JP2017221229A - 細胞のプログラミングおよび再プログラミング - Google Patents

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Abstract

【課題】分化した体細胞の脱分化、第２のｉＰＳ細胞を生成する方法およびそれらの方法によって産生された第２のｉＰＳ細胞、上記第２のｉＰＳ細胞から産生されたキメラ動物、例えば、マウス、ならびに第２のｉＰＳ細胞およびキメラ動物を利用して再プログラミング因子をスクリーニングする方法を提供すること。
【解決手段】本開示は、１種以上の体細胞、例えば、部分的に分化したまたは完全分化／最終分化した体細胞を、より分化していない状態、例えば、多能性または多分化能状態まで再プログラミングする方法に関する。さらなる実施形態において、本発明はまた、本発明の方法によって産生された再プログラミングされた体細胞、本発明の再プログラミングされた体細胞を含むキメラ動物、上記細胞の使用、および体細胞を再プログラミングするために有用な薬剤を同定するための方法にも関する。
【選択図】なし

Description

関連出願
本願は、２００８年６月１３日に出願された米国特許６１／０６１，５２５号、２００８年６月３０日に出願された米国特許６１／０７７，０６８号の利益を主張する。これらの出願の全体の教示は、本明細書中に参考として援用される。
政府支援
本発明は、国立衛生研究所からの助成金５−ＲＯ１−ＨＤ０４５０２２、５−Ｒ３７−ＣＡ０８４１９８、および５−ＲＯ１−ＣＡ０８７８６９により、その全体または一部が支援されたものである。合衆国政府は、本発明に一定の権利を有する。
胚発生および細胞分化は、単向性経路であると見なされている。なぜなら、細胞は、細胞運命の特定の間に、発生的な効力の進行性の喪失を受けるからである。多能性幹細胞の２つの範疇が今日までに知られている：胚性幹細胞および胚性生殖細胞である。胚性幹細胞は、胚から直接的に誘導される多能性幹細胞である。胚性生殖細胞は、流産した胎児の胎生組織から直接的に誘導される多能性幹細胞である。単純化の目的のために、本明細書では、胚性幹細胞および胚性生殖細胞は集合的に「ＥＳ」細胞と称する。
核移入（ＮＴ）による生きている動物の生成は、最終分化した細胞のそれを含む、体細胞の後成的な状態が不安定であり、新たな生物の発生を方向付けることが可能な胚性状態にリセットできることを実証した。核クローニング技術は、移植医学のために潜在的な関心が持たれているが、しかし、いかなる医学的適用も、クローニングプロセスの非効率性、根底にあるメカニズムの知識の欠如、および倫理的な懸念によって妨げられている。これらの問題を解決する際の主要なブレークスルーは、Ｙａｍａｎａｋａによる４種の転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−ｍｙｃ、およびＫｌｆ４（以下では「再プログラミング因子」または「因子」と称する）の異所性発現による再プログラミングされた体細胞（「誘導性多能性幹細胞」または「ｉＰＳ」細胞と称する）のインビトロ誘導であった（非特許文献１）。
ＴａｋａｈａｓｈｉおよびＹａｍａｎａｋａ、Ｃｅｌｌ １２６：６６３−６７６（２００６）
再プログラミングの領域におけるさらなる進歩は、ヒト体細胞を再プログラミングするための強固な方法を確立すること、ならびにヒトＥＳ細胞およびｉＰＳ細胞を操作するための有効なプロトコールを規定することによって容易にされる。
本発明は、一般的には、分化した体細胞の脱分化、第２のｉＰＳ細胞を生成する方法およびそれらの方法によって産生された第２のｉＰＳ細胞、上記第２のｉＰＳ細胞から産生されたキメラ動物、例えば、マウス、ならびに第２のｉＰＳ細胞およびキメラ動物を利用して再プログラミング因子をスクリーニングする方法に関する。
本発明は、例えば以下の項目を提供する。
（項目１） 少なくとも２つのコード領域を含む核酸構築物であって、ここで、前記コード領域は、単一のオープンリーディングフレームを形成するように自己切断ペプチドをコードする核酸によって各々に連結されており、前記コード領域は、単独で、または１つ以上のさらなる再プログラミング因子と組み合わせてのいずれかで、哺乳動物体細胞を多能性まで再プログラミングすることが可能である第１および第２の再プログラミング因子をコードする、核酸構築物。
（項目２） 第３の再プログラミング因子をコードする第３のコード領域をさらに含み、前記３つのコード領域は、単一のオープンリーディングフレームを形成するように自己切断ペプチドをコードする核酸によって互いに連結されている、項目１に記載の核酸構築物。
（項目３） 第３および第４の再プログラミング因子をコードする第３および第４の遺伝子をさらに含み、前記４つのコード領域は、単一のオープンリーディングフレームを形成するように自己切断ペプチドをコードする核酸によって互いに連結されている、項目１に記載の核酸構築物。
（項目４） 前記自己切断ペプチドがウイルス性の２Ａペプチドである、項目１に記載の核酸構築物。
（項目５） 前記自己切断ペプチドがアフトウイルス２Ａペプチドである、項目１に記載の核酸構築物。
（項目６） 前記再プログラミング因子がＯｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、Ｌｉｎ２８、およびｃ−Ｍｙｃから選択される、項目１に記載の核酸構築物。
（項目７） 前記コード領域が、哺乳動物体細胞を多能性に再プログラムするために少なくとも１種のさらなる再プログラミング因子を必要とする第１および第２の再プログラミング因子をコードする、項目１に記載の核酸構築物。
（項目８） Ｏｃｔ４をコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目９） Ｋｌｆ４をコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１０） Ｓｏｘ２をコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１１） ｃ−Ｍｙｃをコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１２） Ｌｉｎ２８をコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１３） Ｎａｎｏｇをコードしない、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１４） 前記コード領域が、（ｉ）Ｏｃｔ４およびＳｏｘ２からなるセット；（ｉｉ）Ｏｃｔ４およびＫｌｆ４からなるセット；（ｉｉｉ）Ｏｃｔ４およびＮａｎｏｇからなるセット；（ｉｖ）Ｏｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびＳｏｘ２からなるセット；（ｖ）Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、およびＬｉｎ２８からなるセット；（ｖｉ）Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、およびＳｏｘ２からなるセット；ならびに（ｖｉｉ）（ｉ）〜（ｖｉ）のいずれかからなりかつｃ−Ｍｙｃをさらに含むセットから選択される再プログラミング因子のセットをコードする、項目１に記載の核酸構築物。
（項目１５） プロモーターに作動可能に連結された項目１に記載の核酸構築物を含む発現カセットであって、ここで、前記プロモーターは、前記再プログラミング因子をコードするポリシストロン性メッセージの転写を駆動し、各再プログラミング因子が、自己切断ペプチドによって、少なくとも１つの他の再プログラミング因子に連結されている、発現カセット。
（項目１６） 哺乳動物細胞のゲノムへの組込みを媒介する１つ以上の部位をさらに含む、項目１５に記載の発現カセット。
（項目１７） 項目１５に記載の発現カセットを含む発現ベクター。
（項目１８） レトロウイルス性である、項目１７に記載の発現ベクター。
（項目１９） プロモーターが誘導性である、項目１８に記載の発現ベクター。
（項目２０） 項目１５に記載の発現カセットを含む哺乳動物細胞。
（項目２１） 体細胞である、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目２２） 最終分化した体細胞である、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目２３） ｉＰＳ細胞である、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目２４） 項目２３に記載の哺乳動物ｉＰＳ細胞から少なくとも部分的に生成されるキメラマウス。
（項目２５） 前記哺乳動物ｉＰＳ細胞をマウス未分化胚芽細胞（ｂｌａｓｔｏｃｙｔ）に注入すること、および前記未分化胚芽細胞をインビボでマウスに成長させることによって生成される、項目２４に記載のキメラマウス。
（項目２６） 前記ｉＰＳ細胞から誘導される、項目２４に記載のマウスから得られた細胞。
（項目２７） ヒト細胞である、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目２８） 前記発現カセットが、ゲノムの座に組み込まれ、前記ゲノムの座の破壊が細胞に対して最小限の作用を有するかまたは全く作用を有さない、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目２９） 前記発現カセットから２つの再プログラミング因子を発現する、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目３０） 前記発現カセットから３つの再プログラミング因子を発現する、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目３１） 前記発現カセットから３つの再プログラミング因子を発現し、前記３つの再プログラミング因子は、少なくとも０．０５％の効率で哺乳動物線維芽細胞を再プログラムするために十分ではない、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目３２） 前記発現カセットから３つの再プログラミング因子を発現し、前記３つの再プログラミング因子は、少なくとも０．０５％の効率で哺乳動物線維芽細胞を再プログラムするために十分である、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目３３） 座に組み込まれたレポーター遺伝子をさらに含み、前記レポーター遺伝子の活性化が多能性への再プログラミングのマーカーとして役立つ、項目２０に記載の哺乳動物細胞。
（項目３４） 座がＮａｎｏｇおよびＯｃｔ４から選択される、項目３１に記載の哺乳動物細胞。
（項目３５） 複数の本質的に遺伝的に同一な項目２０に記載の細胞を含む組成物。
（項目３６） 項目２０に記載の１つ以上の哺乳動物細胞および試験薬剤を含む、再プログラミング因子を同定するための組成物。
（項目３７） 発現カセットからの再プログラミング因子の発現を誘導する薬剤をさらに含む、項目３４に記載の組成物。
（項目３８） 再プログラミング因子を同定する方法であって：
（ｉ）再プログラミング因子が発現カセットから発現され、かつ細胞増殖が起こる条件下で、一定の期間、項目３４に記載の組成物を維持する工程；および
（ｉｉ）細胞が再プログラミングされた状態になる程度を評価する工程であって、再プログラミングが、前記組成物が試験薬剤を欠く場合に起こるよりも有意に高い頻度で起こるとき、前記試験薬剤が再プログラミング因子または再プログラミングのエンハンサーとして同定される、工程
を包含する方法。
（項目３９） 前記組成物が少なくともＸ日間維持される、項目３６に記載の方法。
（項目４０） 前記試験薬剤が少なくともＸ日間存在している、項目３６に記載の方法。（項目４１） 前記細胞が、一定の期間に前記試験薬剤の非存在下で維持された場合には検出可能な頻度で再プログラミングされた状態にならないが、前記期間の少なくとも一部の間に前記試験薬剤の存在下で維持された場合には検出可能な頻度で再プログラミングされた状態になるとき、前記試験薬剤が再プログラミング因子として同定される、項目３６に記載の方法。
（項目４２） 前記細胞が、一定の期間に前記試験薬剤の非存在下で維持された場合には検出可能な頻度で再プログラミングされた状態になり、かつ前記期間の少なくとも一部の間に前記試験薬剤の存在下で維持された場合には有意により高い頻度で再プログラミングされた状態になるとき、前記試験薬剤が再プログラミング因子のエンハンサーとして同定される、項目３６に記載の方法。
（項目４３） 前記細胞が、前記発現カセットから再プログラミング因子のセットを発現し、ここで、前記セットは、（ｉ）Ｏｃｔ４およびＳｏｘ２；（ｉｉ）Ｏｃｔ４およびＫｌｆ４；（ｉｉｉ）Ｏｃｔ４およびＮａｎｏｇ；（ｉｖ）Ｏｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびＳｏｘ２；（ｖ）Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、およびＬｉｎ２８；（ｖｉ）Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、およびＳｏｘ２；ならびに（ｖｉｉ）ｃ−Ｍｙｃをさらに含む（ｉ）〜（ｖｉ）ののうちの任意のものからなる、項目３６に記載の方法。
（項目４４） 分化した体細胞を多能性状態に再プログラミングする方法であって：
（ａ）分化した体細胞を、前記細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の再プログラミング因子と接触させる工程；
（ｂ）前記細胞の再プログラミングを開始するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の再プログラミング因子の活性のために適切な条件下で前記細胞を維持する工程；ならびに
（ｃ）前記少なくとも１種の再プログラミング因子を機能的に不活化する工程
を包含する方法。
（項目４５） 分化した体細胞を多能性状態に再プログラミングする方法であって：
（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、前記分化した体細胞を提供する工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性化のために適切な条件下で前記細胞を維持する工程；ならびに
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程
を包含する方法。
（項目４６） 多能性状態に再プログラミングされた分化した体細胞を選択する方法であって：
（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、分化した体細胞を提供する工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに
（ｄ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程
を包含する方法。
（項目４７） 再プログラミングされた分化した体細胞から誘導された、単離された多能性細胞。
（項目４８） 再プログラミングされた分化した体細胞から誘導された少なくとも７０％の多能性細胞を含む、精製された体細胞集団。
（項目４９） 単離された多能性細胞であって、以下の工程：
（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、前記分化した体細胞を提供する工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに
（ｄ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程；
を包含する方法によって産生される細胞。
（項目５０） 再プログラミングされた分化した体細胞から誘導された少なくとも７０％の多能性細胞を含む、精製された体細胞集団であって、以下の工程：
（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、前記分化した体細胞を提供する工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに
（ｄ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程；
を包含する方法によって産生される、精製された体細胞集団。
（項目５１） 多能性細胞を体細胞から産生する方法であって、以下の工程：
（ａ）体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々の体細胞が含む、前記１つ以上の体細胞を提供する工程であって、前記外因的に導入された因子は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入される、工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；
（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；
（ｅ）前記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）前記キメラ胚から１つ以上の体細胞を得る工程；
（ｇ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、前記１つ以上の体細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の体細胞を維持する工程；ならびに
（ｈ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程
を包含する方法。
（項目５２） 単離された多能性細胞であって、以下の工程：
（ａ）体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々の体細胞が含む、前記１つ以上の体細胞を提供する工程であって、前記外因的に導入された因子は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入される、工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；
（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；
（ｅ）前記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）前記キメラ胚から１つ以上の分化した体細胞を得る工程；
（ｇ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の分化した体細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の分化した体細胞を維持する工程；ならびに（ｈ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程；
を包含する方法によって産生される、細胞。
（項目５３） 再プログラミングされた分化した体細胞から誘導された少なくとも７０％の多能性細胞を含む、精製された体細胞集団であって、以下の工程：
（ａ）体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々の体細胞が含む、前記１つ以上の体細胞を提供する工程であって、前記外因的に導入された因子は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入される、工程；
（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；
（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；
（ｅ）前記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）前記キメラ胚から１つ以上の分化した体細胞を得る工程；
