに1日間(3日目、左パネル)又は3日間(5日目、右パネル)のポリ−Dリシン+ラミニン+マトリゲルコーティング基質へ移し替えた後に形成された胚様体のアウトグロース形態を示す。 図19Aは、KOSRを含有する分化環境において、3i、DOX、hLIF及びE2の非存在下で培養された非修飾piPSCの溶解物のウェスタンブロットを示す。 図19Bは、DOX、LIF及び3iの存在下で培養されたMyoDER修飾piPSCの溶解物のウェスタンブロットを示す。MYODER修飾piPSCを、自己複製又は増殖環境で3日間培養した。 図20Aは、O2KM増殖及び誘導レジメンと、その後の最終分化レジメンの略図である。 図20Bは、筋管形態及び立体構造を示す。誘導後に(2日目)、piPSCは、増殖及び誘導レジメンの間に5ACに暴露された場合には細長い異方性の屈折した筋管として発達した。 図20Cは、6日目までのミオシン重鎖の均一な発現を示す。 図20Dは、筋管の多核化を示す。左パネル:4日目の最終分化培養物の拡大画像。つながった矢印は、1つの筋管内の複数の核を示す。右パネル:ヨウ化プロピジウム標識及びフローサイトメトリー分析による筋管の倍数性による筋核分布。n=3で標準偏差と共に示した。 図20Eのウェスタンブロットは、8日経過の間のデスミン(DES)及びミオゲニン(MYOG)の発現増加を示す。 図20Fは、最終分化と一致した細胞周期停止を示す。 図20Gは、6日目の筋管の透過電子顕微鏡測定を示す。筋節構造単位が、一列(左パネル)、及び千鳥状の並行の列(右パネル)に並んでいた。 図21Aは、非同期の単一細胞のトランジェント周期(左、中及び右パネル)が自発的に収縮した6日目の筋管亜集団において観察されたことを示す。 図21Bは、6日目の筋管内での1.0Hzフィールド刺激によるカルシウムトランジェント周期のFOV活性化及び同期化を示す。 図21Cは、10mMカフェインによる6日目の筋管のFOVカルシウムトランジェント活性化を示す。 図21D:100mMアセチルコリンによる7日目の筋管内のカルシウムトランジェント活性化の単一細胞分析。
記述的裏づけを与えることを必要とする限りにおいて、添付の特許請求の範囲の題目及び/又は本文は、全体として参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載及び請求された例示的実施形態が、本明細書に具体的に開示された、又は開示されていない任意の引用された特色、要素又はステップの非存在下で適宜、実践され得ることは、この記述された説明の読者全てに理解されるであろう。
本開示を通して、用語「a」又は「an」の付く物体は、その物体の1つ又は複数を指し、例えば「a polyncleotide」は、1つ又は複数のポリヌクレオチドを表すと理解する。そのため用語「a」(又は「an」)、「1つ又は複数」及び「少なくとも1つ」は、本明細書では互換的に用いられ得る。
さらに、本明細書で用いられる「及び/又は」は、2つの特定の特色又は成分のそれぞれの、その他を含む、又は含まない具体的開示ととらえられなければならない。したがって、本明細書において「A及び/又はB」などの語句で用いられる用語「及び/又は」は、「A及びB」、「A又はB」、「A(単独)」及び「B(単独)」を含むものとする。同様に「A、B、及び/又はC」などの語句で用いられる用語「及び/又は」は、以下の態様のそれぞれを包含するものとする:A、B及びC;A、B、又はC;A又はC;A又はB;B又はC;A及びC;A及びB;B及びC;A(単独);B(単独);並びにC(単独)。
態様が言語「含んでいる」と共に本明細書に記載されている場合はいつでも、「からなる」及び/又は「本質的に・・・からなる」に関して記載された他の類似の態様も提供される。
他に定義されなければ、本明細書で用いられる全ての技術的及び科学的用語が、本開示を対象とする当業者に共通して理解されるものと同じ意味を有する。例えば、the Concise Dictionary of Biomedicine and Molecular Biology, Juo, Pei-Show, 2nd ed., 2002, CRC Press; The Dictionary of Cell and Molecular Biology, 3rd ed., 1999, Academic Press;及びthe Oxford Dictionary Of Biochemistry And Molecular Biology, Revised, 2000, Oxford University Pressは、当業者に、本開示で用いられる用語の多くの一般的な辞典を提供する。
単位、接頭辞、及び記号は、Systeme International de Unites(SI)の許容された形態で表されている。数値範囲は、範囲を画定する数を含む。他に断りがなければ、核酸配列は、5’から3’まで記載されており、アミノ酸配列は、アミノからカルボキシ方向に左から右に記載されている。本明細書に提供された項目は、本明細書を全体として参照することによって得ることができる本開示の様々な態様の限定ではない。
本明細書に記載された方法は全て、本明細書に他に断りがなければ、任意の適切な順序で実施され得る。
本明細書内の言語又は用語法はいずれも、任意の請求された要素を本質的又は重大なものとして示していると解釈されるべきではない。
本明細書の値範囲の引用は、単にその範囲内の各別々の値を個別に参照する簡略な方法となり、各別々の値は、本明細書で個別に引用されるかのごとく、本明細書に取り込まれるものとする。値の具体的範囲が提供されている場合、間にある各値が本明細書に含まれ、より小さな下位範囲もまた含まれることを理解する。
本明細書において、インビトロでの細胞供給源から、遺伝子操作された組織又は他の食用製品などの食肉を培養するために、機能的骨格筋を生成する新規で改善された方法が提供される。そのような方法は、例えば家畜自律型食肉生産に企図され、その食肉は、ヒト、コンパニオンアニマル、死体が食用に使用される飼いならされた、若しくはつながれた動物、サービス動物、保護動物種、実験目的で用いられる動物、又は細胞培養物により食用品又は栄養成分として使用することを意図した任意の後生動物組織又は細胞由来食用製品である。