（ｇ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の分化した体細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の分化した体細胞を維持する工程；ならびに（ｈ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程
を含有する方法によって産生される、精製された体細胞集団。
（項目５４） 分化した免疫細胞を多能性状態に再プログラミングする方法であって、以下の工程：
（ａ）各々が誘導性ベクターの制御下にあり、かつ外因的に導入されたＣ／ＥＢＰαをさらに含む、外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、およびｃ−Ｍｙｃを含む分化した免疫細胞を提供する工程；
（ｂ）内因性Ｎａｎｏｇおよび／またはＯｃｔ４を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、ならびにＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、ｃ−Ｍｙｃ、およびＣ／ＥＢＰαの活性のために適切な条件下で、前記細胞を維持する工程；ならびに
（ｃ）外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、およびｃ−Ｍｙｃを機能的に不活化する工程
を包含する方法。
（項目５５） 再プログラミングされた分化した免疫細胞から誘導された少なくとも７０％の多能性細胞を含む、精製された免疫細胞集団であって、以下の工程：
（ａ）各々が誘導性ベクターの制御下にあり、かつ外因的に導入されたＣ／ＥＢＰαをさらに含む、外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、およびｃ−Ｍｙｃを含む分化した免疫細胞を提供する工程；
（ｂ）内因性Ｎａｎｏｇおよび／またはＯｃｔ４を活性化するために十分な期間、前記細胞の増殖のため、ならびにＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、ｃ−Ｍｙｃ、およびＣ／ＥＢＰαの活性のために適切な条件下で、前記細胞を維持する工程；ならびに
（ｃ）外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、およびｃ−Ｍｙｃを機能的に不活化する工程；
を包含する方法によって産生される、精製された免疫細胞集団。
（項目５６） 再プログラミング因子を同定する方法であって、以下：
（ａ）体細胞を多能性状態に再プログラミングすることに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々の体細胞が含む、前記１つ以上の体細胞を提供する工程であって、前記外因的に導入された因子の各々は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入され、その発現は別個のインデューサによって誘導されている調節エレメントによって制御されている、工程；
（ｂ）前記細胞を再プログラミングするため、または少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な期間、前記１つ以上の細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の細胞を維持する工程；
（ｃ）前記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；
（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；
（ｅ）前記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）前記キメラ胚から１つ以上の体細胞を得る工程；
（ｇ）前記１つ以上の体細胞の増殖のため、および前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で前記１つ以上の体細胞を維持する工程であって、ここで、前記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性は、少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するためにそれ自体では不十分である、工程；
（ｈ）前記（ｇ）の体細胞を、１種以上の候補再プログラミング因子と接触させる工程；ならびに
（ｉ）多能性の１種以上のマーカーを示す前記１種以上の候補再プログラミング因子と接触した細胞を同定する工程であって、ここで、前記（ｇ）の体細胞に多能性の１種以上のマーカーを示すように誘導する候補再プログラミング因子が、再プログラミング因子として同定される、工程
を包含する方法。
１つの実施形態において、本発明は、分化した体細胞を多能性状態に再プログラミングする方法であって：分化した体細胞を、上記細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の再プログラミング因子と接触させる工程；上記細胞の再プログラミングを開始するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の再プログラミング因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；ならびに上記少なくとも１種の再プログラミング因子を機能的に不活化する工程を包含する方法；に関する。
別の実施形態において、本発明は、分化した体細胞を多能性状態に再プログラミングする方法であって：分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、分化した体細胞を提供する工程；少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；ならびに上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程を包含する方法；に関する。
さらなる実施形態において、本発明は、多能性状態に再プログラミングされた分化した体細胞を選択する方法であって：分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、分化した体細胞を提供する工程；少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別または識別する工程を包含する方法；に関する。１つの実施形態において、多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別または識別する工程は、多能性の１種以上のマーカーを示す細胞についての選択もしくは富化、および／または多能性の１種以上のマーカーを示さない細胞に対する選択を含む。
本発明のある実施形態において、分化した体細胞は部分的に分化している。本発明の他の実施形態において、分化した体細胞は完全に分化している。
本発明のある実施形態において、分化した体細胞は、造血系（ｈｅｍａｔｏｐｏｅｔｉｃ ｌｉｎｅａｇｅ）細胞であり、または間充織幹細胞である；ある実施形態において、分化した体細胞は末梢血から得られる。本発明の１つの実施形態において、分化した体細胞は免疫系細胞である。１つの実施形態において、分化した体細胞はマクロファージである。１つの実施形態において、分化した体細胞はリンパ細胞である。本発明の他の実施形態において、分化した体細胞は、未成熟Ｂ細胞（例えば、プロＢ細胞またはプレＢ細胞）または成熟Ｂ細胞（例えば、非ナイーブ）などのＢ細胞である。さらに他の実施形態において、分化した細胞は神経前駆細胞、副腎細胞、ケラチノサイト、筋肉細胞、または腸上皮細胞である。
本発明のある実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子はポリヌクレオチドである。他の実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子はポリペプチドである。１つの実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子は、Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、Ｎａｎｏｇ、Ｌｉｎ２８、ｃ−Ｍｙｃ、およびこれらの組合せからなる群より選択される。本発明の特定の実施形態において、分化した体細胞は、外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、およびＫｌｆ−４、外因的に導入されたＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、およびｃ−Ｍｙｃを含む。
本発明の１つの実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子は、Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ−４、ｃ−Ｍｙｃ、およびこれらの組合せからなる群より選択され、分化した体細胞は、分化した体細胞の脱分化を誘導することが可能である少なくとも１種の外因的に導入される因子（例えば、ポリヌクレオチドまたはポリペプチド）をさらに含む。ある実施形態において、上記分化した体細胞の脱分化を誘導することが可能である因子は、Ｂ細胞後期特異的マーカーをダウンレギュレートする少なくとも１種のポリヌクレオチド、Ｐａｘ５の発現を阻害する少なくとも１種のポリヌクレオチド、Ｂ細胞後期特異的マーカーをダウンレギュレートする少なくとも１種のポリペプチド、Ｐａｘ５の発現を阻害する少なくとも１種のポリペプチド、およびこれらの組合せからなる群より選択される。本発明の１つの実施形態において、上記分化した体細胞の脱分化を誘導することが可能である因子は、Ｃ／ＥＢＰαまたはＣ／ＥＢＰαのヒトホモログである。
本発明の特定の実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子は、ベクター、例えば、誘導性ベクターまたは条件付き発現ベクターを使用して導入される。１つの態様において、少なくとも１種の外因的に導入される因子は、メチル化媒介性サイレンシングに供されていないベクターを使用して導入される。なお別の実施形態において、少なくとも１種の外因的に導入される因子は、レトロウイルスベクターまたはレンチウイルスベクターなどのウイルスベクターを使用して導入される。
本発明は、クローン化動物を産生するための方法もまた提供する。これらの方法において、体細胞は、所望の特性を有する動物から単離され、本発明の方法を使用して再プログラミングされて、１つ以上の再プログラミングされた多能性体細胞（「ＲＰＳＣ」）を産生する。次いで、ＲＰＳＣは、レシピエント胚に挿入され、得られる胚は培養されて、レシピエント雌への移植のために適切なサイズの胚を産生し、これは次いで、レシピエント雌に移されて、妊娠雌を産生する。この妊娠雌は、キメラ動物子孫を生じる期間まで、胚を保持するための適切な条件下で維持される。このキメラ動物は、所望されるような野生型動物とさらに交尾させることができる。本発明はさらに、本発明の方法によって産生されたキメラ動物、例えば、キメラマウスに関する。
本発明はさらに、以下の工程を包含する方法：（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む分化した体細胞を提供する工程；（ｂ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；（ｃ）上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに（ｄ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞を区別する工程を含有する；によって産生される単離された多能性細胞に関する。
本発明はまた、再プログラミングされた分化した体細胞から誘導された少なくとも７０％の多能性細胞を含む、精製された体細胞集団に関し、この細胞集団は以下の工程を包含する方法：（ａ）分化した体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を含む、分化した体細胞を提供する工程；（ｂ）上記細胞の再プログラミングを開始するため、および少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；（ｃ）上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；ならびに（ｄ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程；によって産生される。
別の態様において、本発明は、多能性細胞を体細胞から産生する方法であって、この方法は以下の工程を包含する：（ａ）１つ以上の体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々が含む、１つ以上の体細胞を提供する工程であって、上記外因的に導入された因子は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入される、工程；（ｂ）上記１つ以上の細胞の再プログラミングを開始するため、または少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記１つ以上の細胞を維持する工程；（ｃ）上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；（ｅ）上記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）上記キメラ胚から１つ以上の体細胞を得る工程；（ｇ）上記細胞の再プログラミングを開始するため、または少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記１つ以上の体細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記１つ以上の体細胞を維持する工程；ならびに（ｈ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程。特定の実施形態において、この方法は、再プログラミングされた分化した体細胞から誘導される少なくとも７０％の多能性細胞を含む体細胞の精製された集団を生じる。
本発明はまた、以下の工程を包含する方法：（ａ）１つ以上の体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々が含む、１つ以上の体細胞を提供する工程であって、上記外因的に導入された因子は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入される、工程；（ｂ）上記１つ以上の細胞の再プログラミングを開始するため、または少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記１つ以上の細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記細胞を維持する工程；（ｃ）上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；（ｅ）上記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）上記キメラ胚から１つ以上の体細胞を得る工程；（ｇ）少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記１つ以上の体細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記１つ以上の体細胞を維持する工程；ならびに（ｈ）多能性の１種以上のマーカーを示す細胞と、示さない細胞とを区別する工程；によって産生される単離された多能性細胞にも関する。
本発明の好ましい実施形態において、これらの方法は、再プログラミングされた分化した体細胞から誘導される少なくとも７０％（例えば、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９９％）の多能性細胞を含む精製された体細胞集団を生じる。特定の実施形態において、多能性細胞は遺伝的に均質である。
本発明はまた、再プログラミング因子を同定する方法であって、以下の工程：（ａ）１つ以上の体細胞の多能性状態への再プログラミングに寄与する少なくとも１種の外因的に導入された因子を各々が含む、１つ以上の体細胞を提供する工程であって、上記外因的に導入された因子の各々は、メチル化誘導サイレンシングに供されていない誘導性ベクターを使用して導入され、その発現は、別個のインデューサによって誘導される調節エレメントによって制御される、工程；（ｂ）１つ以上の体細胞を再プログラムするため、または少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するために十分な時間の間、上記１つ以上の細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記１つ以上の細胞を維持する工程；（ｃ）上記少なくとも１種の外因的に導入された因子を機能的に不活化する工程；（ｄ）多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を選択する工程；（ｅ）上記多能性のマーカーを示す１つ以上の細胞を利用してキメラ胚を生成する工程；（ｆ）上記キメラ胚から１つ以上の体細胞を得る工程；（ｇ）上記１つ以上の体細胞の増殖のため、および上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性のために適切な条件下で上記１つ以上の体細胞を維持する工程であって、ここで、上記少なくとも１種の外因的に導入された因子の活性は、少なくとも１種の内因性多能性遺伝子を活性化するためにそれ自体では不十分である、工程；（ｈ）（ｇ）の体細胞を、１種以上の候補再プログラミング因子と接触させる工程；ならびに（ｉ）多能性の１種以上のマーカーを示す上記１種以上の候補再プログラミング因子と接触した細胞を同定する工程であって、ここで、（ｇ）の体細胞に多能性の１種以上のマーカーを示すように誘導する候補再プログラミング因子が、再プログラミング因子として同定される、工程；を包含する方法にも関する。
本発明はまた、既知の誘導性プロモーター系を利用する方法にも関する。１つの例として、誘導性プロモーター、例えば、ＤＯＸおよびタモキシフェン誘導性レンチウイルスベクターが包含される。ＤＯＸ誘導性レトロウイルスベクターは、多能性マーカーの逐次的活性化およびマウス体細胞の再プログラミングの間のベクター発現の最小時間を規定するために重要であった。本明細書に記載されるように、本発明者らは、再プログラミング因子の時間的に制限された発現を可能にする誘導性レンチウイルスベクターを生成した。マウス遺伝子のために使用したのと同じストラテジーに従って、本発明者らは、構成的にまたはＤＯＸ誘導性プロモーターの制御下のいずれかで、ヒトＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４、およびＣ−ＭＹＣのｃ−ＤＮＡを形質導入するレンチウイルスベクターを生成した。ＤＯＸ誘導性系を生成するために、本発明者は、ｒｔＴＡトランス活性化因子を有するレンチウイルスベクターでヒト線維芽細胞を感染させた。
ベクターの独立した誘導性制御を可能にするために、本発明者らはまた、エストロゲンリガンド結合ドメインに因子を融合させてタモキシフェン依存性発現を可能にすることによって、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＣ−ＭＹＣエストロゲン受容体（ＥＲ）融合構築物も生成した。ＳＯＸ２−ＥＲ融合構築物を形質導入した細胞へのタモキシフェンの添加は、薬物誘導性活性化について予測されたように、細胞質から核へのＳＯＸ２タンパク質の移行に導く。これらの結果は、ＤＯＸおよびＥＲ融合物誘導性系が、形質導入された因子の発現を独立して制御するために使用できることを示す。
本発明の１つの実施形態は、各々が因子のサブセットの発現を制御する、複数、例えば、２つの異なる制御可能系の使用に関する。例えば、第１の誘導性（例えば、ｄｏｘ誘導性）プロモーターの制御下の３種の因子、および第２の誘導性（例えば、タモキシフェン誘導性）プロモーターの制御下の第４の因子を配置してもよい。次いで、両方のプロモーターからの発現を誘導することによってｉＰＳ細胞を生成でき、このｉＰＳ細胞からマウスを生成でき、そしてこのマウスから線維芽細胞（または任意の他の細胞型）を単離できた。これらの線維芽細胞は、遺伝的に均一であり、ウイルス感染の必要性なしで再プログラミング可能である。次いで、小分子「再プログラミング因子」を同定するために、または一過性トランスフェクションもしくは第４の因子を導入するための他のプロトコールを最適化するために、第１のプロモーターのみが活性である条件下で、第４の因子の代わりに潜在的に置換することができる異なる小分子の存在下で、線維芽細胞を再プログラムするよう試みる。多数のバリエーションが可能である；例えば、３種の因子の発現を安定に誘導し、第４の因子の発現を一過性に誘導してもよい、などである。因子の任意の組合せが、記載された方法を使用して評価できる。また、異なる濃度の誘導薬剤を使用することによって、因子の発現レベルを調節することができる。
別のアプローチは、リコンビナーゼのための部位の間に、因子の１つをコードする遺伝子を配置し、次いで、その因子の発現のスイッチを切るためにリコンビナーゼの発現を誘導することである。例えば、異種配列がプロモーター配列とコード配列の間に配置でき、ここで、この異種配列はリコンビナーゼのための部位の間に位置し；異種配列は発現を妨害する。リコンビナーゼは細胞に導入され（例えば、リコンビナーゼをコードする発現ベクター、例えば、アデノウイルス−Ｃｒｅを導入することによる）、異種配列の切除を引き起こし、それによって、導入遺伝子の発現を可能にする。また、導入遺伝子は、様々な必須でない遺伝子座に組み込まれることができる（例えば、その破壊が発生に有意に影響を与えない遺伝子座、コラーゲンＩまたはＲｏｓａ２６遺伝子座によって例示される）。
これらの系は、再プログラミング剤を同定するため、および再プログラミングにおける要件および再プログラミングにおいて起こる事象を研究するために有用である（細胞型特異的な差異を発見することを含む）。
図１Ａ〜１Ｄは、後成的再プログラミングのための遺伝的に均質な細胞培養の世代を図示する。図１Ａは、リバーステトラサイクリントランス活性化因子を発現するピューロマイシン耐性、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ、またはＮａｎｏｇ−ｎｅｏ一次ＭＥＦ（Ｍ２ｒｔＴＡ）の、４種の再プログラミング因子をコードしているｄｏｘ誘導性レンチウイルスでの感染、続いて、再プログラミングの誘導、一次ｉＰＳコロニー選択、ｄｏｘの中止、キメラ形成、およびｉＰＳ誘導性二次体細胞についてのピューロマイシン選択についてのスキームを示す。図１Ｂは、キメラから単離されたＮＮｅｏ二次ＭＥＦが完全な後成的再プログラミングを受けることを図示する。ｄｏｘ非依存的培養は、多能性関連遺伝子であるアルカリホスファターゼ、ＳＳＥＡ１、およびＮａｎｏｇを発現する。図１Ｃは、ＭＥＦ誘導性ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２二次ｉＰＳ細胞がテラトーマ形成アッセイにおいて３つすべての胚葉の細胞を形成し、暗いバックグラウンド上のｉＰＳ誘導性アグチコート色の存在によって示されるように（図１Ｄ）、胚盤胞に注入された場合にキメラ形成に寄与することを示す。 図２Ａ〜２Ｅは、再プログラミングの反応速度論および効率が別個のｉＰＳ細胞系統からのＭＥＦの間で変動することを図示する。図２Ａに示されるように、３種の「一次」ｉＰＳ細胞系統からの二次ＭＥＦはｄｏｘで処理され、再プログラミングは視覚的にモニターされた。異なるＭＥＦ集団は、ｄｏｘ投与６日後に形態学的変化を示したが、すべてが１２日以内にＥＳ細胞の形態を伴うコロニーを形成した（矢印）。図２Ｂは、ｄｏｘ誘導４日後までの早期に薬物を培地に加えた場合に、ネオマイシン耐性でありかつアルカリホスファターゼ陽性であるコロニーがＮＮｅｏ培地に存在したことを示す。図２Ｃは、１８日間のｄｏｘ培養にわたる、ＳＳＥＡ１の再活性化およびＮａｎｏｇ−ＧＦＰレポーター対立遺伝子（ＮＧＦＰ２系統およびＮＧＦＰ３系統における）についてのフローサイトメトリー分析を図示する。図２Ｄにおいて、二次ＮＧＦＰ２ ＭＥＦは、０．０２５〜５００細胞／ｍｍ２で変動する密度でプレートし、続いてｄｏｘ添加を行った。ＧＦＰ＋コロニーは４週間後に計数した。図２Ｅに示されるように、単一の二次ＭＥＦは、γ照射したＭＥＦ支持細胞層を含む９６ウェルプレートにプレートし、続いてｄｏｘ誘導を行った。ＭＥＦ支持細胞層上で目に見えるコロニーを形成するために十分に増殖することが可能である単一の細胞のパーセンテージ（明灰色バー）、およびＧＦＰ＋もしくはＮｅｏ耐性二次ｉＰＳコロニーを形成することが可能である単一の細胞のパーセンテージ（暗灰色バー）は、４週間後に点数付けされた。 図３Ａ〜３Ｆは、二次ＭＥＦにおける４種の因子の要件および発現を示す。図３Ａは、Ｇａｐｄｈレベルと比較した、７２時間のｄｏｘ処理に応答した４種の再プログラミング因子の発現の誘導を試験する定量的ＲＴ−ＰＣＲを示す。図３Ｂは、ｄｏｘ誘導７２時間後の二次ＭＥＦ培養中のＯｃｔ４およびＳｏｘ２の免疫蛍光検出を示す。図３Ｃに示されるように、ＮＧＦＰ２二次ＭＥＦは、示された時間の間、ｄｏｘの存在下で培養され（５〜２２日間、赤いバー）、続いてｄｏｘの中止を行った。培養は、ＧＦＰ活性化の最初の例について毎日モニターした（緑色のバー）。青色のバーは、ＧＦＰ＋コロニーがｄｏｘ処理の間に現れた期間を示す。図３Ｄは、ＮＧＦＰ２ ＭＥＦが、ｄｏｘの存在下で、１０〜１５日間の間、培養されたことを示し、この時点で、ｄｏｘは中止され、ＧＦＰ＋コロニーは３４日目に点数付けされた。図３Ｅにおいて図示されるように、ＮＧＦＰ２ ＭＥＦは、９日間（青色）または２２日間（赤色）、ｄｏｘの存在下で培養され、ＧＦＰ＋コロニーの出現は２９日まで毎日点数付けされた。ＧＦＰ陽性コロニーの出現はｄｏｘ中止の１５日後まで後期であることに注意されたい。図３Ｆに図示されるように、ＮＧＦＰ３二次ＭＥＦは、ｄｏｘ、ｄｏｘ＋５−Ａｚａ、またはｄｏｘ＋ＴＳＡの存在下または非存在下で培養され、ＧＦＰ＋コロニーは３週間後に点数付けされた。 図４Ａ〜４Ｎは、腸上皮細胞の再プログラミングを示す。図４Ａに示されるように、ＮＮｅｏ二次腸上皮腺窩−絨毛構造がキメラから単離され、ｄｏｘの存在下での２４時間の培養後、球状体が懸濁中に出現し始めた（図４Ｂ、挿入図）。図４Ｃは、ｄｏｘ培養の７２時間以内に、懸濁した球状体がγ照射した支持細胞層に付着し、ＥＳ様形態をとったことを図示する。図４Ｄに示されるように、コロニーはｄｏｘ処理後２週間の間、継続して増殖したが、ｄｏｘ中止に際して、分化し、支持細胞層から区別できなくなった（図４Ｅ）。図４Ｆは、ｓｏｘ依存性腸上皮コロニーが、ｄｏｘ投与後２週間ネオマイシン耐性であったことを示す。図４Ｇは、Ｓｏｘ２ウイルスおよびＫｌｆ４ウイルスでの感染後、新鮮に単離されたＮＮｅｏ二次腸上皮、部分的に再プログラミングされたｄｏｘ依存性細胞、完全に再プログラミングされたＮＮｅｏ ｉＰＳ細胞における、内因性Ｏｃｔ４およびＮａｎｏｇプロモーターのビスルファイト配列を示す。図４Ｈに示されるように、４種の因子およびＮａｎｏｇの発現のｑＲＴ−ＰＣＲ分析は、ｄｏｘ依存性ＮＮｅｏ腸上皮コロニーが、ＥＳ細胞との比較において高レベルのＯｃｔ４およびｃＭｙｃを発現するが、Ｓｏｘ２およびＫｌｆ４は非常に少ないことを明らかにした。図４ＩはＮＧＦＰ２二次腸上皮細胞がｄｏｘ添加の２４時間以内に懸濁中に球状体を形成し、７２時間以内にＥＳ様形態をとったことを示す（図４Ｊ）。図４Ｋおよび４Ｌは、ＮＧＦＰ２腸上皮が、内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座からＧＦＰを発現するｄｏｘ非依存性二次ｉＰＳコロニーを生じたことを図示する。図４Ｍに示されるように、先端の分化した細胞（画分１）から、腺窩の前駆細胞（画分７）２８までの腸絨毛のＥＤＴＡ−ＤＴＴベースの分画、それに続く４日間のｄｏｘ誘導は、ＮＮｅｏとＮＧＦＰ２の両方の二次系統における腺窩画分が初期のコロニー形成においてより効率的であることを実証する。図４Ｎに示されるように、ｑＲＴ−ＰＣＲ分析は、Ｋｌｆ４を例外として、導入遺伝子は、ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２腸上皮細胞の画分１（絨毛先端）よりも画分７（腺窩）においてより効率的に誘導されたことを示した。 図５Ａ〜５Ｌは、他の体細胞型の再プログラミングを示す。図５Ａおよび５Ｂは、ｄｏｘ投与の前後３週間のＮＮｅｏ間葉幹細胞（ＭＳＣ）を示す。図５Ｃおよび５Ｄは、ＥＳ様コロニーを形成するｄｏｘ処理の前後１０日間のＮＧＦＰ２ ＭＳＣを示す。図５Ｅおよび５Ｆは、ＮＧＦＰ２ ＭＳＣが内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座からＧＦＰを発現するｄｏｘ非依存性ｉＰＳコロニーを生じたことを示す。図５Ｇに示されるように、典型的な上皮形態（挿入図）を有するＮＮｅｏキメラからの皮膚ケラチノサイトのコロニーは、ｄｏｘ処理の１２日以内にＥＳ細胞形態を示し始めた（図５Ｈ）。これらの細胞は完全に再プログラムされて、ネオマイシン耐性二次ｉＰＳコロニーを形成した（図５Ｉ）。図５Ｊに図示されるように、無血清培地中での拡大後、プレートしたＮＮｅｏ誘導ニューロスフェアは、ｄｏｘおよび血清を含むＥＳ細胞培地に応答して星状細胞に容易に分化した。プレートされたニューロスフェア細胞は、さらに３週間、ＥＧＦおよびＦＧＦ２との付着条件で拡大され、次いで、ｄｏｘ含有培地に曝露された場合、ｉＰＳ細胞様コロニーが、ＥＳ細胞（図５Ｋ）と無血清培地（図５Ｌ）の両方において出現した。 図６は、完全に再プログラミングされたＮＧＦＰ２二次ＭＥＦが、内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座を再活性化し、Ｏｃｔ４、ＡＰ、およびＳＳＥＡ１を発現し、ならびにｄｏｘの非存在下で維持され得ることを示す。 図７Ａ〜７Ｃはさらなる分析を示す。図７Ａは、ｄｏｘ処理に応答する再プログラミングの時間経過の間のＮＧＦＰ２ ＭＥＦにおける内因性Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃ転写物のｑＲＴ−ＰＣＲ分析を示す。２種のＥＳ細胞ＲＮＡ調製物（Ｖ６．５系統）およびＮＧＦＰ２ ｉＰＳ細胞系統における発現レベルもまた示される。図７Ｂは、直接感染と二次系との間のｉＰＳコロニー形成効率の実験艦の変動性の比較を示す。３×１０５ Ｏｃｔ４−ｎｅｏ ＭＥＦ１は、モロニーベースのレトロウイルスベクターによってコードされる４種の因子で、１０ｃｍプレート上で感染され、ネオマイシン選択は６日目に開始され、耐性コロニーは２０日目に計数された（左−直接感染）。３×１０４ 二次ＮＧＦＰ２ ＭＥＦは、６ウェルプレートにプレートされ、ｄｏｘ含有培地に曝露され、そしてＧＦＰ陽性コロニーは３週間後に計数された（右−二次系）。バーは４回の独立した実験の各々におけるコロニー数を表す。図７Ｃは、Ｋｌｆ４、ｃ−Ｍｙｃ、Ｓｏｘ２、およびＯｃｔ４ ｃＤＮＡプローブを用いた、二次ｉＰＳ系統ＮＧＦＰ３、ＮＧＦＰ２、およびＮＮｅｏのサザン分析を示す。コラーゲンＩ遺伝子座に標的化された導入遺伝子である、ＮＮｅｏ系統中のＯｃｔ４は例外として、内因性バンドは矢印でマークされ、プロウイルス挿入はくさび形でマークされている。 図８Ａ〜８Ｄは、図８Ａが、ＮＧＦＰ２二次尾端線維芽細胞がｄｏｘ非依存性ＧＦＰ＋ｉＰＳ細胞に首尾よく再プログラミングされたことを示す。図８Ｂは、ＮＧＦＰ２二次腸上皮から誘導されたｉＰＳ細胞が内因性ＮａｎｏｇおよびＳＳＥＡ１を発現することを示す。図８Ｃは、ＮＧＦＰ２二次間葉幹細胞から誘導されたｉＰＳ細胞が内因性ＮａｎｏｇおよびＳＳＥＡ１を発現することを示す。図８Ｄに示されるように、Ｔｅｔオペレーター１６の制御下にあるＲｏｓａ２６遺伝子座およびＯｃｔ４コード配列にリバーステトラサイクリントランス活性化因子を有する一次間葉幹細胞は、Ｓｏｘ２、ｃ−Ｍｙｃ、およびＫｌｆ４をコードするウイルスで感染された。感染したＭＳＣへのｄｏｘの添加は、内因性Ｎａｎｏｇタンパク質を発現する、完全に再プログラミングされたｄｏｘ非依存性ｉＰＳ細胞を生じた（免疫蛍光）。 図９Ａ〜９Ｇは、ｄｏｘ非依存性、ネオマイシン耐性、およびＮａｎｏｇ発現によって決定された、ＮＮｅｏ二次キメラの副腎（図９Ａ）、腎臓（図９Ｂ）、筋肉（図９Ｃ）、ケラチノサイト（図９Ｄ）、およびニューロスフェア（図９Ｅ）から誘導された細胞培養の首尾よい再プログラミングを示す（赤色、免疫蛍光）。図９Ｆは、ＮＮｅｏキメラから単離され、８、１０、または１２日間の間、ｄｏｘの存在下で培養され、そしてアルカリホスファターゼ活性について染色された二次腸上皮を示す。図９Ｇに示されるように、ＮＮｅｏ二次腸上皮細胞は、さらなるＳｏｘ２およびＫｌｆ４ウイルスでの感染後、ｄｏｘ非依存性ｉＰＳ細胞になった。免疫蛍光分析（赤色、上の行）は、完全に再プログラミングされた細胞におけるＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｎａｎｏｇ、およびＳＳＥＡ１の発現を明らかにした（青色、下の行は核ＤＡＰＩ染色を表す）。 図１０Ａ〜１０Ｄは、ＯＣＴ４遺伝子座へのＧＦＰの相同挿入を示す。Ｈ９ ｈｕＥＳ細胞は、図１０Ａに示されるように、ＯＣＴ４遺伝子座の３’ＵＴＲに標的化されたＧＦＰ−ｐｕｒｏＲ遺伝子トラップベクターでエレクトロポレーションされた。正確に標的化されたクローンは、ＧＦＰで染色されたサザン分析（図１０Ｂ）によって同定され、未分化のときにはｐｕｒｏ耐性であったが（図１０Ｃ、１０Ｄ）、分化したときにはマーカーおよび薬物耐性遺伝子はサイレンシングされた（図示せず）。 図１１Ａ〜１１Ｂは、ＤＯＸおよびタモキシフェン誘導性因子発現を示す。図１１Ａに示されるように、ヒト線維芽細胞は、ＤＯＸ誘導性因子を有するレンチウイルスベクターで感染された（Ｂｒａｍｂｒｉｎｋら、Ｃｅｌｌ Ｓｔｅｍ Ｃｅｌｌ Ｆｅｂ ７，２（２）：１５１−１５９（２００８））。ＤＯＸが培養物に加えられたとき、ｑＰＣＲによる分析は強力な因子発現を検出したのに対して、ＤＯＸの非存在下では、もしあったとしても、転写物はほとんど見られなかった。また、感染した線維芽細胞から誘導されたｉＰＳ細胞は、ＤＯＸ依存性発現を示した（右の２つのパネル）。図１１Ｂに示されるように、線維芽細胞は、ＳＯＸ２−ＥＲ融合構築物を含むベクターで感染された。培地へのタモキシフェン添加は、核への細胞質タンパク質の移行を生じ、薬物依存性タンパク質活性化を示す。 図１２Ａ〜１２Ｃは、ヒト線維芽細胞からのｉＰＳ細胞の生成を示す。図１２Ａに示されるように、ＯＣＴ４およびＮＡＮＯＧの発現はｑＰＣＲによって定量され、対照ｈｕＥＳ細胞におけるのと同様の範囲にあることが示された。図１２Ｂは、成人ヒト線維芽細胞から生成したｉＰＳ細胞の例を示す。ヒトｉＰＳ細胞は堅固なコロニーを形成し、ＳＳＥＡ４、ＴＲＡ １６０、およびＯＣＴ４について染色された。図１２Ｃは、ＳＣＩＤマウスへのｉＰＳ細胞の注入後に形成した分化した細胞型を有するテラトーマを示す。 図１３Ａ〜１３Ｃは、ポリシストロン性レトロウイルスベクターを介した４種の因子の形質導入後のマウス線維芽細胞の再プログラミングを示す。図１３Ａは、各々が２Ａ配列または３つもしくは２種の因子の様々な組合せによって分けられる、４種の転写因子、Ｓｏｘ２、Ｏｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびｃ−ｍｙｃを有するベクターの模式図を示す。図１３Ｂに示されるように、線維芽細胞は、パネルの上部に示された４種の因子のポリシストロン性ベクターおよび単一のＯｃｔ４ウイルスで同時感染された。再プログラミングされたｉＰＳ細胞は、アルカリホスファターゼ（ＡＰ）、ＳＳＥＡ１、Ｎａｎｏｇ、およびＯｃｔ４を発現した。図１３Ｃは、３つの独立したｉＰＳ系統のプロウイルス組込みについてのサザンブロット分析の結果を示す。ＤＮＡは、ベクターのＰＢＳ中で１回切断するＳｐｅＩで消化され（プロウイルスあたり１バンドを与える）、ブロットは、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、ｃ−ｍｙｃ、およびＯｃｔ４プローブで逐次的に探索された。系統４ＦＯ＃５および＃９は１つ、系統４ＦＯ＃１４は２つのポリシストロン性ベクターを有する（後者の１つは切断されており、５’ｃＭＹＣ配列を喪失していた）。しかしながら、Ｏｃｔ４プローブとのハイブリダイゼーションは、８から１１の間のさらなるＯｃｔ４プロウイルスを明らかにした。 図１３Ａ〜１３Ｃは、ポリシストロン性レトロウイルスベクターを介した４種の因子の形質導入後のマウス線維芽細胞の再プログラミングを示す。図１３Ａは、各々が２Ａ配列または３つもしくは２種の因子の様々な組合せによって分けられる、４種の転写因子、Ｓｏｘ２、Ｏｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびｃ−ｍｙｃを有するベクターの模式図を示す。図１３Ｂに示されるように、線維芽細胞は、パネルの上部に示された４種の因子のポリシストロン性ベクターおよび単一のＯｃｔ４ウイルスで同時感染された。再プログラミングされたｉＰＳ細胞は、アルカリホスファターゼ（ＡＰ）、ＳＳＥＡ１、Ｎａｎｏｇ、およびＯｃｔ４を発現した。図１３Ｃは、３つの独立したｉＰＳ系統のプロウイルス組込みについてのサザンブロット分析の結果を示す。ＤＮＡは、ベクターのＰＢＳ中で１回切断するＳｐｅＩで消化され（プロウイルスあたり１バンドを与える）、ブロットは、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、ｃ−ｍｙｃ、およびＯｃｔ４プローブで逐次的に探索された。系統４ＦＯ＃５および＃９は１つ、系統４ＦＯ＃１４は２つのポリシストロン性ベクターを有する（後者の１つは切断されており、５’ｃＭＹＣ配列を喪失していた）。しかしながら、Ｏｃｔ４プローブとのハイブリダイゼーションは、８から１１の間のさらなるＯｃｔ４プロウイルスを明らかにした。 図１３Ａ〜１３Ｃは、ポリシストロン性レトロウイルスベクターを介した４種の因子の形質導入後のマウス線維芽細胞の再プログラミングを示す。図１３Ａは、各々が２Ａ配列または３つもしくは２種の因子の様々な組合せによって分けられる、４種の転写因子、Ｓｏｘ２、Ｏｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびｃ−ｍｙｃを有するベクターの模式図を示す。図１３Ｂに示されるように、線維芽細胞は、パネルの上部に示された４種の因子のポリシストロン性ベクターおよび単一のＯｃｔ４ウイルスで同時感染された。再プログラミングされたｉＰＳ細胞は、アルカリホスファターゼ（ＡＰ）、ＳＳＥＡ１、Ｎａｎｏｇ、およびＯｃｔ４を発現した。図１３Ｃは、３つの独立したｉＰＳ系統のプロウイルス組込みについてのサザンブロット分析の結果を示す。ＤＮＡは、ベクターのＰＢＳ中で１回切断するＳｐｅＩで消化され（プロウイルスあたり１バンドを与える）、ブロットは、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、ｃ−ｍｙｃ、およびＯｃｔ４プローブで逐次的に探索された。系統４ＦＯ＃５および＃９は１つ、系統４ＦＯ＃１４は２つのポリシストロン性ベクターを有する（後者の１つは切断されており、５’ｃＭＹＣ配列を喪失していた）。しかしながら、Ｏｃｔ４プローブとのハイブリダイゼーションは、８から１１の間のさらなるＯｃｔ４プロウイルスを明らかにした。 図１４Ａ〜１４Ｅは、単一の４Ｆ２Ａポリシストロン性ウイルスを使用したマウスｉＰＳ細胞の生成を示す。図１４Ａは、一過性トランスフェクションによって試験されたＦＵＷレンチウイルス構築物を示す（以前の図面においてもまた示されている）。合計４種の２Ａペプチド（Ｆ２Ａ、Ｔ２Ａ、Ｅ２Ａ、およびＰ２Ａ）が使用された。図１４Ｂは、ＦＵＷ ２Ａレンチウイルスでの２９３細胞の一過性トランスフェクションを示す。細胞は４８時間後に収集し、ウェスタンブロット（ＷＢ）によって分析した。