同じく、本明細書に開示された様々な態様のいずれかにおいて作製されるインビトロ生産された動物組織、例えば筋組織が提供される。特定の態様において、細胞供給源は、幹細胞供給源、例えば自己複製幹細胞株である。該方法の特定の態様は、意図する種由来の筋原性で誘導性の導入遺伝子修飾自己複製細胞株を使用する。特定の態様において、意図する種は、家畜及び家禽種をはじめとする任意の食用種であり得る。特定の態様において、意図する種は、畜牛、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ラクダ、スイギュウ、ウサギなどの家畜種である。特定の態様において、意図する種は、ニワトリ、シチメンチョウ、アヒル、ガン、ハトなどの家禽種である。特定の態様において、意図する種は、野生のシカ、キジ類の鳥、水鳥、ノウサギなど、一般的な狩猟動物種である。特定の態様において、意図する種は、特定の魚、甲殻類、軟体類、頭足綱、クジラ目、ワニ類、カメ、カエルなど、野生の漁場若しくは水産養殖から、又は娯楽のために商業的に回収される水生又は半水生種である。特定の態様において、意図する種は、外国産、保護種、又は絶滅動物種である。特定の態様において、意図する種は、骨格筋組織特定のための能力を示す任意の後生動物種である。特定の態様において、意図する種は、ヒト、霊長類、ラット及びマウスなどのげっ歯類、並びにイヌ、ネコ、ウマなどのコンパニオンアニマルなど、研究又は治療目的のものである。
特定の態様において、細胞株は、細胞株を自己複製工程に維持する、又は筋原性分化に方向づける、のいずれかのために、ダブルスイッチメカニズムにより調節される。
本明細書に開示された態様の親/宿主細胞株は、不死化(自己複製)していて、分化、リプログラミング、形成、さもなければ骨格筋系譜への変換を行う能力を有する、例えば筋原性変換に向ける1種又は複数の成分を含むレジメンに従う、という特性を有する。幹細胞の3つの分類:(1)系譜が限定された初代成体前駆幹細胞単離、(2)系譜が限定された不死化細胞株、及び(3)多能性幹細胞株は、拡張性のある培養のための細胞供給源として使用され得る。これらのアプローチのそれぞれが、培養された食肉製品の細胞供給源として働く上で利点及び欠点を有することが決定された。
系譜が限定された初代成体前駆幹細胞単離。これらは、骨格筋などの食肉製品を構成する、系譜の定まった成体前駆体細胞を包含する。骨格筋前駆体細胞としては、衛星細胞、筋芽細胞及び筋細胞が挙げられるが、これらに限定されない。それらの利点としては:i)初代成体前駆細胞が、特異的系譜に限定され、所望の系譜へのインビトロ形成をほとんど又は全く必要としないこと、及びii)初代成体前駆細胞が、系譜形成のために遺伝子修飾を必要としないこと、が挙げられる。それらの欠点としては、i)それらが屠殺されたばかりの動物死体から回収されるか、又は観血的生検から獲得されなければならないこと、が挙げられる。どちらの方法も、家畜に依存し、家畜が工程で用いられる限り、家畜の自律型生産の利益を損ない、ii)初代細胞単離は、高度に非効率的な工程である。所望の細胞は、供給源の組織の画分を含む。所望の細胞の部分的画分が、単離工程に残留する。所望の細胞系譜は、残留する細胞の混合集団から単離されなければならず、更なる精製及び増殖ステップを必要とし;iii)初代成体前駆細胞は、細胞が増殖能力を喪失する前に限定された回数だけ分裂させることが可能な「ヘイフリック限界」を受ける。その上、初代成体前駆細胞は、継代の数と一致するように最終分化する能力を喪失する。したがってさらなる細胞を初代細胞単離物から獲得し、それにより1回の単離からの培養拡張性を限定しなければならず、iv)骨格筋などの培養された食肉製品に適用可能な組織系譜の初代細胞培養物が、付着依存性であり、つまり培養物の体積拡張性を限定する方法である。浮遊培養では、これらの細胞は、アノイキスにより細胞死を受け易い場合がある。
系譜が限定された不死化細胞株。これらは、最終分化又は系譜限定の能力を保持しながら、無期限に自己複製するように遺伝子改変された、系譜の定まった初代細胞である。それらの利点としては、i)「永久に自己複製し」(即ち、「ヘイフリック限界」を受けず)、拡張性及び家畜自律型の培養のために無期限に増殖することができること;ii)特定の系譜に限定せず、更なるインビトロ形成をほとんど、又は全く必要としないこと、が挙げられる。それらの欠点としては、i)培養食肉製品(例えば、骨格筋)に適用可能な系譜に沿って分化する能力を有する特定の種から得られた不死化系譜限定細胞株が、発達を必要とし得ること;ii)系譜が定まった細胞株の培養が付着依存性であり、拡張性を限定すること、が挙げられる。浮遊培養において、系譜が定まった細胞株は、アノイキスにより細胞死を受け易く場合があり、iii)「不死化」させる細胞形質転換(複数可)は、遺伝子修飾を必要とする。最終分化の能力を妨害することなく、適用可能な初代細胞集団を不死化するのに必要な遺伝子修飾が、十分に特徴づけられていない。
多能性幹細胞株:多能性幹細胞株は、未分化状態で自己複製する能力を維持するか、或いは任意の組織系譜に分化する、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(iPSC)を含む。それらの利点としては、i)一般に多能性幹細胞株が、初代又は不死化系譜限定細胞株よりも高速で増殖し、生産工程におけるバイオマス増殖に必要な時間が低減すること;ii)多能性幹細胞を浮遊培養において胚様体として培養し、それにより培養容量単位あたりの培養拡張性を増大し得ること、が挙げられる。その上、胚様体は、マイクロモールド及びバイオプリンティング組織アセンブリ法と適合性のある「バイオインク」として培養することができ、iii)不死化系譜限定細胞株と同様に、多能性幹細胞が、「ヘイフリック限界」を受けず、拡張性のある家畜自律型培養のために無期限に増殖し得る。それらの欠点は、i)特定の種に由来する真正の胚性幹細胞株が、発達を必要とし得ること;ii)iPSCのリプログラミング及び自己複製のための方法が、導入遺伝子依存性であり得ること、が挙げられる。こうしてiPSC多能性は、未分化状態の誘導及び自己複製に遺伝子修飾を必要とし得る。効率的iPSC分化は、所望の系譜形成に不利な転写ネットワーク活性化との競合を回避するために、分化状態と互いに排他的な未分化状態のリプログラミング及び維持に用いられる導入遺伝子をサイレンシングするためのメカニズムを必要とし、iii)系譜限定初代成体前駆幹細胞及び不死化細胞株に比較して、多能性幹細胞は一般に、所望の系譜形成を発展及び強化するさらなる系譜形成ステップを必要とする。