試験したすべての構築物において効率的なタンパク質発現が観察され、独特な２Ａペプチドが強固なタンパク質発現を支持することを示す。注記：Ｓｏｘ２タンパク質はＥＳ細胞においては検出されない。なぜなら、短い曝露のみが使用されたからである。図１４Ｃは、３つの型の２Ａペプチド（Ｐ２Ａ、Ｔ２Ａ、およびＥ２Ａ）を含む４Ｆ２Ａ ＤＯＸ誘導性レンチウイルスの模式図を示す。Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−ＭｙｃについてのマウスｃＤＮＡ。因子および２Ａペプチドのこの特定の配列は「４Ｆ２Ａ」と実質的に呼ばれる。図１４Ｄは、ＯＳＫＭ ４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡで３日間形質導入した細胞中でのｍＲＮＡ誘導のＲＴ−ＰＣＲ分析を示す。合計のＯｃｔ４またはＳｏｘ２誘導は、ＥＳ細胞と比較した４Ｆ２Ａ誘導のレベルを試験するために使用された。Ｅ２Ａ−ｃＭｙｃプライマーは、ウイルス特異的転写物を検出するために使用された。エラーバーは三連の反応の平均の標準偏差を表す。図１４Ｅは、３日間、４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡで形質導入されたＭＥＦのウェスタンブロット分析の結果を示す。４Ｆ２Ａ ＤＯＸ誘導性レンチウイルス＋ｒｔＴＡで感染された細胞は、ドキシサイクリン、ＤＯＸの添加の際に４種すべての再プログラミング因子を産生する。 図１５Ａ〜１５Ｃは、４Ｆ２Ａ ｉＰＳ細胞が多能性マーカーを発現することを図示する。図１５Ａに示されるように、Ｏｃｔ４タンパク質の免疫染色は、高力価感染が４Ｆ２Ａを用いて達成できることを示す。ＭＥＦは、４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡを用いる形質導入後２日間、ＤＯＸ培地中で培養された。図１５Ｂは、ＥＳ培地＋ＤＯＸ中で培養された４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡで形質導入されたＮａｎｏｇＧＦＰ−ＭＥＦにおける形態の変化を図示する。コロニーは、単一のウイルスで感染された細胞と同様にほぼ８日目に出現した。ＮａｎｏｇＧＦＰ＋コロニーは、２０日目のＤＯＸ培地の除去後、２５日目までに観察された。２つのカラムは、プレート上で観察された典型的なコロニーを示す。図１５Ｃは、多能性マーカーＡＰ、ＳＳＥＡ１、Ｏｃｔ４について陽性に染色する、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ ＭＥＦまたは１４週尾端線維芽細胞（ＴＴＦ）から生成した４Ｆ２Ａ ｉＰＳ系統を示し、内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座を再活性化した（ＭＥＦについてＧＦＰ＋およびＴＴＦについて免疫染色）。 図１６Ａ〜１６Ｃは、４Ｆ２Ａ ｉＰＳ細胞が多能性であり、１から３の間のプロウイルス組込みを含むことを図示する。図１６Ａは、４Ｆ２Ａ ＭＥＦ−ｉＰＳ系統＃１、２、および４のインビボ分化を示す。ＳＣＩＤマウスへの皮下注射後に誘導されるテラトーマの組織学的分析は、ｉＰＳ系統が３つすべての胚葉に寄与することを示す。図１６Ｂは、４Ｆ２Ａ ｉＰＳ系統＃４からのアグチコート色によって検出されるような、出生後キメラマウスへの中程度から高い程度の寄与を示す。図１６Ｃは、ＭＥＦ−ｉＰＳ細胞系統＃１〜４における４Ｆ２Ａプロウイルス組込みのサザンブロット分析の結果を示す。ｉＰＳ細胞ＤＮＡはＢａｍＨＩで消化された。４種すべてのプローブを使用する同じ分子量フラグメントのハイブリダイゼーションは、４Ｆ２Ａプロウイルスの存在を示す。赤色矢印は、４Ｆ２Ａの１つのプロウイルスコピーを含んだｉＰＳ系統＃４を強調する。＊は内因性対立遺伝子を示す。 図１７Ａ〜１７Ｅは、単一の４Ｆ２Ａポリシストロン性ウイルスを使用するヒトｉＰＳ系統の世代を示す。図１７Ａは、４Ｆ２Ａ（マウスｃＤＮＡを有する）＋ｒｔＴＡで形質導入された新生児ヒト包皮ケラチノサイト（ＮＨＦＫ）を示す。２２日目に単一のコロニーは拾い上げられかつ拡大され、ｈＥＳに類似するコロニーを生じた。これらのコロニーは拾い上げられ、安定なｈｉＰＳ系統が樹立された。図１７Ｂは、多能性マーカーＡＰ、Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、ＳＳＥＡ−４、Ｔｒａ１−６０、およびＴｒａ１−８１についてのＫｅｒ ｈｉＰＳ ＃１．１免疫染色を示す。ＤＡＰＩ染色は下のパネルである。図１７Ｃは、Ｋｅｒ ｈｉＰＳ ＃１．１の核型が正常４６ＸＹであることを図示する。図１７Ｄは、Ｋｅｒ ｈｉＰＳ ＃１．１のインビボ分化を示す。Ｋｅｒ ｈｉＰＳ ＃１．１によって生じたテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色。図１７Ｅは、Ｋｅｒ ｈｉＰＳ ＃１．１のインビトロ分化を示す。（左）６日間分化条件に曝露したＫｅｒ−ｉＰＳ ＃１．１誘導神経前駆細胞が、抗Ｔｕｊ１免疫染色（緑色）によって検出されるように最終分化した神経細胞を生じることを示す。（右）Ｋｅｒ−ｉＰＳ ＃１．１神経前駆細胞（ＮＰ）は自発的分化を受ける。ＮＰは抗Ｎｅｓｔｉｎ免疫染色によって検出され、分化した神経細胞は抗Ｔｕｊ１（赤色）によって検出された。両方の写真におけるＤＮＡのＤＡＰＩ染色は青色である。 図１８Ａ〜１８Ｂは、ＭＥＦ誘導ｉＰＳ系統のサザンブロットを示し、そしてｄｏｘ中止は、８日間がｉＰＳ系統を生成するために十分であることを示す。図１８Ａは、４Ｆ２Ａ ＭＥＦ ｉＰＳ系統のサザンブロット分析を示す。第２の消化（ＸｂａＩ）が実施され、プロウイルスコピー数を決定した。この消化において、ｉＰＳ系統＃２および＃４は、１プロウイルスコピーを示したが、しかしながら、＃４のみが両方の消化物中で１プロウイルスコピーを有した。図１８Ｂは、ｒｔＴＡ＋ＯＳＫＭによるＮａｎｏｇ ＧＦＰ ＭＥＦの感染後８日後のＤｏｘ中止は２つのｉＰＳ系統を生成したことを示す。両方ともが１〜２世代で生成した安定なｉＰＳ系統を生成した。 図１９は、ＭＥＦにおける４Ｆ２Ａを使用する再プログラミングの相対的有効性を示す。ＮａｎｏｇＧＦＰ ＭＥＦは、４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡで感染され、ＥＳ培地（＋／−ＤＯＸ）中で４８時間培養された。細胞は固定され、Ｏｃｔ４タンパク質で染色された。感染効率の見積もりはほぼ７０％であった。同じウイルスはまた、０．２ ５×１０＾６ Ｎａｎｏｇ ＧＦＰ ＭＥＦを感染させるためにも使用され、細胞はＤＯＸ上で２０日間培養した。２０日目のＤＯＸの中止後、ＧＦＰ＋コロニーは２５日目に計数され、３つのプレート１０、１０、および１７においてＧＦＰ＋コロニーが観察された。 図２０Ａ〜２０Ｂは、ケラチノサイト誘導性ヒトｉＰＳ系統の感染効率および多能性分析を図示する。図２０Ａは、４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡで感染され、ｈＥＳ培地＋ＤＯＸ中で４８時間培養されたケラチノサイトにおけるＯｃｔ４免疫染色によって検出されるような２回の実験からの感染効率を示す。感染の効率は、Ｏｃｔ４タンパク質について陽性である細胞の画分に基づいてほぼ１０〜２０％であった。図２０Ｂは、ｈＥＳにおいて発現された多能性マーカーについて陽性であるヒトｉＰＳ系統染色を示す（Ｋｅｒ ｉＰＳ ＃３は示されていない）。 図２１Ａ〜２１Ｂは、ケラチノサイト誘導性ヒトｉＰＳ系統のプロウイルスのコピー数を示す。図２１Ａは、Ｋｅｒ−ｉＰＳ系統のサザンブロット分析を示す。１０ｍｇのゲノムＤＮＡが収集され、ＸｂａＩで消化された。同じ分子量フラグメントのハイブリダイゼーションは、４Ｆ２Ａプロウイルスの存在を示す。Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃについてのプローブは、２（＃１．１）および１（＃３）プロウイルスコピーを示唆した。２つのｉＰＳ系統の間で観察された共通のバンドは、これらが独立した感染から誘導されたため、ウイルス組込みではなかった。図２１Ｂは、Ｋｅｒ−ｉＰＳ系統のサザンブロット分析を示す。１０ｍｇのゲノムＤＮＡが収集され、ＢａｍＨＩで消化された。同じ分子量フラグメントのハイブリダイゼーションは、４Ｆ２Ａプロウイルスの存在を示す。Ｏｃｔ４およびｃ−Ｍｙｃについてのプローブは３（＃１．１）および２（＃３）プロウイルスコピーを示す。 図２２は、所定のゲノム位置において単一のポリシストロン性構築物を用いてｉＰＳ細胞を生成するためのストラテジーを図示する。 図２３Ａ〜２３Ｂは、ウイルス形質導入を伴うことなく再プログラミングを可能にする、ＤＯＸ誘導性ベクターを有する二次線維芽細胞の生成を示す。図２３Ａに図示されるように、ＯＣＴ４遺伝子座にＧＦＰを有する「一次」線維芽細胞は、ｔｅｔ ｒｔＴＡトランス活性化因子を有するベクターと同様に、ＤＯＸ誘導性ベクターを使用して４つすべての因子で形質導入され、「一次」ｉＰＳ細胞がＤＯＸ誘導後に生成された。細胞は、ＤＯＸの非存在下で、一次ｉＰＳ細胞の逸脱を許容した同じベクターの組合せを有する「二次」線維芽細胞に分化された。図２３Ｂに示されるように、二次線維芽細胞を二次ｉＰＳ細胞に再プログラミングすることは、新たなウイルスでの感染の代わりに、プロウイルスのＤＯＸ誘導のみを必要とする。 図２４は、ベクター媒介因子導入を伴わない再プログラミングを示す。一次線維芽細胞は、ＯＣＴ４−ＧＦＰマーカー、ｔｅｔトランス活性化因子Ｍ２ｒｔＴＡ、およびＣＯＬｌＡ１遺伝子座に挿入された図１３に記載されている３つの再プログラミング因子（この例では、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ｃＭＹＣ）を発現するＤＯＸ誘導性ポリシストロン性構築物を有するｈｕＥＳ細胞から誘導される。これらの細胞は、ＫＦ４ ｃＤＮＡを有する２Ｌｏｘ部位（Ｖｅｎｔｕｒａら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ、Ｊｕｌ １３；１０１（２８）：１０３８０−５（２００４））によって隣接されるベクターで感染される。ＤＯＸ処理は一次ｉＰＳ細胞を生成し、これは、Ｃｒｅ発現後、ＫＬＦ４ベクターを削除する。二次線維芽細胞が誘導され、これは、ＤＯＸ処理に際して、削除されたＫＬＦ４因子を置き換える小分子についてのスクリーニングを可能にする。 図２５は、異なるマーカーについての試験によって再プログラミングの効率を定量するためのスキームを示す。ＯＣＴ４遺伝子座にＧＦＰおよびｐｕｒｏマーカーを有する細胞は、３つまたは４つの因子で形質導入された。薬物耐性またはＧＦＰ陽性コロニーの画分、およびアルカリホスファターゼ（ＡＰ）、ＳＳＥＡ４、ＴＲＡ６１、またはＮａｎｏｇについて染色する細胞の出現は、感染後の異なる時点における細胞集団中で決定された。 図２６は、独立して誘導できる因子を有する二次線維芽細胞を使用して小分子をスクリーニングすることを図示する。ウイルスＭ２ｒｔＴＡおよびＯＣＴ４−ＧＦＰマーカーを有する一次線維芽細胞は、３つの因子を形質導入するタモキシフェン誘導性ベクターで、および第４の因子（この場合はｃＭＹＣ）を形質導入するＤＯＸ誘導性ベクターで形質導入される。一次ｉＰＳ細胞は、タモキシフェンおよびＤＯＸ中の培養によって誘導され、二次線維芽細胞が誘導される。これらの細胞は、タモキシフェン中で培養された場合、二次ｉＰＳ細胞に再プログラミングすることのために、ｃＭＹＣを置き換える小分子についてスクリーニングできる。 図２７Ａ〜２７Ｃは、ＰＤ患者からの線維芽細胞から誘導されたＤＯＸ誘導性ｈｉＰＳＣの特徴付けを示す。図２７Ａは、多能性マーカーＳＳＥＡ４、Ｔｒａ−１−６０、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧについてのｈｉＰＳＣ系統Ｍ３Ｆ−１（非ＰＤ ｈｉＰＳＣ）、ＰＤＡ３Ｆ−１、ＰＤＢ３Ｆ−５、ＰＤＣ３Ｆ−１、ＰＤＤ３Ｆ−１、およびＰＤＥ３Ｆ−３の位相差写真および免疫染色を示す。図２８Ａは、独立したｈｉＰＳＣ系統、ｈＥＳＣ、および一次線維芽細胞における内因性多能性関連遺伝子ＮＡＮＯＧ、ＯＣＴ４、およびＳＯＸ２の再活性化についての定量的ＲＴ−ＰＣＲを示す。相対的な発現レベルは、線維芽細胞中のこれらの遺伝子の発現に標準化された。図２８Ｃは、ＯＣＴ４プロモーター領域のメチル化分析を示す。明るい灰色の四角形はメチル化されていないものを示し、黒い四角形は、ｈｉＰＳＣおよび親の一次線維芽細胞のＯＣＴ４プロモーター中のメチル化されたＣｐＧを示す。 図２８Ａ〜２８Ｃは、ＰＤ患者誘導性ｈｉＰＳＣが低コピー数のウイルス組込みを有することを図示する。図２８Ａは、ｈｉＰＳＣ系統Ａ６（非ＰＤ ｈｉＰＳＣ）、ＰＤＡ３Ｆ−１、ＰＤＢ３Ｆ−１、ＰＤＣ３Ｆ−１、ＰＤＤ３Ｆ−１、およびＰＤＥ３Ｆ−３から生成されたテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示し、これは以下を示す：上の行のパネル：色素を有する神経上皮；２番目の行のパネル：神経ロゼット；３番目の行のパネル：腸上皮；４番目の行のパネル：骨／軟骨；下の行のパネル：平滑筋。図２８Ｂは、ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、ＳＯＸ２、およびｃ−ＭＹＣに対する３２Ｐ−標識されたＤＮＡプローブを使用する、ＸｂａＩ消化されたゲノムＤＮＡのプロウイルス組込みについてのｈＥＳＣ系統ＢＧ０１、マウス胚性線維芽細胞（ＭＥＦ）支持細胞、および示されたＰＤ患者によって誘導されたｈｉＰＳＣ（および非ＰＤ ｈｉＰＳＣ系統Ｍ３Ｆ−１）のサザンブロット分析の結果を示す。図２８Ｃは、２８Ｂに示されるサザンブロット分析に基づいてｈｉＰＳＣにおける４つの再プログラミング因子についてのプロウイルス組込みのおよその数を要約する表である。 図２８Ａ〜２８Ｃは、ＰＤ患者誘導性ｈｉＰＳＣが低コピー数のウイルス組込みを有することを図示する。図２８Ａは、ｈｉＰＳＣ系統Ａ６（非ＰＤ ｈｉＰＳＣ）、ＰＤＡ３Ｆ−１、ＰＤＢ３Ｆ−１、ＰＤＣ３Ｆ−１、ＰＤＤ３Ｆ−１、およびＰＤＥ３Ｆ−３から生成されたテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示し、これは以下を示す：上の行のパネル：色素を有する神経上皮；２番目の行のパネル：神経ロゼット；３番目の行のパネル：腸上皮；４番目の行のパネル：骨／軟骨；下の行のパネル：平滑筋。図２８Ｂは、ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、ＳＯＸ２、およびｃ−ＭＹＣに対する３２Ｐ−標識されたＤＮＡプローブを使用する、ＸｂａＩ消化されたゲノムＤＮＡのプロウイルス組込みについてのｈＥＳＣ系統ＢＧ０１、マウス胚性線維芽細胞（ＭＥＦ）支持細胞、および示されたＰＤ患者によって誘導されたｈｉＰＳＣ（および非ＰＤ ｈｉＰＳＣ系統Ｍ３Ｆ−１）のサザンブロット分析の結果を示す。図２８Ｃは、２８Ｂに示されるサザンブロット分析に基づいてｈｉＰＳＣにおける４つの再プログラミング因子についてのプロウイルス組込みのおよその数を要約する表である。 図２９Ａ〜２９Ｃは、ｌｏｘＰ切除可能再プログラミング因子を使用した、ＰＤ患者によって誘導されるｈｉＰＳＣの世代を示す。図２９Ａは、ＤＯＸ誘導性レンチウイルス構築物ＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｌｏｘＰの模式図、プロウイルス組込み後（２ｌｏｘ）およびＣｒｅリコンビナーゼ媒介性切除後（１ｌｏｘ）のゲノム遺伝子座である。ＦＵＷ−ＴｅｔＯ−ｌｏｘＰベクターは、最小ＣＭＶプロモーターの５’に位置するテトラサイクリン応答性エレメント（ＴＲＥ）、および診断用サザンブロット消化のために使用される独特なＭｆｅＩ部位を含む。再プログラミング因子はＥｃｏＲＩ制限部位によって隣接される。このレンチウイルスベクターの３’ＬＴＲは単一のｌｏｘＰ部位を含み、これは、５’ＬＴＲへのプロウイルス複製の間に重複される。この重複は、プロウイルスのゲノム組込み後（２ｌｏｘ）、２ｌｏｘＰ部位によって隣接されている導入遺伝子を生じる。このことは、Ｃｒｅリコンビナーゼを使用して完全なプロモーター配列と組合せて導入遺伝子の切除を可能にする（１ｌｏｘ）（ＷＲＥ＝ウッドチャック応答エレメント）。図２９Ｂは、多能性マーカーＳＳＥＡ４、Ｔｒａ−１−６０、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧについて、ｈｉＰＳＣ系統ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ−２１の位相差写真および免疫蛍光染色を示す。ＰＤＢ２１ｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１は、Ａにおいて示されるＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｌｏｘＰウイルスからの３種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＫＬＦ４の発現によって誘導される。これらの細胞において、３種すべての再プログラミング因子は、それらのゲノム組込み部位において、ｌｏｘＰ部位によって隣接されている。図２９Ｃは、切除可能な再プログラミング因子を有するＰＤＢ２ｌｏｘ−１７細胞およびＰＤＢ２１ｏｘ−２１細胞から生成したテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示す。 図３０Ａ〜３０Ｄは、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣの生成および特徴付けを示す。図３０Ａは、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣを生成するために導入遺伝子のＣｒｅ媒介性切除の模式的概観である。ＩＰＳ ＰＤＢ２ｌｏｘ細胞は、３種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２を形質導入するＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｌｏｘＰレンチウイルスベクターを使用して誘導される。図３０Ｂは、親の線維芽細胞（ＰＤＢ）のプロウイルス組込み、プロウイルスが有するＰＤＢ２１ｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および導入遺伝子のＣｒｅリコンビナーゼ媒介性切除後の示されるＰＤＢ１ｌｏｘクローンについてのサザンブロット分析を示す。ｐｕｒｏはＰＤＢ１ｌｏｘクローンを示し、これはピューロマイシン選択によって単離され；ＧＦＰはＥＧＦＰについてのＦＡＣＳソーティングによって単離されたＰＤＢ１ｌｏｘクローンを示す（３０Ａに示されるように）。ゲノムＤＮＡはＸｂａＩで消化され、ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２に対する３２Ｐ標識ＤＮＡプローブを使用してプロウイルス組込みについて探索された。青色で示されたＰＤＢ１ｌｏｘクローンは、図３４に示されるＭｆｅＩ消化物に基づいて、残っている導入遺伝子組込みのために無視された。図３０Ｃは、ｈｉＰＳＣ系統ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５の細胞遺伝学的分析を示し、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−１２は、導入遺伝子のＣｒｅ媒介性切除後に正常核型を示す。図３０Ｄは、因子を含まないｈｉＰＳＣの生成の要約である。 図３１Ａ〜３１Ｅは、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣの特徴付けを示す。図３１Ａは、多能性マーカーＳＳＥＡ４、Ｔｒａ−１−６０、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧについての再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣ系統であるＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５およびＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−１２の位相差写真および免疫蛍光染色を示す。