先に提供された3つの幹細胞分類に加えて、他の親/宿主細胞株もまた、本明細書で企図される。例えば、過去に奇形腫アッセイにより筋電位が確定されている人工栄養膜細胞株(胚型以外の非多能性で非体細胞性の不死化細胞を表す)も、筋原性変換に適し得る。例えば、一部が多能性にリプログラミングされた体細胞株は、筋電位を有し得るが、3つの胚性生殖細胞層を表す奇形腫を形成することができない。例えば存在が論争の的になっているSTAP細胞株(刺激惹起性多能性獲得)は、筋肉生成(myo−potent)及び自己複製が可能である。
O2K細胞株。O2K細胞株は、ブタ着床前胚の内部細胞塊から樹立された人工多能性幹細胞株である。O2K細胞株を研究して、O2Kの自己複製状態が「Tet−On」誘導システムを用いたドキシサイクリン(即ち、DOX)によるPOU5F1及びKLF4誘導遺伝子の転写活性化により維持され得ることが、発見された。
MYOD1転写因子。MYOD1(即ち、MyoD)は、骨格筋系譜形成の最も有力な調節因子である。図1に示された(SEQ ID NO:1)、ネズミMYOD1遺伝子と、ヒトエストロゲン受容体αのリガンド結合ドメインをコードする配列との遺伝子融合物からなるMyoDER構築物が、過去に記載された。図1において、MyoDERは、NarI制限エンドヌクレアーゼ消化部位でのネズミMYODI遺伝子と、ESR1(即ち、ヒトエストロゲン受容体α)ヌクレオチド844−1781のリガンド結合ドメインコード配列との遺伝子誘導体からなる。特定されていない配列及びCla 1リンカー配列もまた、存在する。MyoDER融合構築物の筋原性形成活性は、エストロゲン受容体αリガンドである17β−エストラジオール(即ち、E2)の添加により翻訳後に誘導される。17−βエストラジオールの非存在下では、MyoDERは、依然として不活性状態である。MyoDER構築物は、本明細書において「誘導性MyoD」と称される。
ここで図2を参照すると、一態様は、細胞ストック増殖、即ち、拡張性のある培養を継続するために細胞ストックの保持に必要な自己複製条件での細胞株の増殖である。別の態様は、系譜形成/分化、即ち、更なる組織培養工程のために筋原性系譜分化を誘導することである。したがって、特定の態様は、2つの主なステップ:i)選択された自己複製細胞株を筋原性転写因子で修飾して、筋原性転写因子修飾細胞株を生成するステップ、及びii)外因性調節によりそのような修飾細胞株を誘導して、自己複製工程に維持するか、又は分化工程に進めるステップ、を含むように要約され得る。本明細書で用いられる、筋原性転写因子で細胞株を「修飾すること」は、修飾された細胞株が筋原性転写因子を発現するように、筋原性転写因子を動作可能にコードする(トランスフェクション、形質導入、形質転換などによる)核酸ベクター又は構築物を、細胞株に挿入することを指す。特定の態様において、挿入された筋原性転写因子は、誘導性のある筋原性転写因子により細胞修飾された細胞株を生成するように誘導性発現される。本明細書で用いられる「誘導性に」、「誘導性」などは、筋原性転写因子などの遺伝子産物の活性を外因的に調節するために用いられ得る任意の遺伝子工学的アプローチを指す。誘導性アプローチとしては、リガンド誘導性転写因子技術(例えば、tet−on、tet−off、ReoSwitch)、部位特異性組換え技術(例えば、Cre−LoxP、flp−FRT)、トランスポゾン技術(例えば、スリーピングビューティー、ピギーバック)、リガンド結合受容体融合技術(例えば、エストロゲン、プロゲステロン、アンドロゲン、甲状腺ホルモン、グルココルチコイドホルモン、タモキシフェンリガンドアゴニスト)、及び筋原性転写因子遺伝子を担う染色体外発現ベクターの一過性トランスフェクションが挙げられるが、これらに限定されない。特定の態様において、核酸構築物又はベクターは、染色体により修飾された細胞株内に取り込まれる。自己複製細胞株の代表的例としては、胚性幹細胞、人工多能性幹細胞、及び不死化系譜限定細胞株からなる群から選択されるものが挙げられる。特定の態様において、そのような自己複製細胞株は、食物消費、又は研究、又は治療目的を意図した種に由来する。筋原性転写因子の代表的例としては、単独又は組合わせでの、MYOD1、MYOG、MYF5、MYF6、PAX3、PAX7、それらのパラログ、オーソログ、遺伝子変異体,又は本明細書に開示された筋原性転写因子の各プロモータ認識DNA配列の転写活性化アゴニストが挙げられる。
ここで、DOX又はE2により調節された筋原性修飾O2KM細胞株のダブルスイッチメカニズムの例示的略図を含む図3を参照する。図3に示された通り、O2KM幹細胞の自己複製工程の間に、多能性導入遺伝子POU5F1及びKLF4の発現が、自己複製培地(SRM)中のDOXの存在下で誘導されるが、DOXが非存在の場合には、そのような発現は抑制される。同様に、O2KM筋原性分化工程の間、筋原性分化は、筋原性誘導培地(MIM)中のE2の存在下で誘導性MyoD導入遺伝子により活性化されるが、E2が非存在の場合には、そのような方向づけられた分化は不活性である。
特定の態様は、細胞死を予防してクロマチンのエピジェネティック状態を調節するためにMIM中にE2以外のさらなる試薬を含む分化/形成方法を提供する。例えばグリコーゲンシンターゼキナーゼ3β(Glyogen Synthase Kinase-3β)(GSK3β)阻害剤を、SRM及びMIMに添加して、古典的WNTシグナル伝達経路を活性化し、その一方で筋原性分化を促進して、DOX除去時の細胞死を減少させることができる。理論により限定されるわけではないが、特定の態様において、エピジェネティックモジュレータが、筋原性転写因子によりクロマチン活性化を改変し、及び/又はMYF5などの筋原性転写因子の発現を増強する。
GSK3β阻害が、小分子によるターゲティングを含むことを理解する。遺伝子編集もまた、WNTシグナル伝達活性化による骨格筋形成を増強するための有望なアプローチである。例えばGSK3βは、配列特異性挿入又は欠失技術(即ち、ジンクフィンガーヌクレアーゼ、TALEN、CRISPR)のいずれかでGSK3β対立遺伝子を変異させることにより、宿主/親細胞株中で阻害され得る。内因性プロモータ領域の変異を利用して、GSK3βの発現を抑制することができる。或いは、GSK3βのオープンリーディングフレームを、GSK3β活性を無効にしたのと同じ方法を利用して欠失又は変異させてもよい。同様に、GSK3βの下流のリン酸化ターゲットであるβ−カテニン(CTNNB1)を、GSK3βによりリン酸化された残基をコードするコドンで変異させ、それによりGSK3βによるCTNNB1のリン酸化を予防して、構成的に活性で安定化したCTNNB1を得てもよい。そのような「遺伝子編集」方法は、更なる化学物質が該工程の間のGSK3β阻害に必要とならないため、小分子ターゲティングによりGSK3β阻害のコストを削減し、食肉製品の安全性プロファイルを潜在的に改善するであろう。Wntシグナル伝達阻害の第三のアプローチが、GSK3βに対するアンチセンス核酸阻害物質、又はWNT経路に拮抗する他の因子の使用を含むことが、企図される。これらは、配列ターゲティングshRNA又はmiRNAを使用したRNA干渉方法を包含し得る。