図３１Ｂは、ｈＥＳＣ、線維芽細胞（ＰＤＢ）、プロウイルスが運ぶＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および導入遺伝子のＣｒｅリコンビナーゼ媒介性切除後の示されたＰＤＢ１ｌｏｘクローンにおける、内因性多能性関連遺伝子ＮＡＮＯＧ、ＯＣＴ４、およびＳＯＸ２の再活性化のために定量用ＲＴ−ＰＣＲを示す。相対的発現レベルは、線維芽細胞におけるこれらの遺伝子の発現に対して標準化された。図３１Ｃは、因子を含まないＰＤＢ１ｌｏｘ−１７ｐｕｒｏ−５細胞およびＰＤＢ１ｌｏｘ−２１ｐｕｒｏ−２６細胞から生成したテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示す。図３１Ｄは、ｈＥＳＣ（ＢＧ０ｌ）、一次線維芽細胞（ＰＤＢ）、一次感染線維芽細胞（ＰＤＤ３Ｆ＋／−ＤＯＸ）、ｈｉＰＳＣ（Ｍ３Ｆ３−１）、ＰＤ誘導性ｈｉＰＳＣ（ＰＤＡ３Ｆ−１、ＰＤＢ３Ｆ−５、ＰＤＣ３Ｆ−１、ＰＤＤ３Ｆ−１、ＰＤＥ３Ｆ−３）、プロウイルスが運ぶＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および再プログラミング因子を含まないＰＤＢ１ｌｏｘクローン（ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５、ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−３１、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−１２、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２０）におけるＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２の残渣の導入遺伝子発現についての定量的ＲＴ−ＰＣＲを含む。相対的発現レベルは、一次感染繊維芽細胞におけるＤＯＸ誘導性発現に標準化される。図３１Ｅは、それぞれｈＥＳＣ（Ｈ９、ＢＧ０１）と比較されたプロウイルスによって運ばれるＰＤＢ２ｌｏｘ系統（ＰＤＢ２ｌｏｘ−５、ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２２）の間、またはｈＥＳＣ（Ｈ９、ＢＧ０１）と比較された再プログラミング因子を含まないＰＤＢｌｏｘ系統（ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５、ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−１０、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２０、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２６）の間の、示差的に発現された遺伝子の数（偽発見率について補正した、中程度のｔ検定によって決定されたｐ＜０．０５）を表示するＶｅｎｎダイアグラムである。 図３１Ａ〜３１Ｅは、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣの特徴付けを示す。図３１Ａは、多能性マーカーＳＳＥＡ４、Ｔｒａ−１−６０、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧについての再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣ系統であるＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５およびＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−１２の位相差写真および免疫蛍光染色を示す。図３１Ｂは、ｈＥＳＣ、線維芽細胞（ＰＤＢ）、プロウイルスが運ぶＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および導入遺伝子のＣｒｅリコンビナーゼ媒介性切除後の示されたＰＤＢ１ｌｏｘクローンにおける、内因性多能性関連遺伝子ＮＡＮＯＧ、ＯＣＴ４、およびＳＯＸ２の再活性化のために定量用ＲＴ−ＰＣＲを示す。相対的発現レベルは、線維芽細胞におけるこれらの遺伝子の発現に対して標準化された。図３１Ｃは、因子を含まないＰＤＢ１ｌｏｘ−１７ｐｕｒｏ−５細胞およびＰＤＢ１ｌｏｘ−２１ｐｕｒｏ−２６細胞から生成したテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示す。図３１Ｄは、ｈＥＳＣ（ＢＧ０ｌ）、一次線維芽細胞（ＰＤＢ）、一次感染線維芽細胞（ＰＤＤ３Ｆ＋／−ＤＯＸ）、ｈｉＰＳＣ（Ｍ３Ｆ３−１）、ＰＤ誘導性ｈｉＰＳＣ（ＰＤＡ３Ｆ−１、ＰＤＢ３Ｆ−５、ＰＤＣ３Ｆ−１、ＰＤＤ３Ｆ−１、ＰＤＥ３Ｆ−３）、プロウイルスが運ぶＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および再プログラミング因子を含まないＰＤＢ１ｌｏｘクローン（ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５、ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−３１、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−１２、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２０）におけるＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２の残渣の導入遺伝子発現についての定量的ＲＴ−ＰＣＲを含む。相対的発現レベルは、一次感染繊維芽細胞におけるＤＯＸ誘導性発現に標準化される。図３１Ｅは、それぞれｈＥＳＣ（Ｈ９、ＢＧ０１）と比較されたプロウイルスによって運ばれるＰＤＢ２ｌｏｘ系統（ＰＤＢ２ｌｏｘ−５、ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２２）の間、またはｈＥＳＣ（Ｈ９、ＢＧ０１）と比較された再プログラミング因子を含まないＰＤＢｌｏｘ系統（ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−５、ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７Ｐｕｒｏ−１０、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２０、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ−２６）の間の、示差的に発現された遺伝子の数（偽発見率について補正した、中程度のｔ検定によって決定されたｐ＜０．０５）を表示するＶｅｎｎダイアグラムである。 図３２Ａ〜３２Ｄは、８日間の導入遺伝子発現が一次感染後のヒト線維芽細胞を再プログラムするために十分であることを示す。図３２Ａは、４種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、ＳＯＸ２、およびｃ−ＭＹＣで形質導入された一次線維芽細胞（ＰＤＢ）の免疫蛍光染色を示す。細胞は固定され、ＤＯＸ誘導性導入遺伝子発現後の異なる時点で（上のパネルは８日目；下のパネルは１０日目）、ＮＡＮＯＧ（赤色）およびＴｒａ−１−６０（緑色）の発現について染色された。ＮＡＮＯＧ／Ｔｒａ−１−６０陽性細胞は、８日目より前またはＤＯＸで処理しなかった培養中では検出されなかった。ＮＡＮＯＧおよびＴｒａ−１−６０コロニーはまた、より後の時点（１２日目、１４日目、１６日目、１８日目、２０日目）に染色されたすべての培養中でも検出可能であった。図３２Ｂは、ｈｉＰＳＣクローンのＰＤＢ４Ｆ−１およびＰＤＢ３Ｆ−１２ｄの多能性関連マーカーＳＳＥＡ４、ＴＲＡ−１−６０、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧの免疫蛍光染色を示す。導入遺伝子発現のための一時的な要件を決定するために、一次線維芽細胞（ＰＤＢ）は、再プログラミング因子を有するＤＯＸ誘導性レンチウイルスで感染された。導入遺伝子発現は、ＤＯＸの添加によって誘導された。異なる時点で、培地はＤＯＸを含まないｈＥＳＣ培地に交換され、ｉＰＳＣは初期のＤＯＸ添加の２４日後に単離された。左のパネルは、４種の再プログラミング因子で形質導入され、かつ８日間ＤＯＸに曝露された培養物から単離されたｈｉＰＳＣクローンＰＤＢ４Ｆ−１を示す。右のパネルは、３種の再プログラミング因子で形質導入され、かつ１２日間ＤＯＸに曝露された培養物から単離されたｈｉＰＳＣ クローンＰＤＢ３Ｆ−１２ｄを示す。図３２Ｃは、以下の系統：ｈｉＰＳＣ系統ＰＤＢ４Ｆ−１およびＰＤＢ４Ｆ−２、Ｄ４、Ａ６、ｈＥＳＣ、ならびに一次線維芽細胞において多能性関連遺伝子ＮＡＮＯＧ、ＯＣＴ４、およびＳＯＸ２の再活性化についての定量的ＲＴ−ＰＣＲを示す。相対的発現レベルは、線維芽細胞におけるこれらの遺伝子の発現に対して標準化された。ＰＤＢ４Ｆ−１およびＰＤＢ４Ｆ−２ ｉＰＳＣは、４種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４、およびｃ−ＭＹＣの導入遺伝子発現の８日後に単離された。図３２Ｄは、ｈｉＰＳＣ系統ＰＤＢ３Ｆ−１２ｄおよびＰＤＢ４Ｆ−２から生成したテラトーマ切片のヘマトキシリンおよびエオシン染色を示す。ＰＤＢ３Ｆ−１２ｄは、３種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４の１２日間のＤＯＸ誘導性導入遺伝子発現によって誘導された。ＰＤＢ４Ｆ−２は、４種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４、およびｃ−ＭＹＣの８日間のＤＯＸ誘導性導入遺伝子発現によって誘導された。 図３３は、Ｃｒｅリコンビナーゼで切除可能なウイルス再プログラミング因子を有するｈｉＰＳＣの生成を示す。ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２に対する３２Ｐ標識ＤＮＡプローブを使用するＸｂａＩ消化ゲノムＤＮＡのプロウイルス組込みについての、示されたｉＰＳ ＰＤＢ２ｌｏｘクローンのサザンブロット分析。すべてのＰＤＢ２ｌｏｘクローンは、３種の再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＫＬＦ４について、Ｃｒｅリコンビナーゼで切除可能なレンチウイルスベクター（ＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｌｏｘＰ）を用いるレトロウイルス形質導入によって誘導された。 図３４は、ｈｉＰＳＣにおける再プログラミング因子の切除についてのサザンブロット分析を示す。親の線維芽細胞（ＰＤＢ）、プロウイルスに運ばれるＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、および導入遺伝子のＣｒｅリコンビナーゼ媒介切除後に示されるＰＤＢ１ｌｏｘクローンのプロウイルス組込みのサザンブロット分析。ｐｕｒｏはピューロマイシン選択によって単離されたクローンを示し；ＧＦＰはＥＧＦＰについてのＦＡＣＳソーティングによって単離されたクローンを示す（図５Ａに示されるものと同様）。ゲノムＤＮＡはＭｆｅＩで消化され、ＯＣＴ４、ＫＬＦ４、およびＳＯＸ２に対する３２Ｐ標識されたＤＮＡプローブを使用してプロウイルス組込みについて探索された。サザンブロット分析に基づいて、青色で示されたＰＤＢ１ｌｏｘクローン（ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７ＧＦＰ−１０、ＰＤＢ１ｌｏｘ−１７ＧＦＰ−１８、ＰＤＢ１ｌｏｘ−２１Ｐｕｒｏ３５、およびＰＤＢ１ｌｏｘ−２１ＧＦＰ−２８）は、部分的に欠失されたか、または導入遺伝子の部分的欠失を有する混合された細胞集団であると見なされた。 図３５は、ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡのサザンブロット分析を示す。親の線維芽細胞（ＰＤＢ）、プロウイルスが運ぶＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）、およびＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡのプロウイルス組込みのための示されたＰＤＢ１ｌｏｘクローンのサザンブロット分析。ｐｕｒｏはピューロマイシン選択によって単離されたクローンを示し；ＧＦＰはＥＧＦＰについてＦＡＣＳソーティングによって単離されたクローンを示す（図３０Ａにおいて示されるように）。ゲノムＤＮＡはＭｆｅＩで消化され、ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡに対する３２Ｐ標識ＤＮＡプローブを使用してプロウイルス組込みについて探索された。
表１：因子が形質導入された胚性または成体ヒト線維芽細胞から誘導されたヒトｉＰＳ細胞。線維芽細胞は、異なる組合せの因子を形質導入する構成的またはＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクターで感染された。５０個から１００個の間のクローンが各実験において拾い上げられた。ウイルス取込みのためのサザンブロットは、ｉＰＳ系統が独立して感染した線維芽細胞から誘導されたことを示した（Ｏ＝ＯＣＴ４、Ｓ＝ＳＯＸ２、Ｋ＝ＫＬＦ４、Ｍ＝Ｃ−ＭＹＣ、Ｌ＝ＬＩＮ２８、Ｎ＝ＮＡＮＯＧ）。
表２：この提案において使用されるトランスジェニックヒトＥＳまたはｉＰＳ細胞系統の要約。異なる因子の組合せを有するＤＯＸ誘導性ポリシストロン性ベクターは、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座の３’ＵＴＲに組み込まれ、またはＧＦＰがＯＣＴ４遺伝子座もしくは示された神経特異的遺伝子に挿入される。この表はまた、細胞が使用される特定の目的を示す。
発明の詳細な説明
２００８年４月７日に出願されたＰＣＴ出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ０８／００４５１６および２００４年１１月２４日に出願された米国特許出願１０／９９７，１４６は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。本明細書に記載される本発明の種々の実施形態および態様が、本発明のすべての異なる態様および実施形態に適用可能であることが意図される。適切な場合にはいつでも、これらの実施形態または態様のいずれかが、１つ以上の他のこのような実施形態または態様と自由に組合せることができることもまた意図される。
多能性の誘導の研究は、遺伝的に不均一な細胞集団を生じる高力価レトロウイルスベクターを用いる感染の必要性によって複雑にされる。本発明者らは、規定されたドキシサイクリン（ｄｏｘ）誘導性導入遺伝子として、再プログラミング因子を有する遺伝的に均質な「第２の」体細胞を生成した。これらの細胞は、ｄｏｘ誘導性レンチウイルスで線維芽細胞を感染させること、ｄｏｘ添加による再プログラミング、ｉＰＳ細胞を選択すること、およびキメラマウスを産生することによって産生された。これらのキメラから誘導された細胞は、ウイルス感染の必要性なしで、ｄｏｘ曝露に際して効率的に再プログラムする。この系を利用して、本発明者らは、（ｉ）様々な誘導レベルの再プログラミング因子が多能性を誘導し得ること、（ｉｉ）導入遺伝子活性の持続時間は再プログラミング効率と直接的に相関すること、（ｉｉｉ）多くの体細胞組織からの細胞は再プログラミングできること、および（ｉｖ）異なる細胞型が異なる誘導レベルを必要とすることを実証する。この系は、再プログラミングの特徴付けを容易にし、再プログラミングを増強するため、または個々の因子を置き換えるための遺伝的または化学的スクリーニングのための独特なプラットフォームを提供する。
マウス１−４およびヒト５−８線維芽細胞が、４種の転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃのレトロウイルス媒介性導入を通して、多能性状態に再プログラムできることが最近示されてきた。再プログラミングはまた、効率が減少しているが９、１０、ｃ−Ｍｙｃの非存在下でも達成できる。それにも関わらず、これらのアプローチを用いても、４種すべての因子で感染された非常に小さい画分の細胞のみが、最終的に再プログラムする１１。ランダムウイルス感染は、感染した細胞培養物中で遺伝的な不均一性を生じ、これがおそらく、誘導された多能性幹（ｉＰＳ）細胞形成の低頻度の観察において顕著な役割を果たしている。それゆえに、着実に再プログラムされる細胞は、内因性多能性遺伝子の再活性化によって１−３、または形態学的判断基準に基づいて１１、１２、選択されなければならない。この再プログラミングプロセスは、ウイルス形質導入後、約１０〜１２日間の導入遺伝子発現の持続を必要とすることが示されており、アルカリホスファターゼおよび段階特異的胚性抗原（ＳＳＥＡ１）の最初の活性化を伴う多能性マーカーの逐次的な活性化に従うものであり、内因性Ｏｃｔ４およびＮａｎｏｇ遺伝子の再活性化が続き、その後、これらの培養物は、導入遺伝子活性の非存在下で、多能性状態を持続できる１３、１４。
ランダムに感染された線維芽細胞の細胞および遺伝子の不均一性は、再プログラミングの間に起こる重要な分子事象の探索を複雑にし、高スループット分析のために必要とされる拡張性を制限する。これらの問題を克服するために、本発明者らは、いかなるさらなる遺伝的な干渉を伴うこともなく、再プログラミングに感受性である、遺伝的に同一である細胞集団を生成するための系を開発した。この目的のために、一次線維芽細胞は、４種の再プログラミング因子をコードする、ドキシサイクリン誘導性レンチウイルスで感染させた。胚盤胞注入後、再プログラムされた線維芽細胞からクローン的に誘導された組織型からなるキメラマウスが生成された。これらのマウスから、再プログラミングのために許容され得るあらかじめ選択されたベクター統合を有する、均質なドナー細胞集団が誘導でき、再プログラミング因子の直接的なウイルス形質導入の必要性なしで、主要な細胞型の強固かつ単純なドキシサイクリン誘導性再プログラミングを可能にする。この技術は、大量の遺伝的に同一なドナー細胞の生成を容易にし、再プログラミングを改善するために遺伝的または化学的なスクリーニングの適用のための強力なプラットフォームを提示する。加えて、同じアプローチは、多能性の再プログラムされた線維芽細胞１５における１つの特定の因子の遺伝的欠失によって、４種の因子の各々を置き換える小分子についてスクリーニングするために利用できる。さらに、このツールは、線維芽細胞培養に限定されないが、原理的には、すべての他の体細胞型に同様に適用でき、リンパ球または腸上皮細胞などの、レトロウイルスで感染させることが困難である細胞型に遺伝子を誘導するための魅力的な方法を提供する。
結果
薬物誘導性再プログラミングのための遺伝的に均質な細胞集団の生成
プロウイルス組込みの数および位置に関して均質である細胞集団を生成するために、本発明者らは、ドキシサイクリン（ｄｏｘ）誘導性導入遺伝子系１６、１７を利用し、４種の再プログラミング因子をコードするｄｏｘ誘導性レンチウイルスベクターを構築した。内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座に標的化されたグリーン蛍光タンパク質（ＧＦＰ）（ＮＧＦＰ）に加えて、リバーステトラサイクリントランス活性化因子と、ＲＯＳＡ遺伝子座に標的化されたＰＧＫプロモーターによって駆動されるピューロマイシン耐性遺伝子（ＲＯＳＡ−Ｍ２ｒｔＴＡ）の両方を含むマウス胚性線維芽細胞（ＭＥＦ）は、４種のレンチウイルスで感染された。同様に、本発明者らは、Ｉ型コラーゲン遺伝子座に標的化されたテトラサイクリンオペレーターの制御下にあるＯｃｔ４ ｃＤＮＡ、および内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座にネオマイシン耐性遺伝子１、１８（ＮＮｅｏ）を有するＲｏｓａ−Ｍ２ｒｔＴＡ