特定の具体的態様は、例えばDOX除去時に、細胞生存を促進するGSK3β阻害剤の使用を提供する。GSK3β阻害剤の1つの例示的実施例は、CHIR99021である。更なる代表的GSK3β阻害剤としては、塩化リチウム、BIO、SB216763、CHIR−98014、TWS119、チデグルシブ、IM−12、1−アザケンパウロン(1-Azakenpullone)、AR−A014418、及びSB415286を挙げることができるが、これらに限定されない。理論に結びつけるわけではないが、DOXと同調して、未分化細胞の両方の自己複製が、GSK3β阻害を含むWNTシグナル伝達経路により維持されると考えられる。
理論に結びつけるわけでも、任意の具体的な代表例に限定されるわけでもないが、N−2及びB−27代替血清を補充された培地からDOX及びGSK3βの両方の阻害剤であるCHIR99021を一時的に除去すると、48時間以内に分化しているO2K親細胞株の大量の細胞死が沈殿することが観察された。CHIR99021の存在下でのDOXの除去は、分化しているO2Kを生存させた。GSK3β阻害剤の非存在下での分化しているO2K細胞による死滅、及びGSK3β阻害剤の存在下での相対する生存が、形態学、細胞接着アッセイ、切断したカスパーゼ−3の蓄積、及びアネキシンV標識により確認された。親O2K細胞株において、GSK3βの阻害は、古典的WNTシグナル伝達経路の下流の正のエフェクターであるリン酸化基質CTNNB1の安定化と活性化を調和的にもたらした。WNTシグナル伝達は、インビボ及びインビトロ両方で、未分化基底状態の多能性からの両方の中胚葉形成、非パターン化された中胚葉からの前筋原細胞の濃縮(pre-myogenic enrichment)、及び系譜の定まった筋原細胞の最終分化において、重大な役割を担う。それと一致して、DOXの非存在下、及びGSK3β阻害剤の存在下でのO2K株の長期培養が、PAX3の発現、並びにPOU5F1及びKLF4発現の同時喪失に示される通り、前筋原性沿軸中胚葉への分化を支援した。さらに、GSK3β阻害剤は、5ACと併用すると、分化しているO2Kにおいて筋原性転写因子MYF5の発現を増強した。その上、CHIR99021などのGSK3β阻害剤は、表1に示された通り、筋原性ネズミC2C12細胞株から多核化した筋管への最終分化を促進した。
表1は、5日の分化時間経過に先立ち、筋管形成のサイズ及び程度の評価により、ネズミC2C12筋芽細胞の最終分化に及ぼす細胞外マトリクスエフェクター(即ち、ゼラチン、ポリ−D−リシン、ラミニン、マトリゲル)及び可溶性因子(E2、CHIR99021)の影響を列挙している(培養物を、強い筋管形成を示す[****]から、検出不能の筋管形成を示す[−]までスコア付けした)。
特定の態様において、GSK3β阻害剤は、(1)DOX除去に続く細胞死を抑制する、(2)前筋原性状態への分化を支援する、(3)筋原性形成を促進する、及び(4)最終分化を促進する、という多機能により、分化の際に培地(DOXの非存在下)に保持されていれば、誘導性筋原性転写因子に方向づけられた系譜形成と、それに続いて得られた筋細胞による最終分化状態に適合性があると思われる。例えばCHIR99021は、次のE2による系譜形成及び最終分化工程の間、DOX除去後のO2KM培養物中に保持された。
しかし、前述のGSK3β阻害剤が抑制された培養レジメンは、O2KMによる細胞生存と、特有の筋細胞様紡錘状形態を有する分化細胞への筋原性系譜形成とを支援したが、得られた細胞は、屈折した細長い筋管に最終分化することができなかった。それゆえ、その他の方法では筋原性を許容しない細胞で筋原性遺伝子の発現を増加させ、系譜の定まった筋細胞から成熟した筋線維への最終分化を促進するために、エピジェネティックモジュレータを用いた。O2KMの最終分化を可能にするために、細胞を5−アザシチジン(5AC)の存在下で72時間培養した後、E2誘導の間の48時間はDOXを除去し、その後さらに6日間、最終分化させた。5ACの存在下で培養されたO2KM由来筋細胞において、MYF5の発現が増加され、細胞が屈折した筋原線維形態を呈したが、5ACの非存在下で得られた筋細胞は、少ないMYF5を発現し、成熟した筋原線維とは異なる平坦な形態を呈した。この差異は、DOX除去前及び48時間後の5AC暴露されたO2KMのみで観察された筋原性転写因子MYF5の発現増加により説明することができる。
これらの培養物の間の形態的差異は、活性トランスアクチベータとして公知の低分子量非リン酸化ミオゲニンアイソフォームの濃縮と共に、5AC暴露により増加されたMYF5発現により説明され得る。エピジェネティックな調節が、ヌクレオソーム結合ヒストンのDNAメチル化パターン及び翻訳後修飾を改変することにより、クロマチン構造の改変を伴い、転写因子結合及び標的転写活性化に影響を及ぼすと理解される。エピジェネティックな調節が、エピジェネティック経路を標的とする小分子アゴニスト若しくはアンタゴニスト、又はエピジェネティック機構を含む発現タンパク質を伴い得ると理解される。小分子エピジェネティックモジュレータの一例が、5−アザシチジン(5AC)である。小分子エピジェネティックモジュレータのさらなる代表的例としては、5−アザ−2’−デオキシシチジン、RG108、スクリプタイド、酪酸ナトリウム、トリコスタチンA、スベロイルアニリドヒドロキサム酸、MS−275、CI−994、BML−210、M344、MGCD0103、PXD101、LBH−589、ツバスタチンA、NSC3825、NCH−51、NSC−3852、HNHA、BML−281、CBHA、サレルミド、ピメリン酸ジフェニルアミド、ITF−2357、PCI−24781、APHA化合物8、ドロキシノスタット(Droxinostat)、及びSB−939が挙げられる。エピジェネティックモジュレータに関与するタンパク質の代表的例としては、ヒストンデアセチラーゼパラログ、ヒストンアセチルトランスフェラーゼパラログ、tet−メチシトシンジオキシゲナーゼパラログ(tet-methycytosine dioxygenase paralogs)、ヒストンデメチラーゼパラログ、ヒストンメチルトランスフェラーゼパラログ、及びDNAメチルトランスフェラーゼパラログ、ヒストン、並びにMi−2/NuRD(及びその成分、例えばメチル−CpG結合ドメインタンパク質3(MBD2))及びSWI/SNF(及びその成分、例えばBAF60及びBAF60C)をはじめとするクロマチンリモデリング複合体のサブユニットが挙げられる。さらに、タンパク質エピジェネティックモジュレータの各活性が、小分子因子によるターゲッティング、各外因性転写産物の過剰発現、アンチセンスRNAにターゲティングされた各転写産物の分解、RNAi、及び遺伝子座のターゲティングされた突然変異により影響を受け得ると理解される。
以下に開示される実施形態は、象徴に過ぎない。したがって以下の実施形態に開示される具体的構造、機能、及び手順の詳細は、限定として解釈されるべきではない。
方法
O2KM細胞株。O2KM細胞株は、親O2K細胞株から、MyoDERオープンリーティングフレーム配列(ORF)を含有するラスチジシン選択性導入遺伝子カセットのレンチウイルスでの挿入により得た。この実施例の節を参照すると、O2K細胞/細胞株とpiPSC細胞は、互換的に用いられている。図4Aに示されたレンチウイルスベクターを、PCR増幅されたMyoDER ORFを含有するpENTR/D−TOPOエントリーベクター(ライフ・テクノロジーズ #K2435−20)クローンから、attR1組換え部位とattR2組換え部位の間のpLentiCMVBlastデスティネーションベクター(アドジーン #17451)のCMVプロモータの下流のMyoDER ORF(アドジーン #13494)をクローニングすることにより調製した。レンチウイルス上清を調製するために、PolyJetトランスフェクション試薬(サイナゲン(Signagen) #SL100688)を用いて、293FT細胞を、調製されたpLentiCMVBlast[MyoDER]プラスミド、pMD2.Gエンベローププラスミド(アドジーン #12259)及びpsPAX2パッケージングプラスミド(アドジーン #12260)とコトランスフェクトした。O2Kに、293FT上清から濃縮されたシュードウイルスを形質導入した。形質導入されたO2Kを、フェノールレッド不含培地で培養して、10μg/mLブラスチシジンで4日間選択し、その後、15μg/mLブラスチシジンでさらに2日間選択した。選択された細胞は、O2KMと呼称した。O2KMストック中のMyoDERの発現を、ウェスタンブロットにより検証した(図4B)。
DOXの存在下でのO2KM幹細胞ストック増殖。O2KM幹細胞複製環境を、次の例外:DMEM/F−12及びニューロベーサル培地のフェノールレッド不含配合物をフェノールレッド含有配合物の代わりに使用して、MyoDER(即ち、活性化)への多面的拮抗作用を回避したこと、を含みながら、親O2K株と同様に導いた。O2KM細胞ストック自己複製培地(SRM)は、以下の成分からなった:フェノールレッド不含ニューロベーサル培地(ライフテクノロジーズ #12348−017)、フェノールレッド不含DMEM−F12(ライフテクノロジーズ #11039−021)、I×非必須アミノ酸(シグマ−アルドリッチ #M7145)、0.5×グルタマックス(ライフテクノロジーズ #35050061)、0.000007%β−メルカプトエタノール、0.5×N2サプリメント(ライフテクノロジーズ #17502048)、0.5×B27サプリメント−ビタミンA(ライフテクノロジーズ #12587010)、0.1mg/mLウシ血清アルブミン、2μg/mLドキシサイクリンヒクラート(即ち、DOX)、10ng/mLヒト白血病阻害因子(hLIF、ミリポア#LIF1050)、3μM−CHIR99021、0.8μM PD032591及び0.1μΜ PD173074。本明細書では以後、3種の阻害剤CHIR99021、PD032591及びPD173074は、集合的に「3i」と見なす。或いは15%KnockOut代替血清(KOSR:ライフテクノロジーズ #A15870)を、N−2及びB−27代替血清の代わりに用いた。O2KMは、フェノール不含SRM中のポリ−Dリシン及びネズミラミニンでコーティングされた培養皿での細胞コロニーの酵素分解及び細胞の継代により、5%O下で3日ごとに保持した。これらの自己複製条件において、O2KMは、図5に示された通り、親O2K株としてのコンパクトな幹細胞様形態を維持した。
CHIR99021による細胞死の阻害。自己複製hLIF、DOX、CHIR99021、PD032591及びPD173074、並びにKOSRを支援するSRM培地成分の非存在下での親O2K株の分化は、(1)図9のパネルi.〜ii.に示された位相差顕微鏡測定、(2)図17Aに示されたCPP32切断、及び(3)図16に示されたアネキシンV標識、により測定された通り、大量の細胞死をもたらした。しかし、hLIF、DOX、PD032591及びPD173074の非存在下のSRM基本培地で保持された場合の、CHIR99021を含む培地配合物は、(1)図9のパネルiii.〜viii.に示された位相差顕微鏡測定、(2)図10に示された細胞接着アッセイ、(3)図17Bに示されたCPP32切断阻害、及び(4)図11に示されたアネキシンV標識、により測定された通り、分化の際に両方の細胞の生存を支援した。その上、最初の分化の際のCHIR99021暴露は、胚系譜形成の際の中胚葉分化と、中胚葉前駆体の筋原性濃縮と、骨格筋細胞の最終分化と、を指揮することで知られる古典的WNTシグナル伝達経路のリン酸化制御された下流エフェクターである図12、13A及び13Bに示されたGSK3β基質:CTNNB1のリン酸化状態を安定化及び調節する。これらの知見と合致して、CHIR99021を補充された基本培地は、図14に示された通り分化しているO2Kの前筋原性沿軸中胚葉系譜形成を支援し、筋原性ネズミC2C12細胞株の低マイトジェン性の分化培養物(2%ウマ血清/DMEM)に含まれる場合に、表1に列挙される通り、骨格筋管への最終分化を促進した。CHIR99021は、細胞死を抑制し、分化しているO2K細胞株による沿軸中胚葉への分化を支援し、C2C12細胞株による最終分化を促進するため、全ての培養段階で該化合物を保持する慣例が確立された。こうして他に断りがなければ、3μM CHIR99021が、増殖、誘導及び最終分化のステップ(図20A)で培地中に保持された。