ＭＥＦに、Ｋｌｆ４、Ｓｏｘ２、およびｃ−Ｍｙｃをコードするｄｏｘ誘導性レンチウイルスを感染させた（図１ａ）。
ウイルス形質導入後、ドキシサイクリンは、導入遺伝子を活性化し、再プログラミングプロセスを開始するために培養培地に加えられた。予想された通り、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ陽性かつＮａｎｏｇ−ｎｅｏ耐性ｉＰＳコロニーが出現し、クローン性ｉＰＳ細胞系統が樹立された。すべてのｉＰＳ細胞がｄｏｘの非存在下で拡大でき、アルカリホスファターゼ活性を示し、そして多能性マーカーＳＳＥＡ１およびＮａｎｏｇを均質に発現した（図示せず）。このことは、これらの「一次」ｉＰＳ細胞系統がそれらの内因性多能性コア転写ネットワークを活性化したこと、およびもはや４種の再プログラミング因子の外因的発現に依存しなかったこと１９を示す。一次線維芽細胞において再プログラミングを達成することが知られている同一のプロウイルス挿入を有する遺伝的に均質な細胞から構成される体細胞組織を生成するために、本発明者らは、これらのクローン性一次ｉＰＳ系統のいくつかを胚盤胞に注入した。得られるｄｏｘ誘導性ｉＰＳ細胞キメラは、Ｅ１３．５まで妊娠させ、その時点でＭＥＦが単離された。次いで、ピューロマイシン選択が使用されて、宿主胚盤胞から誘導された細胞に対して選択され、ｉＰＳ誘導性細胞のみを残した。本発明者らは、このような細胞を「二次」ＭＥＦと称する。なぜなら、これらは、一次ｉＰＳから誘導され、従って、体細胞を再プログラムすることが可能であるプロウイルス挿入の特定のセットを有するからである（図１Ａ）。
二次ＭＥＦは、３種の別個のクローン性一次ｉＰＳ細胞系統（１つはＮａｎｏｇ−ｎｅｏ系統および２つはＮａｎｏｇ−ＧＦＰ系統）から生成されたキメラｉＰＳ細胞胚から単離され、組込まれたレンチウイルスベクターは、発生している胚における分化後に後成的再プログラミングを媒介するための能力を保持していたか否かを決定するために、ｄｏｘの存在下で培養された。これらの培養へのｄｏｘの添加は、劇的な形態学的変化を開始し、そして「二次」ｉＰＳ細胞系統は、ｎｅｏ選択またはＧＦＰ発現によってこれらの培養から効率的に単離され、続いて、ｄｏｘの非存在下で増殖された。免疫蛍光は、二次ｉＰＳ細胞が、ＥＳ細胞多能性マーカー、アルカリホスファターゼ、ＳＳＥＡ１、および内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子を再活性化したことを実証した（図１Ｂおよび図６）。これらの細胞系統の多能性は、テラトーマ形成アッセイにおける内胚葉系統、外胚葉系統、および中胚葉系統の細胞を形成するそれらの能力によって、ならびに胚盤胞注入の際に成体キメラマウスに寄与するそれらの能力によって確認された（図１Ｃ、１Ｄ）。
導入遺伝子誘導レベル、再プログラミングの反応速度論、および効率は、別個のｉＰＳ細胞系統から誘導された二次ＭＥＦ間で変化する
３種すべてのｄｏｘ誘導性ｉＰＳ細胞系統から誘導された二次ＭＥＦは二次ｉＰＳ細胞系統を形成するように再プログラミングを受けた間、本発明者らは、ｄｏｘ処理後のそれらの形態学的変化および増殖速度に関する違いに気付いた。最初に、両方のＮａｎｏｇ−ＧＦＰ系統からのＭＥＦは、ｄｏｘへの曝露後、増殖してコンフルエント線維芽細胞単層を形成した。次いで、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ系統３（ＮＧＦＰ３）からの細胞は、懸濁中の細胞の増殖を含む、強固なコンフルエント後増殖を受けたのに対し、ＮａｎｏｇＧＦＰ系統２（ＮＧＦＰ２）からの細胞はより遅く増殖し、控えめな、アルカリホスファターゼ陽性であり、ＥＳ様のコロニーを線維芽細胞単層上に形成した（図２Ａ）。Ｎａｎｏｇ−ｎｅｏ系統から誘導された線維芽細胞は、ｄｏｘ添加の際に決してコンフルエント単層を形成しなかったが、しかし、大きな三次元コロニーを生成した。ｄｏｘ投与の１２日後、ＥＳ細胞形態を有するｉＰＳ細胞コロニーは、ＥＳ細胞形態を有するｉＰＳ細胞コロニーが３つすべての培養において容易に見られた（図２Ａ、矢印）。
より詳細に再プログラミングの反応速度論を評価するために、３つの系統からのＭＥＦはｄｏｘ含有培地中で培養され、フローサイトメトリー分析が利用されて、ＳＳＥＡ１およびＧＦＰの再活性化をモニターした（図２Ｃ）。３つすべての二次ＭＥＦは、時間経過に対して、ＳＳＥＡ−１陽性細胞の段階的な増加を示したが、しかし、ある程度のタイミングの違いが観察された。ＮＮｅｏ ＭＥＦは、８日目から１１日目の間に１．３％〜１７．８％のＳＳＥＡ１陽性細胞の最初期の増加を示した。ＮＧＦＰ２ ＭＥＦは類似の増加を示したが、はるかに遅い時点であった（４．４％〜２９％、１４日目から１８日目の間）。対照的に、ｉＰＳ細胞系統ＮＧＦＰ３からのＭＥＦは、より遅く、段階的なＳＳＥＡ１の活性化を示し、１４日目に約１０％に達した。最初のＧＦＰ陽性細胞は、ＮＧＦＰ２においては１４日目まで初期に検出され、ＮＧＦＰ３ ＭＥＦにおいては１８日目に検出された。
ＮＮｅｏ二次ＭＥＦにおける内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座の再活性化のタイミングをモニターするために、本発明者らは、ｄｏｘ処理後の様々な時点で細胞をプレートし、薬物選択を開始した。誘導後約２週間でのＮａｎｏｇ−ＧＦＰレポーター遺伝子の活性化とは対照的に、ＮＮｅｏ ＭＥＦは、４日目まで初期の培養にｎｅｏが加えられた場合に、ネオマイシン耐性であった（図２Ｂ）。これは、個の細胞系統において本発明者らがＳＳＥＡ１発現について観察したものと類似する、Ｎａｎｏｇ遺伝子座のより速い再活性化を反映している可能性がある（図２Ｃ）。あるいは、ｎｅｏ耐性コロニーは、より早く出現する可能性がある。なぜなら、低レベルのＮａｎｏｇ遺伝子活性化は、より高い発現を必要とするＧＦＰ検出とは対照的に、薬物耐性を与えるためには十分であるからである１４、２０。二次細胞の生成は、その発現が一次ｉＰＳ細胞系統の形成を誘導可能であるプロウイルス組込みの特定のセットを選択するが、多能性マーカー活性化の全体の反応速度論は、ＭＥＦの直接的感染において見られるものと類似していた１、１３、１４。このことは、再プログラミングプロセスが一連の逐次的な後成的変化を必要とするという概念を支持する１１、２０。
次に、本発明者らは、種々の二次ＭＥＦの再プログラミング効率を比較した。最適プレーティング密度を決定するために、本発明者らは、ｄｏｘ含有培地中で、０．０２５〜５００細胞／ｍｍ２の範囲の密度で、二次ＮＧＦＰ２ ＭＥＦをプレートし、４週間後にＧＦＰ陽性コロニーを計数した。図２Ｄに示されるように、プレーティング密度はｉＰＳ形成に大きな効果を有した。顕著には、高いプレーティング密度と低いプレーティング密度の両方が、ＧＦＰ陽性コロニー形成を完全に阻害した。本発明者らは、増殖を容易にするためにパラクリン因子が最初に必要である可能性があり、導入遺伝子の活性化の前に細胞が接触阻害されるならば、必須の細胞増殖が妨害されると推測する。
二次系における再プログラミング効率を厳密に決定するために、本発明者らは、ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２系統からの単一の線維芽細胞を、支持細胞としてγ照射したＭＥＦを含む９６ウェルプレートにプレートして、最適な増殖支持体を提供した。本発明者らは、ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２ ＭＥＦからの、それぞれ、播種した細胞のほぼ１４％およびほぼ８％のみが、ｄｏｘ投与後に個別のコロニーを形成するために十分に増殖したことを観察した（図２Ｅにおける明灰色バー）。しかしながら、これらの細胞の約４分の１が、培養の４週間後に、最終的にネオマイシン耐性またはＧＦＰ陽性になり、ＮＮｅｏ系統についてはほぼ４％、ＮＧＦＰ２系統についてはほぼ２％の全体の再プログラミング効率を生じた（図２Ｅの暗灰色バー）。これは、薬物耐性ベースのｉＰＳ選択についてもともと報告されていたものよりも２５〜５０倍効率的であり１、１２、一次感染線維芽細胞の培養中での形態ベースのｉＰＳ選択よりも４〜８倍の間効率的である１１。
次に、本発明者らは、二次ＭＥＦ系の再生と直接感染とを比較した。本発明者らは、４種の再プログラミング因子をコードするモロニーベースのウイルスでＯｃｔ４−ｎｅｏ ＭＥＦを感染させ、２０日目にｎｅｏ耐性コロニーを計数した。４回の独立した実験は、この方法を使用するｉＰＳ形成の高度な実験間での変動性を明らかにした（図７Ｂ）。対照的に、本発明者らが４回の独立した実験においてドキシサイクリン処理したＮＧＦＰ２
ＭＥＦからのＮａｎｏｇ−ＧＦＰ陽性コロニーを計数したときに、本発明者らは、二次系においてはるかに小さな変動性の程度に気付いた。
３つの二次ＭＥＦ集団の表現型挙動を導入遺伝子誘導と相関させるために、等しい数の二次ＭＥＦがｄｏｘの存在下または非存在下で７２時間プレートされ、その時点で、４種の因子の全体の転写レベルは定量的ＲＴ−ＰＣＲによって決定した。驚くべきことに、両方のＮａｎｏｇ−ＧＦＰ系統はＮＮｅｏ系統よりもはるかに低いレベルでＯｃｔ４を誘導し、このＮＮｅｏ系統は、コラーゲン１Ａ１遺伝子座における導入遺伝子からＯｃｔ４をＥＳ細胞と同様のレベルで発現した（図３Ａ）。反対に、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ系統におけるＳｏｘ２誘導は、ＥＳ細胞における内因性Ｓｏｘ２のレベルと非常に近いレベルに達したのに対し、ＮＮｅｏはｄｏｘに応答して有意に低いレベルでＳｏｘ２を発現した。ｃ−Ｍｙｃ発現はＥＳ細胞との比較において誘導されていないＭＥＦでより高く、ｄｏｘの添加は３つすべての二次ＭＥＦ系統において転写レベルの劇的な誘導を生じた。対照的に、全体のＫｌｆ４レベルは、導入遺伝子誘導後に３つすべての二次ＭＥＦ集団におけるＥＳ細胞のレベルと同様であった。ｄｏｘ処理されたＮＮｅｏ二次ＭＥＦにおける全体のＯｃｔ４レベルがＥＳ細胞に最も近接していたという観察は、この系統において観察されたより速くかつより効率的な再プログラミング反応速度論を説明する可能性がある（上記を参照のこと）。次いで、本発明者らは、ＮＧＦＰ２ ＭＥＦにおいてより後期の段階の再プログラミングにおいて発現レベルを決定した。Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃは、常に強固に誘導され、変動は非常に少なかったのに対して、Ｏｃｔ４発現は経時的にゆっくりと増加した（図７Ａ）。これは、培養中での経時的により高いＯｃｔ４誘導を伴う細胞の選択を反映している可能性がある。サザンブロット分析は、研究した３つの系統における１−２ｃ−Ｍｙｃ、１−３ Ｏｃｔ４、１−３ Ｓｏｘ２、および３−４ Ｋｌｆ４プロウイルスのゲノム組込みを示した（図７Ｃ）。
これらの遺伝的な均一性にも関わらず、ｄｏｘ誘導は、Ｏｃｔ４およびＳｏｘ２の免疫蛍光分析によって決定されるように、単一の細胞レベルにおいて変動する導入遺伝子の活性化を生じた（図３Ｂ）。すべての二次ＭＥＦがｄｏｘに応答して等しく導入遺伝子を誘導したわけではないので、本発明者らは、導入遺伝子発現の特定の化学量論が再プログラミングのために必要であり、二次ＭＥＰのサブセットのみにおいて起こるという可能性を除外することはできない。
再プログラミングの効率およびタイミングに対する導入遺伝子発現の効果
４種の再プログラミング因子のどれほど長い発現が、安定な再プログラミングが起こるために必要であるかを研究するために、二次ＮＧＦＰ２ ＭＥＦは最適密度にプレートされ（上記を参照のこと）、５〜２２日間の範囲の種々の時間の間、ドキシサイクリンに曝露され、そしてＧＦＰ蛍光について毎日モニターした。ＧＦＰ＋コロニーを生じるｄｏｘ曝露の最小の長さは９日間であり、最初のＧＦＰ＋コロニーは１６日目でのｄｏｘ除去の７日後に出現した（図３Ｃ）。顕著には、ｄｏｘへのさらなる曝露は、ＧＦＰ＋コロニーの出現を加速せず、ＧＦＰは、ｄｏｘ投与の長さには関係なく、１６日と１８日の間に出現した。同様に、ＮＮｅｏ二次ＭＥＦは、ｄｏｘ曝露の１１〜１３日間を必要とすることが見出され、その後、安定なネオマイシン耐性二次ｉＰＳコロニーが樹立できた。
導入遺伝子発現の持続時間と全体の再プログラミング効率とを相関させるために、本発明者らは、二次ＮＧＦＰ２ ＭＥＦをトキシサイクリンに１０〜１５日間曝露し、３４日目にＧＦＰ陽性コロニーを定量した。本発明者らは、導入遺伝子発現の長さとＧＦＰ陽性コロニーの数の間の驚くべき相関を見出した１４（図３Ｄ）。次いで、本発明者らは、同じディッシュ中で経時的に新たに発達するＧＦＰ陽性コロニーの出現をモニターした。驚くべきことに、９日間のみの間ドキシサイクリンに曝露されたＭＥＦは、２５日目（ｄｏｘ中止後１５日目）までＧＦＰ陽性コロニーを生成し続けた（図３Ｅ、青色線）。２２日間のｄｏｘ処理は、経時的に、はるかにより顕著なＧＦＰ陽性コロニー形成の増加を生じた（図３Ｅ、赤色線）。これらの知見は、この遺伝的に均質な系においてさえ段階的な確率論的プロセスである再プログラミングと一貫しており、一次感染に基づく以前の結論と一致している１１、１３、１４、２０。さらに、この再プログラミングプロセスは継続し、ｄｏｘ中止に応答して４種の導入遺伝子がダウンレギュレートされたずっと後まで完結できる。
本発明者はまた、二次細胞が再プログラミングの効率に対する薬物の効果を評価するために使用できるか否かを試験した。このために、本発明者らは、ＤＮＡジメチル化化合物５−アザ−デオキシシチジン（５−アザ）およびヒストンデアセチラーゼ阻害剤トリコスタチンＡ（ＴＳＡ）の効果を探求した。クロマチン修飾に対するこれらの作用のため、両方の小分子は、５プログラミング効力を改善するための候補である。図３Ｆは、培地への５−アザの添加がＮＧＦＰ３系統からのＭＥＦの再プログラミング効率を増加させたのに対して、ＴＳＡ処理はコロニーの数に対して明白な効果を有さなかったことを示す。
他の細胞型の再プログラミング
本発明者らは、ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２系統から生成したｉＰＳ細胞キメラから二次細胞を単離することによって、どの範囲の組織型が再プログラミングに対して感受性であるかを決定することを探求し、これらのキメラから誘導された複数の細胞型の再プログラミング能力を試験した。表１に要約されているように、ある細胞型は、ＮＧＦＰ２系統から単離されたときに容易に再プログラミングできたが、ＮＮｅｏ系統から単離された同じ細胞型はｉＰＳ細胞を生じなかった。このことは、異なる細胞型が異なる導入遺伝子誘導レベルを必要とすることを示唆し、このレベルは、研究された系統間での異なるプロウイルス組込み部位から生じる可能性がある。
腸上皮細胞
二次ＮＧＦＰ２とＮＮｅｏキメラの両方からの精製腸上皮細胞は、ドキシサイクリン処理に対して著しく迅速に応答し、４８時間以内に懸濁中でスフェロイドを形成し、これは、引き続いて、ＭＥＦ支持細胞層に接着され、３〜４日以内にＥＳ様形態をとった（図４Ａ〜４Ｃおよび４Ｉ〜４Ｊ）。しかしながら、アルカリホスファターゼ活性は、ｄｏｘを伴う１０〜１２日間の培養の前には検出されなかった（図９Ｆ）。機械的分画プロトコールを使用して（方法を参照のこと）、本発明者らは、これらのコロニーが、より初期の画分（ウイルス端誘導細胞）からよりも画分７（大部分は腺窩誘導細胞）からはるかにより効率的に形成したことを見出した（図４Ｍ）。ＮＧＦＰ２キメラから誘導された細胞は、ｄｏｘの存在下で、約２週間の培養後に内因性Ｎａｎｏｇを発現したｄｏｘ非依存性ｉＰＳ細胞に発達した（図４Ｋ〜４Ｌ、図８Ｂ）。
対照的に、ＮＮｅｏキメラから誘導された細胞は、２週間のｄｏｘ培養後にｎｅｏ耐性になったが、しかし、不安定であり、ｄｏｘ中止の際にそれらのＥＳ様形態を喪失した（図４Ｄ〜４Ｆ）。ビスルファイトシークエンシングは、Ｎａｎｏｇプロモーターのある程度の脱メチル化、Ｏｃｔ４プロモーターの最小限のみの脱メチル化（図４Ｇ）、そしてＳＣＩＤマウスに皮下注射したときに、これらの細胞は、ドキシサイクリンの存在下または非存在下でテラトーマを生成することが不可能であったことを明らかにした。定量的ＲＴ−ＰＣＲは、これらの細胞がＮａｎｏｇを誘導することに失敗し、非常に低いレベルのみのＳｏｘ２およびＫｌｆ４および高いレベルのＯｃｔ４およびｃ−Ｍｙｃを発現したことを示した（図４Ｈ）。Ｓｏｘ２およびＫｌｆ４でのさらなる感染は、多能性マーカーを発現しかつそれらのＯｃｔ４およびＮａｎｏｇプロモーターの完全な脱メチル化を示す、完全に再プログラミングされたｄｏｘ非依存性ｉＰＳ細胞の生成に導く（図４Ｇおよび図９Ｇ）。
ｄｏｘ処理４８時間後のＮＧＦＰ２およびＮＮｅｏ腸上皮細胞における導入遺伝子誘導レベルの比較は、これらの系統からの二次ＭＥＦにおいて観察されたものと類似した誘導レベルの違いを明らかにした（図４Ｎ、図３Ａと比較する）。腺窩から誘導された腸上皮細胞は、絨毛からの細胞よりもより容易に多くの導入遺伝子を誘導し、それらの増加したコロニー形成速度についての説明を提供する。これらの知見は、ＮＮｅｏ系統におけるプロウイルス組込み部位が、ＭＥＦの再プログラミングを許容しながら、ＮＧＦＰ２に存在するものとは対照的に、腸上皮細胞における完全な再プログラミングを媒介する能力はないことを示す。
間充織幹細胞および尾端線維芽細胞
次に、本発明者らは、ＮＮｅｏおよびＮＧＦＰ２キメラから単離された骨髄由来の間充織幹細胞（ＭＳＣ）および尾端線維芽細胞（ＴＴＦ）の再プログラミング能力を比較した。これらの細胞は、直接感染による再プログラミングに感受性である２つの間充織集団を表す１、４、１２（補足の図８Ｄ）。腸細胞と同様に、二次ＮＧＦＰ２ ＭＳＣおよびＴＴＦは、ｄｏｘに応答してｉＰＳ細胞を生成可能であったのに対して、ＮＮｅｏキメラから誘導されたものはそうではなかった（図５Ａ〜５Ｆ、図８Ａ，８Ｃ）。
ケラチノサイト
ＮＮｅｏキメラの上皮から単離された細胞は、ケラチノサイトのために最適化された増殖条件において、ドキシサイクリンの非存在下で最初に増殖された２１。均質な上皮培養物が得られ（図５Ｇ）、ドキシサイクリンが培地に加えられた。上皮細胞のクラスタが増殖し、経時的にそれらの形態を変化させた。１２日後、培地がドキシサイクリン含有ＥＳ細胞培地に変更され（図５Ｈ）、７日後にネオマイシンが添加された。密接したコロニー中で増殖しているｎｅｏ耐性細胞はＥＳ細胞に類似しており（図５Ｉ）、γ照射した支持細胞上で継代され、その時点で、培養物はｄｏｘの非存在下で維持され、内因性Ｎａｎｏｇを発現した（図９Ｄ）。
神経前駆細胞
ＮＮｅｏキメラからの脳は解剖され、側脳室周囲の組織ブロックが単一の細胞に解剖され、二次細胞を選択するために、ピューロマイシンの存在下で、ＥＧＦおよびＦＧＦ２含有無血清培地（Ｎ３ＥＦ）中のコートされていない培養ディッシュにプレートされた。４週間後、ニューロスフェアが形成し、これは、引き続き、レンチウイルス導入遺伝子を活性化するために、ｄｏｘを含むＥＳ細胞培地またはＮ３ＥＦ培地のいずれかの中で、ポリオルニチン／ラミニンコートされたディッシュにプレートされた。神経前駆細胞について予測されたように、血清を含有するＥＳ細胞培地に曝露された細胞は平らな星状細胞に分化し、分裂を停止した（図５Ｊ）。対照的に、Ｎ３ＥＦ培地にプレートされた細胞は強固に増殖を継続し、未分化神経上皮細胞に類似していた。３週間後、これらの増殖している細胞は分割され、ドキシサイクリンを含むＥＳ細胞培地またはＮ３ＥＦ培地のいずれかにプレートされた。血清に曝露された細胞は、大部分が平らな形態をとっていたのに対し、Ｎ３ＥＦ中では細胞は双極性形態を維持していた。しかしながら、以前の継代とは対照的に、小さなＥＳ様コロニーが次の２週間にわたって両方の条件で出現した（図５Ｋ、５Ｌ）。γ照射した支持細胞ＭＥＦに継代したときに、内因性Ｎａｎｏｇを発現するｎｅｏ耐性、ｄｏｘ非依存性ｉＰＳ細胞系統が容易に樹立された（図９Ｅ）。
他の組織
加えて、本発明者らは、ＮＮｅｏキメラの副腎、腎臓、および筋肉から拡大された細胞から二次ｉＰＳ細胞系統を生成することにもまた成功した。これらの組織は解剖され、トリプシンで解離され、そしてドキシサイクリンを含むＥＳ細胞培地にプレートされた。ｄｏｘの存在下で６〜１２日後、ＥＳ細胞の形態を有するコロニーが出現し、これは、最終的には、ネオマイシン耐性、ｄｏｘ非依存性になり、Ｎａｎｏｇを活性化した（図９Ａ〜９Ｃ）。