O2KM筋原性誘導。O2KM細胞を、ポリ−Dリシン、ネズミラミニン及びマトリゲルをコーティングした培養皿に、4.1×10細胞/cmの密度で播種し、自己複製培地中、5%O下で3日間培養した。分化を容易にするために、培養物を、PD032591、PD173074、DOX、hLIF及びβ−メルカプトエタノールの除去により設定された20%O基本分化環境に移し替えた。発現されたMyoDERタンパク質を条件的に誘導するために、10μM E2を培地に添加した。2日間の誘導培養に続く、E2に方向づけられた筋原性系譜形成が、(1)図6に示された、処置された培養物中の骨格筋細胞による紡錘様の形態学的特徴の取り入れ、(2)図7に示された、外因性のMYOG骨格筋転写因子の発現、及び(3)図8に示された、骨格筋細胞表面マーカNCAMの均一な発現、により確認された。
5ACの効果。E2により仲介された「MyoDER」誘導の前、誘導時、及び誘導の後の5AC暴露を導入して、筋細胞から屈折した糸状の筋管へO2KMを最終分化させた。ネズミC2C12細胞株を陽性対照として用いて、O2KMによる最終分化の最適条件についてスクリーニングした。これらの条件には、表1に列挙された通り、E2の非存在下でのマトリゲル細胞倍マトリクス及びCHIR99021補充が含まれた。しかし、E2を含まない分化培地中の、マトリゲルコーティング培養皿で継代されたO2KM由来の筋細胞(C2C12最終分化に最適と決定された条件)は、図15及び図20Bに示された通り、屈折した筋管を確定することができなかった。O2KM由来筋細胞での遺伝子発現プログラムは、確定された条件により最終分化させるのに十分ではなかった。小分子エピジェネティックモジュレータである5ACは、過去に、筋原性を許容できない細胞株で骨格筋転写を可能にすることが決定されている。その上、5AC暴露はさらに、C2C12細胞株による最終分化を促進することが決定されている。こうして図20Aに示された通り、250nM 5ACという未分化O2KMにより忍容される最大用量が、増殖性のあるO2KMの増殖及び誘導レジメンに含まれた。
最終分化。2日間のE2誘導に続いて、培養物をインサイチュで最終分化させるか、又は最終分化培地(TDM)の入ったマトリゲルコーティング培養皿に、最終分化のために1.56×10細胞/cmで継代させた。TDMは、以下の改変以外ではMIMと同じ成分から配合された:E2の除去、4μM A83−01及び100nM IGF−1の添加。専らN−2及びB−27サプリメントを、代替血清として用いた。培養物を、誘導レジメンに従って20%O下、最大6日間分化させた(図20A)。増殖及び誘導レジメンの間に5ACに暴露された培養物は、図20Bに示された通り、最終分化レジメンの際に屈折した異方性の筋管を形成した。図20Cは、6日目までミオシン重鎖の均一な発現を示し、図20Eは、8日の試験経過の間にデスミン(DES)及びミオゲニン(MYOG)の発現増加を示す。図20Dの左パネルに示された通り、筋管の倍数性が最終分化の際に観察された。倍数性による8日目の筋管内の筋核の相対的分布が、図20Dの右パネルに示されている。図20Fに示された通り、複製環境(3日目のコロニー)、増殖環境(0日目培養物、図20A)、及び最終分化環境(8日目培養物、図20A)でのS期核の相対的占有率から、最終分化後の細胞周期停止が示された。最終分化している骨格筋の筋管の収縮能が、(1)図20Gに示された整然とした筋節の構造発達;(2)図21Aに示された非同期性の自発収縮;(3)図21Bに示された収縮刺激、及びフィールド刺激による同期化、(4)図21Cに示されたカフェイン刺激による収縮、並びに(5)図21Dに示されたアセチルコリン刺激による収縮、により検証された。
結果
アポトーシス及び分化の軸はCHIR99021により調節される。図9は、(i.)自己複製環境における5%O下、並びに(ii.)DOX、LIF及び3iの非存在下、20%Oの下で48時間後の、培養された基底状態piPSCコロニーの位相差画像を示す。図16は、培養物の24時間移行前および後のアポトーシス細胞のアネキシンV標識を示す。図17Aは、分化環境移行(12〜48時間)の前(0時間目)及び後(12〜48時間目)の基底状態コロニーにおける全長CPP32(約32kDプロカスパーゼ3a)及び大きな切断画分(約17kD切断されたカスパーゼ3a)のウェスタンブロット検出を示す。図9は、示された通りCHIR99021を補充された分化環境での48時間培養後の接着培養物(iii、iv、vi、及びvi)及び非接着性胚様体培養物(vii及びviii)の位相差画像を示す。図10は、100%に標準化された、基底状態(即ち、0時間目)培養物に対する48時間の、示されたCHIR99021を補充された分化環境培養物の接着細胞の割合を示す。 胚様体として生存している非接着細胞。各培養条件についてn=3。図11は、示された通りCHIR99021を補充された分化環境へ培養物を24時間移行させた後のアポトーシス細胞のアネキシン標識を示す。図17Bは、示されたCHIR99021レベルの存在下で分化環境へ42時間移行させた後のコロニー内の全長CPP32及び切断画分のウェスタンブロット検出を示す。TUBAは、内部タンパク質負荷対照として検出されている。
CHIR99021はCTNNB1を安定化させ、基底状態からの分化を支援する。図12は、示されたCHIR99021の存在下で分化環境へ24時間移行させた後のCTNNB1及びp−CTNNB1(それぞれ総−及びホスホ−S33,37,T41 β−カテニン)のウェスタンブロット検出を示す。TUBAは、内部タンパク質負荷対照として検出されている。図13Aは、p−CTNNB1/CTNNB1のバンド比を示す。図13Bは、CTNNB1/TUBAのバンド比を示す。図13A及び13Bは、図12に示されたウェスタンブロットからの濃度測定を表す(n=3)。図18は、2日間6μM CHIR99021含有分化環境に置き、そしてさらに1日間(3日目、左パネル)又は3日間(5日目、右パネル)ポリ−Dリシン+ラミニン+マトリゲルコーティング基板に移し替えた後の胚様体のアウトグロース形態を示す。図14は、本明細書の他の箇所に記載された1つのレジメンの態様による、基底状態の環境(0日目)及び分化環境(1〜5日目)の培養物におけるPAX3、POU5F1及びKLF4発現のウェスタンブロット分析を示す。TUBA検出は、内部タンパク質負荷対照として示される。