４種の転写因子、Ｋｌｆ４、Ｓｏｘ２、ｃ−Ｍｙｃ、およびＯｃｔ４の異所性発現を通しての体細胞エピゲノムの多能性、胚性状態への再プログラミングは、遅くかつ非効率的なプロセスである。再プログラミングの誘導のための現在の方法は、レトロウイルス遺伝子送達を通してであり、これは、数とゲノム位置の両方が変化するプロウイルス組込みを伴う異種細胞集団を生じ、直接再プログラミングの変動性および非効率性についての説明を提供する。ここで、本発明者らは、遺伝的に均質な細胞集団を再プログラミングするための新規系を説明する。ドキシサイクリン誘導性レンチウイルスベクターおよび引き続くキメラ形成を用いる再プログラミングは、同一のプロウイルス組込みを有し、ドキシサイクリンへの曝露の際に再プログラミング因子を再発現する、遺伝的に均質な細胞から構成される組織を生じる。このストラテジーは、薬物誘導性活性化に好都合であるゲノム遺伝子座において挿入されたプロウイルスの正確な数を有する細胞を選択し、標的細胞のデノボウイルス感染において固有な不均質性を排除する。驚くべきことに、この系における再プログラミングのタイミングは、直接感染した一次線維芽細胞と同様であった。再プログラミングを開始するためにｄｏｘが必要とされる最短時間は９〜１３日間であった。この時間スケールは、ベクターで直接感染された細胞において観察された１０〜１４日間の時間フレームと一致している１３、１４。本発明者はまた、９日目まで早期にｄｏｘが培養から中止されたときに、ＧＦＰ＋二次ｉＰＳコロニーが、ドキシサイクリンの非存在下で次の数週間、継続して出現したことも観察した。これらの結果は、再プログラミングが、最短期間の導入遺伝子発現を必要とする後成的修飾の確率論的順序によって駆動されるという概念を支持する。
二次ＭＥＦの観察された再プログラミング効率は４％まで高く、これは、成熟Ｂ細胞の再プログラミング効率と比較し得るものであり２２、デノボ感染および薬物選択を使用して見積もられる０．１％効率よりも非常に高く、そして形態学的選択の判断基準を使用して報告されたものよりも約８倍高かった１、１１、１２。感染されたＭＥＦから誘導されたｉＰＳ細胞が平均で１５の異なるプロウイルスコピーを有することは十分に実証されており、「正確な」数のプロウイルスを運び、または首尾よい再プログラミングのために適切な化学量論で４種の因子を発現する感染細胞の小さな画分についての強力な選択を示唆する。従って、二次ＭＥＦの再プログラミング頻度はより高いと予測されている。なぜなら、これらの細胞は、プロウイルスの「正確な」組合せを運ぶ感染細胞からクローン的に誘導されたからである。もしそうであるならば、なぜ４％のｄｏｘ処理二次細胞が二次ｉＰＳ細胞を生じ、大部分のまたはすべてのこれらの細胞がそうではないのであろうか。本発明者らは、いくつかの非相互的な独占的な説明を検討している。（ｉ）直接感染されたＭＥＦの遺伝的に同一のサブクローンは、有意に異なる回数再プログラミングされ、または全くされないことが確立されている１１、２０。以前に議論したように、これは、再プログラミングが、確率論的事象の順序を含み、その結果、同一の数のプロウイルスコピーを有する細胞は、内因性多能性遺伝子を異なる回数活性化することを示唆する。（ｉｉ）本発明者らのデータはまた、ｄｏｘ処理がすべての細胞においてプロウイルスを均一に活性化しないが、むしろ、個々の細胞間で誘導レベルの違いが存在することも示している。これらの多様化した発現レベルのために、二次ＭＥＦの一画分のみが因子の十分に高い発現レベル、または因子間の正確な相対的発現レベルを達成し得、それゆえに、二次ｉＰＳ細胞を生成することが可能である。
再プログラミングが４種の因子のウイルス導入によって誘導される間、多能性状態の維持は、４種の内因性多能性因子、Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、Ｓｏｘ２、およびＴｃｆ３の活性化および外因性因子のサイレンシングを含む自己調節ループの再構築に依存する２０、２３。同様に、二次ＭＥＦは、導入遺伝子発現の非存在下で維持された多能性状態に完全に再プログラムされることが可能であった。
本発明者らはまた、いくつかのさらなる成人体細胞型の再プログラミング能力を試験するために二次系も利用した。ｉＰＳ細胞は、ｄｏｘ処理を通して、脳、上皮、腸上皮、間充織幹細胞、尾端線維芽細胞、腎臓、筋肉、および副腎を含む多くの組織から誘導でき、プロウイルスがＭＥＦ以外の細胞型において適切に活性化されたことを示す。このことは、４種の再プログラミング因子が、異なる発生起源および後成的状態を有する細胞中での後成的再プログラミングを媒介できることを実証し、そして広範な細胞型における再プログラミングの研究のための二次系の有用性を強調する。他の夾雑する細胞型を回避するために特別な配慮がとられたが、本発明者らは、これらの種々の細胞型からｉＰＳ細胞の起源の細胞を無条件に実証することはできない。遺伝系統追跡実験は、実際に、ｉＰＳ細胞が、Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−Ｍｙｃ、およびＫｌｆ４での形質導入後に肝臓および膵臓から誘導できることを実証してきた２４、２５。しかし、すべての細胞型が、これら４種の因子による再プログラミングに許容されるわけではない。本発明者らは、成熟Ｂ細胞の再プログラミングがさらなる因子（ｃ／ＥＢＰα）の形質導入またはＢ細胞特異的転写因子Ｐａｘ５の阻害を必要としたが、未成熟Ｂ細胞ではそうではなかったことを示してきた２２。さらなるおよびまだ未知であるような因子が特定の細胞型を再プログラムするために必要とされることが可能である。本明細書に記載された系の１つの実用的な利点は、エキソビボ培養およびレトロウイルス感染に対して不応性であり得るものを含む、腸上皮細胞などの細胞型が研究できることである。
本明細書に記載された薬物誘導性系は、後成的再プログラミングに導く初期の分子事象の研究を容易にするはずである、予測可能でありかつ高度に再現可能な反応速度論を有する、新規な再プログラミングのプラットフォームを提示する（補足の図７Ｂを参照のこと）。加えて、二次細胞型の遺伝的均質性は、再プログラミング効率を増強するために化学的および遺伝的なスクリーニングアプローチの実行可能性を提供する。１つの例として、本発明者らは、ＤＮＡ脱メチル化剤５−アザ−デオキシシチジンが再プログラミング効率を実質的に増強することを実証する。さらに、このようなスクリーンはまた、もともとの再プログラミング因子を置き換える化合物を同定するためにも適用できる。再プログラムされた状態は外因性因子に依存しないので、導入遺伝子は遺伝的に切除でき、二次細胞は、特定の再プログラミング因子を欠くキメラ形成によって生成できる１５。
本明細書において引用されるすべての参考文献の教示は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。
（実施例１）
ウイルスの調製および感染
テトラサイクリンオペレーターおよび最小ＣＭＶプロモーターの制御下にあるＫｌｆ４、Ｓｏｘ２、Ｏｃｔ４、およびｃ−Ｍｙｃを含むレンチウイルスベクターの構築物は以前に記載されている１４。複製可能でないレンチウイルス粒子はＶＳＶ−Ｇコートで２９３Ｔ細胞にパッケージされ、内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座に標的化されたネオマイシン耐性またはＧＦＰ対立遺伝子のいずれかと同様に１、１１、Ｒ２６遺伝子座１７においてＭ２ｒｔＴＡおよびＰＧＫ−Ｐｕｒｏ耐性遺伝子を含むＭＥＦに感染させるために使用された。ＭＥＦに適用する前に、４種のウイルスの各々をパッケージしている培養からのウイルス上清をプールし、０．４５μＭフィルターを通して濾過し、そしてＥＳ細胞培地（ｗ／１０％ＦＢＳ（Ｈｙｃｌｏｎｅ，Ｌｏｇａｎ，ＵＴ）、白血病阻害因子、β−メルカプトエタノール（ＳＩＧＭＡ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、ペニシリン／ストレプトマイシン、Ｌ−グルタミン、および非必須アミノ酸（すべてＩｎｖｉｔｒｏｇｅｎ，Ｃａｒｌｓｂａｄ，ＣＡより）を補充したＤＭＥＭ）と１：１で混合した。
一次ｉＰＳ単離、テラトーマ、およびキメラ形成
ｄｏｘ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ ＭＯ．２μｇ／ｍＬ）の添加の約３週間後、ＧＦＰ＋またはネオマイシン耐性ｉＰＳコロニーを単離し、ｄｏｘの非存在下で拡大した。ＮａｎｏｇＧＦＰ２ ｉＰＳ系統を、ＮａｎｏｇＧＦＰ１系統（２２においてＭＥＦ−ｉＰＳ＃ｌ系統として記載）として同じプレートから拾い上げたのに対して、ＮａｎｏｇＧＦＰ３系統は、独立した実験から誘導された。ｉＰＳ系統は、Ｃ５７／Ｂ６×ＤＢＡ／１ Ｆ１胚盤胞に注入された。胚盤胞は、ミネラルオイルの下で、１５％ＦＢＳを伴うＤＭＥＭの一滴の中に配置された。１２〜１５ｍｍの内径を有する先端が平らなマイクロインジェクション用ピペットは、ピエゾ極微操作装置を使用するｉＰＳ細胞注入のために使用した。約１０ｉＰＳ細胞を胚盤胞腔に注入、胚盤胞はＫＳＯＭ（Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｍｅｄｉａ，Ｐｈｉｌｌｉｐｓｂｕｒｇ，ＮＪ）に配置し、これらがレシピエント雌に移されるまで、３７℃でインキュベートされた。１５個の注入した胚盤胞は、性交２．５日後に偽妊娠Ｃ５７／Ｂ６×ＤＢＡ／１ Ｆ１雌の子宮角に移した。テラトーマ生成については、２×１０６細胞を、レシピエントＳＣＩＤマウスの脇腹に皮下注射し、腫瘍は３〜６週後に組織学的分析のために単離した。すべての動物は、施設のＩＡＣＵＣガイドラインに従って扱った。
二次体細胞の単離および培養
ＭＥＦ単離のために、キメラ胚をＥ１３．５で単離し、頭部および内部（生殖器を含む）器官を除去した。残りの組織を物理的に解剖し、３７℃で２０分間、トリプシン中でインキュベートし、その後、細胞を、ピューロマイシン（２μｇ／ｍＬ）を含むＭＥＦ培地中に再懸濁し、２継代の間拡大し、その後凍結した。記載した実験のために使用される二次ＭＥＦを融解し、実験は、融解後１〜２継代、プレートした。反応速度論実験（図２）は６ウェルプレートにおいてウェルあたり４×１０４二次ＭＥＦをプレートすることによって実施し、プレートは示された時間、染色または分析した。細胞密度実験は、１２ウェルプレート中で実施し、ＧＦＰ＋ｉＰＳコロニーはｄｏｘ誘導後４週間スコア付けした。単一細胞効率実験は、ｄｏｘ誘導前に９６ウェルプレート中で野生型支持細胞ＭＥＦＳの層に単一の二次ＭＥＦをプレートすることによって実施した（限界希釈を使用し、これは、支持細胞ＭＥＦを欠く複製プレート中で目視によって確認した）。ｉＰＳ情報は４週間後にスコア付けした。２〜３の生物学的複製からの代表的な実験を示す。５−アザおよびＴＳＡ実験について、１×１０６二次細胞ＭＥＦは６ウェルプレート中にプレートし（約１００細胞／ｍｍ２）、５−アザ（１μＭ）またはＴＳＡ（１μＭ）を含むＥＳ細胞培地で４８時間前処理した。４８時間後、二次ＭＥＦは、５−アザまたはＴＳＡを欠くＥＳ細胞培地プラスｄｏｘ中で培養した。ＭＥＦＳは、誘導後の８〜１０日の間、２度目の４８時間の期間、５−アザまたはＴＳＡに曝露し、続いて、ＧＦＰ＋コロニーの２１日目のスコア付けまで、ｄｏｘのみを伴う培養を行った。
体細胞器官は、３〜４月齢キメラから単離した。上皮ケラチノサイトは、以前に記載されたように単離および培養した２１、２６。神経前駆細胞は、以前に記載されたように単離および培養した２７。全体の腸上皮は、室温で３０分間、ＰＢＳ中の３ｍＭ ＥＤＴＡおよび０．０５ｍＭ ＤＴＴの溶液を使用して解離させた。筋肉組織は廃棄し、精製した腺窩／絨毛は、ｄｏｘの存在下でγ照射した支持細胞ＭＥＦ上にプレートした。腺窩−絨毛画分については、同じＥＤＴＡ−ＤＴＴを使用したが、しかし、画分は、１０分、６分、５分、５分、９分、１０分、および２５分の間穏やかに攪拌することによって収集し（それぞれ、画分１〜７に対応し、絨毛先端を表す１から腺窩を表す７までである）、２８に記載されるようにインキュベーション後、各画分からの０．８×１０６上皮細胞を、２μｇ／ｍＬ ｄｏｘを含むＥＳ培地中のＭＥＦ支持細胞層上にプレートした。ｄｏｘを欠く培養中では増殖は観察されなかった。全体の骨髄は、二次キメラマウスから（または直接感染についてはＣｏｌｌ１−ＴｅｔＯ−Ｏｃｔ４、Ｒｏｓａ２６−Ｍ２ｒｔＴＡマウス１６から）成長板における関節丘の除去後の大腿および脛骨から、ＤＭＥＭ＋５％ウシ胎仔血清（ＦＢＳ）（Ｈｙｃｌｏｎｅ，Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を含むシリンジおよび３０ゲージ針を用いて流すことによって単離した。間充織幹細胞は、１５％ ＦＢＳ（ＨｙＣｌｏｎｅ）を補充したα−ＭＥＭ中での７２時間の組織培養プレート上での示差的プレーティングを通して選択した。培養中のＭＳＣのコロニー形成は、新鮮に単離された全体の骨髄からの４×１０６有核細胞を１０ｃｍプレートにプレートすることによって実行し、ピューロマイシンの存在下で５日間の間拡大させて、宿主胚盤胞誘導細胞を除外し、その後、ｄｏｘを導入して再プログラミングを誘導した。副腎、筋肉、および腎臓に由来する培養物を解剖し、機械的に解離させ、そして３７℃で２０分間、トリプシン中で消化し、その後、ｄｏｘを含むＥＳ培地を含む、ゼラチンコートした培養ディッシュ上にプレートした。
抗体
フローサイトメトリー分析のために、本発明者らは、ＡＰＣ結合体化抗マウスＳＳＥＡ１（Ｒ＆Ｄ ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ）およびアルカリホスファターゼ基質キット：Ｖｅｃｔｏｒ Ｒｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅキット（Ｖｅｃｔｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｂｕｒｌｉｎｇａｍｅ，ＣＡ）を使用した。免疫蛍光のために、細胞は、４％パラホルムアルデヒド中に固定し、そして本発明者らは、ＳＳＥＡ１に対するマウスモノクローナル抗体（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｈｙｂｒｉｄｏｍａ Ｂａｎｋ）、ヤギ抗Ｓｏｘ２（Ｒ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、マウス抗Ｏｃｔ４（Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ）、およびウサギ抗Ｎａｎｏｇ（Ｂｅｔｈｙｌ）を使用した。蛍光団標識された適切な二次抗体は、Ｊａｃｋｓｏｎ ＩｒｎｍｕｎｏＲｅｓｅａｒｃｈから購入した。
フローサイトメトリー
細胞はトリプシン処理し、ＰＢＳ中で１回洗浄し、そしてＦＡＣＳ緩衝液（ＰＢＳ＋５％ウシ胎仔血清）中に再懸濁した。１０６細胞を、１０μｌのＡＰＣ結合体化抗ＳＳＥＡ１抗体で、１００μｌ体積で３０分間染色し、次いで細胞をＰＢＳで２回洗浄した。次いで、細胞は洗浄緩衝液で１回洗浄し、ＦＡＣＳ−ｃａｌｉｂｕｒセルソーター上での分析のためにＦＡＣＳ緩衝液中に再懸濁した。
ビスルファイトシークエンシングおよびサザンブロッティング
ＤＮＡのビスルファイト処理は、ＣｐＧｅｎｏｍｅ ＤＮＡ修飾キット（Ｃｈｅｍｉｃｏｎ，Ｔｅｍｅｃｕｌａ，ＣＡ）を製造業者の説明書に従って使用して行った。得られる修飾ＤＮＡは、ネスト化ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって、以下の２種のフォワード（Ｆ）プライマーおよび１種のリバース（Ｒ）プライマー：
を使用して増幅した。ＰＣＲの第１のラウンドは以下のように行った：９４℃で４分間；９４℃で３０秒間、５６℃で１分間（サイクルあたり−１℃）、７２℃で１分間の５サイクル；ならびに９４℃で３０秒間、５１℃で４５秒間、および７２℃で１分２０秒間の３０サイクル。ＰＣＲの第２のラウンドは、９４℃で４分間；９４℃で３０秒間、５３．５℃で１分間、および７２℃で１分２０秒間の３０サイクルであった。得られた増幅産物はゲル精製し（Ｚｙｍｏｇｅｎ，Ｚｙｍｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｏｒａｎｇｅ，ＣＡ）、ＴＯＰＯ ＴＡベクター（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）にサブクローニングし、そしてシークエンシングした。ゲノムＤＮＡのサザンブロッティングは、１０μｇのＤＮＡをＳｐｅＩ（これはレンチウイルスベクターバックボーンにおいて１回切断する）で消化することによって実行し、続いて、４種の因子についてランダムプライミングした全長ｃＤＮＡプローブを用いるハイブリダイゼーションを行った。
定量的ＲＴ−ＰＣＲ
Ｔｒｉｚｏｌ試薬（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ，Ｃａｒｌｓｂａｄ，ＣＡ）を使用して総ＲＮＡを単離した。ＤＮＡ Ｆｒｅｅ ＲＮＡキット（Ｚｙｍｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｏｒａｎｇｅ，ＣＡ）を使用して、５μｇの総ＲＮＡをＤＮａｓｅＩで処理して、ゲノムＤＮＡの潜在的汚染を除去した。Ｆｉｒｓｔ Ｓｔｒａｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓキット（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用して、１μｇのＤＮａｓｅ Ｉ処理ＲＮＡを逆転写し、最終的には１００μｌの水に再懸濁した。Ｐｌａｔｉｎｕｍ ＳＹＢＲ ｇｒｅｅｎ ｑＰＣＲ ＳｕｐｅｒＭｉｘ−ＵＤＧ ｗｉｔｈ ＲＯＸ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用いて、ＡＢＩ Ｐｒｉｓｍ ７０００（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｆｏｓｔｅｒ
Ｃｉｔｙ，ＣＡ）において１／５０の逆転写反応を使用して、定量的ＰＣＲ分析を３連で実施した。増幅のために使用したプライマーは以下の通りであった：
ＲＴ反応へのｃＤＮＡの等しいローディングを確実にするために、以下を使用してＧＡＰＤＨ ｍＲＮＡを増幅した：
データは増幅の直線部分から抽出した。示されたすべてのグラフのｑＲＴ−ＰＣＲデータは、ＤＮａｓｅ処理され、逆転写され、そしてこれらの手順において固有な変動を回避するために並行して増幅されたＲＮＡのサンプルを表す。エラーバーは３連の反応の平均の標準偏差を表す。
（実施例２）
１．概観
Ａ．ヒトＥＳおよびｉＰＳ細胞の遺伝子操作のためのツールの生成
本明細書に記載される研究は、ｈｕＥＳ細胞における遺伝子を標的とするための強固なアプローチを提供し、体細胞のｉＰＳ細胞への再プログラミングのためのツールを生成することである。より詳細には、ｈｕＥＳおよびｉＰＳ細胞の鍵となる神経系統遺伝子にＧＦＰを挿入するために相同組換えが使用される。ＧＦＰマーカーは、操作されたｉＰＳ細胞から神経前駆細胞を単離してそれらの発生的能力を評価するために使用される。現在の再プログラミングプロトコールは、ｉＰＳ細胞中に複数のプロウイルス挿入を生じる転写因子のレトロウイルスベクター媒介性形質導入に頼っている。この研究は、複数のウイルス感染の使用を回避するか、またはウイルス媒介性再プログラミングのための要件をほとんど除外するかのいずれかである方法を記載する。
１．ＤＯＸおよびタモキシフェン誘導性レトロウイルスベクター
ＤＯＸ誘導性レトロウイルスベクターは、多能性マーカーの逐次的活性化およびマウス体細胞の再プログラミングの間のベクター発現の最短時間を規定するために重要であった。本発明者らは、再プログラミング因子の時間的に制限された発現を可能にする誘導性レンチウイルスベクターを生成した。