5−アザシチジン及びMyoDERによる内因性MRFの活性化。組込まれたMyoDER発現カセットでのpiPSC修飾。図4Aは、ブラスチシジン(BLAST)選択性MyoDER発現カセットを示す。矢印及び四角は、それぞれプロモータ及び遺伝子配列を示す。図4Bは、非修飾(O2K)及びMyoDER発現カセット修飾(O2KM)piPSC株におけるMyoDERのウェスタンブロット検出を示す。MyoDERが、MyoDペプチドに対する抗体の増加と共に検出された。図7は、2日間のpiPSC誘導後のMyoDER(約75kD)、MYF5及びMYOGのウェスタンブロット検出を示す。内因性MYOD1(予測で約45kD)は、検出されなかった。O2KMをポリ−Dリシン+マトリゲル+ネズミラミニンでコーティングされた培養皿に播種して、5ACの存在下(即ち、増殖。図20A)又は非存下でhLIF、3i及びDOXと共に3日間培養し、その後、E2(即ち、17βエストラジオール)及び3μM CHIR99021を補充された−/+5AC分化環境に2日間それぞれ移行させた。二重の矢印:部分的に分解されたMYOGアイソフォーム。図19A及び19B。MYF5活性化の測定:ウェスタンブロット。図19A、ポリ−Dリシン+ラミニン+マトリゲルでの3日間の培養後に、非修飾piPSCを、示された通り5AC(図7と同様)及びCHIR99021を補充された分化環境において、3i、DOX、hLIF及びE2の非存在下で2日間培養した。CHIR99021の非存在下では、17kD切断アイソフォームは、KOSR補充分化細胞では、N−2及びB−27を補充された分化環境での観察とは対照的に観察されなかった(図17A、図19A)。5ACにより促進された内因性MYF5発現の活性は、図19Aに示された通り、同時のCHIR99021暴露に依存した。図19Bは、DOX、LIF及び3iの存在下でMYF5活性化を示した。MYODER修飾piPSCを、自己複製又は増殖環境で3日間培養した。DOX及びCHIR99021の存在下で、5AC暴露は、増殖培養の3日後に、図19Bに示された通り検出可能なMYF5発現レベルを支援した。反対にMYF5は、図19Bに示された通り、複製培養(−5AC)の3日後には検出されなかった。TUBAは、内部タンパク質負荷対照として検出する。図6は、本明細書の他の箇所に記載された系譜形成誘導培養レジメン(図20A)に続いて選択されたpiPSC培養物の形態を示す。図8は、5ACの存在下での10μM E2暴露前(0日目、左パネル)及び暴露後(2日目、右パネル)のpiPSC−MyoDER培養物の核(DAPI)及びNCAMの免疫細胞蛍光検出を示す。
系譜形成されたpiPSCの最終的な筋原性。最終分化の前に、図20Aに示された通り、培養物を5ACの存在下で3日間増殖させ、E2及び5ACの存在下で2日間誘導し、5AC及びE2の存在下で最終分化させた。図20Bは、筋管の形態及び立体構造を示す。誘導後(2日目)、piPSCは、細長い異方性の屈折した筋管として発達した。5ACが、増殖及び誘導ステップに含まれなかった場合、細胞は平坦な非屈折形態を呈した。図20C及び図20Eは、最終的筋原性のタンパク質発現を示す。0日目及び6日目の培養物を、ミオシン重鎖(MyHC)アイソフォームについて、pan−MyHCモノクローナル抗体のクローンMF20で染色した。図20Dは、筋管の多核化を示す。左パネル:4日目の最終分化培養物の拡大画像。つながった矢印は、1つの筋管内の複数の核を示す。右パネル:ヨウ化プロピジウム標識及びフローサイトメトリー分析による筋管倍数性の筋核分布。n=3で標準偏差と共に示す。図20Eは、ウェスタンブロット分析を示す。0日目〜8日目のMyoD(MYOD1)、ミオゲニン(MYOG)及びデスミン(DES)の発現。TUBAは、内部タンパク質負荷対照として検出されている。図20Fは、最終分化と一致した細胞周期停止を示す。3日目の修飾されたpiPSC複製増殖培養物及び8日目の最終分化培養物をEdUで標識し、S期画分をフローサイトメトリーで測定した。n=3で標準偏差と共に示す。図20G:6日目の筋管の透過電子顕微鏡測定。筋節構造単位が、一列(左パネル)、及び千鳥状の並行の列(右パネル)に並んでいた。
piPSC由来筋管における自発的及び刺激誘導でのカルシウムトランジェント活性。収縮周期を定量するために、筋管培養物をFluo−4 AMカルシウム色素で染色し、洗浄して、イメージシーケンスを共焦顕微鏡測定により得た。全体的視野(FOV)又は単一細胞の力学的シグナル伝達事象を追跡して、画像測定の経過時間に対してプロットした([s]=秒)。図21Aは、代表的な非同期の単一細胞のトランジェント周期(左、中及び右パネル)が、自発的に収縮した6日目の筋管亜集団で観察されたことを示す。図21Bは、6日目の筋管内での1.0Hzフィールド刺激によるカルシウムトランジェント周期のFOV活性化及び同期化を示す。図21Cは、10mMカフェインによる6日目の筋管のFOVカルシウムトランジェント活性化を示す。図21D:100nMアセチルコリンによる7日目の筋管内の代表的なカルシウムトランジェント活性化の単一細胞分析。
考察
要約すると、本開示に記載された例示的実施形態の特定の態様が、培養された食肉適用物について以下の予測されなかった利点の1つ以上を示すことが発見された:
(i)急速な細胞増殖速度;
(ii)急速な分化:インビトロで、17β−エストラジオールによるMyoDER活性化及びドキシサイクリン除去の48時間後という短時間で、O2KM細胞株が筋原性系譜に分化する。長過ぎる分化手順を必要としない;
(iii)効率的な分化:CHIR99021/5AC/MyoDERに方向づけられた系譜形成が、機能的骨格筋細胞への大規模で忠実性の高い変換を確実にする。細胞選別を必要としない;
(iv)無期限の自己複製:未分化O2KMの自己複製が厳密に施行され、自己複製環境で支援される;
(v)無血清培地中での自己複製及び最終分化:O2KM株の自己複製及び最終筋原性分化が、両者とも無血清培地で検証された;
(vi)胚様体としての浮遊培養系との適合性:多能性状態では、親O2K及び修飾されたO2KMが、アノイキスに耐性があり、浮遊培養において単一細胞から胚様体に培養され得る。O2KM由来胚様体は、培養された食肉生産のためのバイオプリンティング及びマイクロモールドなどの多細胞スフェロイド組立技術と適合性があり得る;そして
(vii)自己収縮:骨格筋として最終分化されたO2KMは、筋節の成熟及び自己収縮を呈する。このため筋線維成熟を促進するのに、外部刺激(例えば、機械的張力、アセチルコリン受容体活性化、電気刺激)が、必要とならない可能性がある。
本発明をその例示的実施形態に関連して記載したが、本発明の方法がさらなる改良を可能とすることは、理解されよう。本特許出願は、本発明の原理に概ね従い、本発明が属する技術分野での公知の、又は慣例的な実務に含まれるような、そして先に示された本明細書の本質的特色及び以下に添付された特許請求の範囲に適用され得るような、本開示からの逸脱を含む、本発明の任意の変更、用途、又は適合を包含するものとする。

Claims (28)

  1. 動物種の自己複製細胞株を筋原性転写因子で修飾して、筋原性転写因子修飾細胞株を生成すること、及び
    前記修飾細胞株を外因性調節により誘導して、前記細胞株を自己複製工程に維持するか、又は前記細胞株を筋原性分化工程に進めること、
    を含む、培養された筋組織を生成する方法。
  2. 前記筋組織が、家畜又は家禽種のものである、請求項1に記載の方法。
  3. 前記筋組織が、家畜種のものである、請求項2に記載の方法。
  4. 前記家畜種が、ブタ又はウシである、請求項3に記載の方法。
  5. 前記生成された筋組織が、ヒト及び非ヒトの食物消費に適合される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記自己複製細胞株が、胚性幹細胞株、人工多能性幹細胞株、胚体外細胞株、及び体細胞株からなる群から選択される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記自己複製幹細胞株が、家畜又は家禽種のものである、請求項6に記載の方法。
  8. 前記自己複製幹細胞株が、家畜種のものである、請求項7に記載の方法。
  9. 前記家畜種が、ブタ又はウシである、請求項8に記載の方法。
  10. 前記自己複製幹細胞株が、ヒト及び非ヒトの食物消費を意図した任意の動物種のものであり、任意のコンパニオンアニマルであり、及び/又は研究若しくは治療薬開発に用いられる任意の動物種のものである、請求項6〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記筋原性転写因子が、MYOD1、MYOG、MYF5、MYF6、PAX3、PAX7、それらのパラログ、オーソログ、及び遺伝子変異体からなる群から選択される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記筋原性転写因子が、MYOD1である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 未分化細胞ストック増殖のために第1の培地中に前記修飾細胞株を維持することをさらに含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 細胞ストック増殖のためにドキシサイクリンを含む第1の培地中に前記修飾細胞株を維持することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
  15. 系譜特異的な分化のために第2の培地中に前記修飾細胞株を移し替え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. 系譜特異的な分化のためにE2を含む第2の培地中で前記修飾細胞株を処理することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
  17. 前記第2の培地が、古典的WNTシグナル伝達経路を活性化する試薬、エピジェネティックな調節のための試薬、又はそれらの組合わせをさらに含む、請求項15又は16に記載の方法。
  18. 前記第2の培地が、古典的WNTシグナル伝達経路を活性化する試薬をさらに含む、請求項17に記載の方法。
  19. 前記古典的WNTシグナル伝達経路を活性化する試薬が、GSK3β阻害剤を含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記GSK3β阻害剤が、CHIR99021、塩化リチウム、BIO、CHIR99021、SB216763、CHIR−98014、TWS119、チデグルシブ、IM−12、1−アザケンパウロン(1-Azakenpullone)、AR−A014418、及びSB415286からなる群の1つ又は複数の構成員から選択される、請求項18に記載の方法。
  21. 前記GSK3β阻害剤が、CHIR99021である、請求項20に記載の方法。
  22. 前記第2の培地が、エピジェネティックな調節のための試薬をさらに含む、請求項17に記載の方法。
  23. 前記エピジェネティックモジュレータが、5AC、RG108、スクリプタイド、酪酸ナトリウム、トリコスタチンA、スベロイルアニリドヒドロキサム酸、MS−275、CI−994、BML−210、M344、MGCD0103、PXD101、LBH−589、ツバスタチンA、NSC3825、NCH−51、NSC−3852、HNHA、BML−281、CBHA、サレルミド、ピメリン酸ジフェニルアミド、ITF−2357、PCI−24781、APHA化合物8、ドロキシノスタット(Droxinostat)、SB−939、ヒストンデアセチラーゼパラログ、ヒストンアセチルトランスフェラーゼパラログ、tet−メチシトシンジオキシゲナーゼパラログ(tet-methycytosine dioxygenase paralogs)、ヒストンデメチラーゼパラログ、ヒストンメチルトランスフェラーゼパラログ、及びDNAメチルトランスフェラーゼパラログ、ヒストン、並びにMi−2/NuRD及びSWI/SNFを含むクロマチンリモデリング複合体のサブユニットからなる群の1つ又は複数の構成員から選択される、請求項22に記載の方法。
  24. 前記エピジェネティックモジュレータが、DNAメチル化の阻害剤である、請求項22又は23に記載の方法。
  25. 多核化された筋管を形成させることを含む、請求項1〜24のいずれか1項に記載の方法。
  26. 前記筋組織が、骨格筋線維を含む、請求項1〜25のいずれか1項に記載の方法。
  27. 前記古典的WNTシグナル伝達経路が、GSK3β又はその基質CTNNB1の遺伝子編集阻害により活性化される、請求項1〜26のいずれか1項に記載の方法。
  28. 請求項1〜27のいずれか1項に記載の方法により作製されるインビトロ生成の筋組織。
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