（ａ）ＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクター：マウス遺伝子について使用されたものと同じストラテジーに従って、本発明者らは、構成的にまたはＤＯＸ誘導性プロモーターの制御下のいずれかで、ヒトＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４、およびＣ−ＭＹＣ ｃ−ＤＮＡを形質導入するレンチウイルスベクターを生成した［Ｂｒａｍｂｒｉｎｋ、２００８ ＃６８７７］。ＤＯＸ誘導性系を生成するために、本発明者らは、ｒｔＴＡトランス活性化因子を有するレンチウイルスベクターをヒト線維芽細胞に感染させた。図１１Ａは、それぞれのＤＯＸ誘導性ベクターで形質導入された線維芽細胞中のＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＫＬＦ４の高ＤＯＸ依存性発現を示す。同様に、強固なＤＯＸ依存性導入遺伝子発現は、感染した線維芽細胞から誘導されたｉＰＳ細胞で観察された（図１１Ａの右の２つのパネル）。
（ｂ）タモキシフェン誘導性レンチウイルスベクター：ベクターの独立した誘導性制御を可能にするために、本発明者らはまた、因子をエストロゲンリガンド結合ドメインに融合してタモキシフェン依存性発現を可能にすることにより、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＣ−ＭＹＣエストロゲン受容体（ＥＲ）融合構築物も生成した［Ｇｒａｎｄｏｒｉ、１９９６ ＃６５０５］。図１１Ｂに示されるように、ＳＯＸ２−ＥＲ融合構築物で形質導入された細胞へのタモキシフェンの添加は、薬物誘導性活性化について予測されたように、細胞質から核へのＳＯＸ２タンパク質の移行をもたらす。これらの結果は、ＤＯＸおよびＥＲ融合物誘導系が、形質導入された因子の発現を独立して制御するために使用できることを示す。
１つの重要な概念は、２つの異なる調節可能な系の使用であり、各々が機能のサブセットの発現を制御する。例えば、第１の誘導性（例えば、ｄｏｘ誘導性）プロモーターの制御下にある３つの因子、および第２の誘導性（例えば、タモキシフェン誘導性）プロモーターの制御下にある第４の因子を配置してもよい。次いで、両方のプロモーターからの発現を誘導することによってｉＰＳ細胞を生成し、このｉＰＳ細胞からマウスを生成し、そしてこのマウスから線維芽細胞（または任意の他の細胞型）を単離することができる。これらの線維芽細胞は、遺伝的に均質であり、ウイルス感染の必要なしで再プログラム可能である。次いで、小分子「再プログラミング因子」を同定するため、または一過性トランスフェクションもしくは他のプロトコールを最適化して第４の因子を導入するために、第４の因子で潜在的に置き換えできる異なる小分子の存在下で、第１のプロモーターのみが活性である条件下で線維芽細胞を再プログラムするように試みる。多数のバリエーションが可能である；例えば、３つの因子の発現を安定して誘導し、第４の因子の発現を一過性に誘導してもよいなどである。また、異なる濃度の誘導薬剤を使用することによって、因子の発現レベルを調節することができる。
別のアプローチは、リコンビナーゼのための部位間に因子の１つをコードする遺伝子を配置し、次いで、その因子の発現をオフにするためにリコンビナーゼの発現を誘導することである。リコンビナーゼ発現は、ウイルスベクター（例えば、アデノウイルス−Ｃｒｅ）で感染させることによって誘導できる。Ｈａｎｎａら、Ｓｃｉｅｎｃｅ、３１８、１９２０−１９２３ （２００７）は、ｃ−Ｍｙｃ導入遺伝子発現に起因する腫瘍形成の潜在的なリスクを減少するために使用された、このようなアプローチを記載している−−細胞は、Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、およびＫｌｆ４因子をコードしているレトロウイルス、および２−ｌｏｘ ｃ−Ｍｙｃ ｃＤＮＡをコードしているレンチウイルスで感染させた。これらの細胞から生成されたｉＰＳ細胞は、Ｃｒｅリコンビナーゼをコードするアデノウイルスで感染されて、レンチウイルスで形質導入されたｃ−Ｍｙｃコピーを削除した。
これらの系は、例えば、再プログラミング因子を同定すること、ならびに再プログラミングにおいて起こる要件および事象を研究すること（細胞型特異的な違いを発見することを含む）のために有用である。
２．マウスと同様にヒトにおいても予測されるように誘導系が働くことを確認するヒトｉＰＳ細胞の生成
マウスまたはヒトの体細胞ドナー細胞からのｉＰＳ細胞を誘導するための多数の異なるストラテジーが示されており、これには、４種の転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−ｍｙｃまたはこれら４種の因子のサブセット、または代替的な因子の組合せの構成的または誘導性発現が含まれる［Ｌｏｗｒｙ、２００８ ＃６８２７；Ｐａｒｋ、２００８ ＃６７８３；Ｔａｋａｈａｓｈｉ、２００７ ＃６７６９；Ｙｕ、２００７ ＃６７９３］。ヒト線維芽細胞の再プログラミングのために図１１Ａに記載されている異なるベクター系の有用性が比較された。表１は、ｉＰＳ細胞が、構成的に発現された４種または３種（Ｃ−ＭＹＣなし）またはＤＯＸ誘導性転写因子によって得られたことを示す。ＤＯＸ誘導性レンチウイルスが使用された場合、他の研究者によって公開されたのと同様の頻度でかつ感染した培養中の同じ時期にｉＰＳクローンが出現した［Ｔａｋａｈａｓｈｉ、２００７ ＃６７６９］。図１２Ａは、内因性ＯＣＴ４およびＮＡＮＯＧ遺伝子が、ｈｕＥＳ細胞と同様のレベルで２つのｉＰＳ系統で発現されたことを示す。再プログラムされたｉＰＳ細胞は、ヒトＥＳ細胞に典型的な形態を有する密接したコロニーとして増殖し、これらは、適切な多能性マーカーを発現した（図１２Ｂ）。多能性を試験するために、ｉＰＳ細胞はＳＣＩＤマウスに注入された。得られた腫瘍の組織学的試験は、複数の分化した細胞型を含む典型的なテラトーマを示した（図１２Ｃ）。
Ｂ．ポリシストロン性レトロウイルスベクターによるマウスおよびヒトのｉＰＳ細胞の生成
ｉＰＳ細胞を生成するための多くの現在のプロトコールは、４つの異なるレトロウイルスベクターによる、４種の転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−ｍｙｃ、およびＫｌｆ４の形質導入を要求する。この様式による再プログラミングは、複数の組み込まれたベクター（１５以上までのプロウイルス）を有する感染細胞の小さな画分の選択を含み、強力な発癌遺伝子および／またはレトロウイルス誘導性の挿入変異誘導の使用に起因する癌の懸念を生じる。再プログラミングのために必要とされる独立したプロウイルス組込みの数を減少させるために、本発明者らは、プロウイルス組込みの数を減少させるという目的で、任意の組合せの因子を形質導入できるポリシストロン性ベクターを設計および使用してきた。
内部リボソーム侵入部位（ＩＲＥＳ）は、１つのプロモーターから複数の遺伝子を発現するために広く使用されているが、しかし、これは、しばしば、遺伝子の非化学量論的発現をもたらす。この自己切断１８〜２２アミノ酸長２Ａペプチドは、プロリン残基とグリシン残基の間で「リボソームスキッピング」を媒介し、下流の翻訳に影響を与えることなく、ペプチド結合形成を阻害する。これらのペプチドは、複数のタンパク質が、ポリタンパク質としてコードされることを可能にし、これは、翻訳に際して、成分タンパク質に解離する。「自己切断」という用語の使用は、タンパク質分解的切断反応意味することを意図しない。
自己切断ペプチドは、アフトウイルス、例えば、口蹄疫ウイルス（ＦＭＤＶ）、ウマ鼻炎Ａウイルス（ＥＲＡＶ）、Ｔｈｏｓｅａ ａｓｉｇｎａウイルス（ＴａＶ）、およびブタテスコウイルス−１（ＰＴＶ−１）を含むピコルナウイルス科のウイルスファミリー（Ｄｏｎｎｅｌｌｙ，ＭＬら、Ｊ．Ｇｅｎ．Ｖｉｒｏｌ、８２、１０２７−１０１（２００１）；Ｒｙａｎ，ＭＤら、Ｊ．Ｇｅｎ．Ｖｉｒｏｌ．、７２、２７２７−２７３２（２００１）ならびにカルジオウイルス、例えば、Ｔｈｅｉｌｏｖｉｒｕｓ（例えば、Ｔｈｅｉｌｅｒマウス脳脊髄炎）および脳心筋炎ウイルスのメンバーにおいて見出される。ＦＭＤＶ、ＥＲＡＶ、ＰＴＶ−１、およびＴａＶから誘導される２Ａペプチドは、本明細書では、時折、「Ｆ２Ａ」、「Ｅ２Ａ」、「Ｐ２Ａ」、および「Ｔ２Ａ」とそれぞれ呼ばれる。アフトウイルス２Ａポリペプチドは、典型的には、ほぼ１８〜２２アミノ酸長であり、Ｄｘ１Ｅｘ２ＮＰＧ（配列番号３４）を含み、ここで、ｘ１はしばしばバリンまたはイソロイシンである。上記のように、２Ａ配列は、プロリンとグリシンの間の「リボソームスキッピング」を媒介すると考えられており、下流の翻訳に影響を与えることなく、ＰとＧの間での正常なペプチド形成を損なう。例示的な２Ａ配列は、ＦＭＤＶからの
であり、ここで、下線を付した残基は多くの２Ａペプチドで保存されている。カルジオウイルス２ＡペプチドのＣ末端は保存性であり、ＦＭＤＶ ２Ａペプチドとの高度な類似性を示し、自己切断もまた媒介することが示されている（Ｄｏｎｎｅｌｌｙ，ＭＬら、Ｊ．Ｇｅｎ．Ｖｉｒｏｌ．、７８、１３−２１（１９９７）。ＦＤＭＶ ２Ａペプチドは、人工ポリタンパク質の切断を媒介することが示されている（Ｒｙａｎ，ＭＤおよびＤｒｅｗ，Ｊ．、ＥＭＢＯ Ｊ．、１３、９２８−９３３（１９９４）。インビボで１つのポリシストロンから効率的かつ化学量論的に４つのタンパク質を発現する能力は、４つのＣＤ３タンパク質を発現する自己プロセシング２Ａペプチドを使用して最近実証された（Ｓｚｙｍｃｚａｋら、Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈ．５、５８９−５９４、２００４）。個々のｃＤＮＡが２Ａペプチドによって分離されるポリシストロン性導入遺伝子は、ｈｕＥＳを含むトランスフェクト細胞においてポリシストロン性遺伝子発現を促進することが示されている（Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｋ．、ら、Ｓｔｅｍ Ｃｅｌｌｓ．２００７ Ｊｕｌ；２５（７）：１７０７−１２、２００７）。
本発明は、誘導された多能性幹（ｉＰＳ）細胞を生成するために有用である、ポリシストロン性核酸構築物、発現カセット、およびベクターを提供する。特定の実施形態において、このポリシストロン性核酸構築物は、自己切断ペプチドをコードする部分を含む。本発明は、少なくとも２つのコード領域を含むポリシストロン性核酸構築物を提供し、ここで、コード領域は、単一のオープンリーディングフレームを形成するように自己切断ペプチドをコードする核酸によって各々連結されており、これらのコード領域は、哺乳動物体細胞を多能性に再プログラミングすることが、単独でまたは１種以上のさらなる再プログラミング因子と組合せて可能である、第１および第２の再プログラミング因子をコードしている。本発明のある実施形態において、この構築物は、自己切断ペプチドによって分離される２つのコード領域を含む。本発明のある実施形態において、この構築物は、各々が再プログラミング因子をコードする３つのコード領域を含み、ここで、隣接するコード領域は、自己切断ペプチドによって分離される。本発明のある実施形態において、この構築物は、各々が再プログラミング因子をコードする４つのコード領域を含み、ここで、隣接するコード領域は、自己切断ペプチドによって分離される。従って、本発明は、自己切断ペプチドによって分離される、２つ、３つ、または４つの再プログラミング因子を含むポリタンパク質をコードする構築物を提供する。ある実施形態において、この構築物は、哺乳動物細胞における発現を方向付けるために適切な発現制御エレメント、例えば、プロモーターを含み、ここで、ポリタンパク質をコードするこの構築物の部分は、発現制御エレメントに作動可能に連結されている。従って、本発明は、再プログラミング因子を含むポリタンパク質αをコードする核酸を含む発現カセットを提供し、各再プログラミング因子は、自己切断ペプチドによって少なくとも１つの他の再プログラミング因子に連結されており、プロモーター（または他の適切な発現制御エレメント）に作動可能に連結されている。このプロモーターは、再プログラミング因子をコードするポリシストロン性メッセージの転写を駆動し、各プログラミング因子は、自己切断ペプチドによって、少なくとも１つの他のプログラミング因子に連結されている。プロモーターは、ウイルスプロモーター（例えば、ＣＭＶプロモーター）または哺乳動物プロモーター（例えば、ＰＧＫプロモーター）であり得る。発現カセットまたは構築物は、例えば、転写物の発現または安定性を増強するために、他の遺伝子エレメントを含み得る。本発明のある実施形態において、前述の構築物または発現カセットのいずれかは、再プログラミング因子をコードしないコード領域をさらに含んでもよく、ここで、このコード領域は、自己切断ペプチドによって隣接するコード領域から分離される。ある実施形態において、さらなるコード領域は選択マーカーをコードする。
ポリシストロン性構築物によってコードされてもよい特定の再プログラミング因子には、転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、ｃ−Ｍｙｃ、およびＮａｎｏｇが含まれ、これらは、本明細書でさらに説明され、当該分野において公知である。本発明は、各々可能な順序で、前述の因子の２つ以上のすべての組合せを包含する。簡潔さの目的のために、これらのすべての組合せが本明細書で個別に列挙されているわけではない。ある実施形態において、この構築物は、２Ａペプチドによって分離されたＯｃｔ４、Ｋｌｆ４、およびＳｏｘ２をコードする。ある実施形態において、この構築物はｃ−Ｍｙｃをコードしない。ある実施形態において、この構築物は、Ｌｉｎ２８をコードするコード領域を含む。ある実施形態において、この構築物は、Ｃ／ＥＢＰαをコードするコード領域を含む。
ある実施形態において、この構築物は、哺乳動物細胞のゲノムへのこの構築物の組込みを媒介しまたは容易にする１つ以上の部位を含む。ある実施形態において、この構築物は、哺乳動物細胞のゲノム中の選択された遺伝子座にこの構築物を標的化することを媒介しまたは容易にする１つ以上の部位を含む。例えば、この構築物は、ゲノム中の選択された遺伝子座に相同である１つ以上の領域を含むことができる。
ある実施形態において、この構築物は、哺乳動物細胞において機能的であるリコンビナーゼのための部位を含み、ここで、これらの部位は、因子についてのコード領域を含む構築物の少なくとも一部に隣接し（すなわち、１つの部位は、ポリタンパク質をコードする構築物の部分の５’に配置され、第２の部位は３’に配置される）、その結果、因子をコードする配列は再プログラミング後にゲノムから切除できる。リコンビナーゼは、例えば、ＣｒｅまたはＦｌｐであり得、ここで、対応するリコンビナーゼ部位はＬｏｘＰ部位およびＦｒｔ部位である。ある実施形態において、リコンビナーゼはトランスポザーゼである。リコンビナーゼ部位はポリタンパク質をコードする領域に直接隣接する必要はないが、ゲノムからの最終的なその除去が望まれる領域は部位間に位置するように配置されることが理解される。ある実施形態において、リコンビナーゼ部位は発現カセットの５’末端および３’末端である。切除はゲノムに残っているリコンビナーゼの残渣のコピーを生じ、これは、ある実施形態において、再プログラミングプロセスから得られる唯一の遺伝子変化である。
ある実施形態において、この構築物は、単一のリコンビナーゼ部位を含み、ここで、この部位は、ゲノムへの構築物の挿入の間にコピーされ、その結果、因子（および任意に、ゲノムからのその最終的な除去が望まれている任意の他の構築物の部分）を含むポリタンパク質をコードする構築物の少なくとも一部が、ゲノムへの組込み後に２つのリコンビナーゼ部位によって隣接される。例えば、リコンビナーゼ部位は、レトロウイルス（例えば、レンチウイルス）ベクターの３’ＬＴＲにおいてであり得る（例えば、実施例４を参照のこと）。
ある態様において、本発明は、ポリシストロン性核酸構築物を含むベクターを提供する。ある実施形態において、これらのベクターは、レトロウイルスベクター、例えば、レンチウイルスベクターである。他の実施形態において、これらのベクターは、非レトロウイルスベクターであり、例えば、これらは、ウイルス性（例えば、アデノウイルス）または非ウイルス性であり得る。例示的なポリシストロン性核酸構築物、発現カセット、およびベクターは実施例３に記載されている。
ある態様において、本発明は、細胞または細胞系統（例えば、体細胞および細胞系統、例えば、線維芽細胞、ケラチノサイト、および本明細書で議論される他の型の細胞）を提供し、ここで、ポリシストロン性核酸構築物または発現カセット（例えば、本明細書に記載される構築物または発現カセットのいずれか）はゲノムに組み込まれる。ある実施形態において、細胞は齧歯類細胞、例えば、マウス細胞である。ある実施形態において、細胞は霊長類細胞、例えば、ヒト細胞である。
ある実施形態において、ポリタンパク質をコードする構築物の少なくとも一部がリコンビナーゼのための部位によって隣接される。プログラムされた細胞が誘導された後で、リコンビナーゼは、例えば、タンパク質形質導入によって細胞に導入でき、またはリコンビナーゼをコードしている遺伝子は、例えば、アデノウイルスベクターなどのベクターを使用して、細胞に導入できる。リコンビナーゼは、外因性再プログラミング因子をコードする配列をゲノムから切除する。ある実施形態において、細胞は、リコンビナーゼをコードする誘導性遺伝子を含み、ここで、リコンビナーゼは誘導の際に発現され、カセットを切除する。ある実施形態において、誘導性遺伝子はゲノムに組み込まれる。ある実施形態において、誘導性遺伝子はエピソーム上にある。ある実施形態において、細胞は、リコンビナーゼをコードする誘導性遺伝子を含まない。
ある実施形態において、核酸構築物またはカセットは、例えば、相同組換えを使用して、ゲノム中の特定の遺伝子座に標的化される。ある実施形態において、この遺伝子座は、哺乳動物の身体において大部分またはすべての細胞型の正常は発生のために不必要なものである。ある実施形態において、この遺伝子座は、この遺伝子座に挿入を有する体細胞から多能性ｉＰＳ細胞を誘導するための能力に影響を与えない。ある実施形態において、この遺伝子座は、そこへの挿入がＥＳ細胞の多能性を混乱させないものである。ある実施形態において、この遺伝子座は、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座またはＡＡＶ組込み遺伝子座である。ある実施形態において、この遺伝子座は構成的プロモーターを含む。ある実施形態において、この構築物またはカセットは、因子を含むポリペプチドをコードするポリシストロン性メッセージの発現が、この構築物またはカセットが標的化される遺伝子座に存在する内因性プロモーターから駆動されるように標的化される。
本発明はさらに、核酸構築物または発現カセットをそれらのゲノム内に有する体細胞から生成された多能性再プログラム細胞（ｉＰＳ細胞）を提供する。ｉＰＳ細胞は、多能性細胞のために意図される任意の目的のために使用できる。さらに提供されるのは、多能性再プログラム細胞から誘導された、分化した細胞系統（例えば、神経細胞、造血細胞、筋肉細胞、心臓細胞）である。例示的な体細胞およびそこから生成するｉＰＳ細胞は実施例３に記載される。
本発明は、再プログラミング因子が、再プログラミング因子の間に配置されたときに２Ａ配列の効率的なプロセシングを可能にするために必須の構造的要件を有することを確立した。これは重要な発見であった。なぜなら、切断は構造に基づく事象であると認識されていたからである（Ｓｚｙｍｃｚａｋ、前出）。本開示は、Ｃ末端において２Ａペプチドからさらにほぼ１７〜２１アミノ酸を有する転写因子が、核に入る能力を保持しており、それらの機能を実施することを確立している。本開示はまた、再プログラミング因子が、上流のタンパク質のＣ末端に残っている２Ａペプチドからのさらなるほぼ１７〜２１アミノ酸の存在を許容でき、再プログラミングにおいて機能的なままであることを確立する。
必要とされる再プログラミング因子を発現するために高力価レトロウイルスベクターを感染させることによる再プログラミングは高度に再現可能であるが、このプロセスは、比較的非効率的であり、必要とされる発現の絶対的レベルおよび相対的レベルと同様に、因子の発現のタイミングおよび順序に関する正確な要件は完全には理解されないままであった。さらに、ｉＰＳ細胞が、多くの現在のプロトコールにおいて、各々が単一の因子をコードする複数のウイルスで細胞を感染させることによって生成される場合、各ウイルスは２〜６の位置間で組込みを起こすことが示されており、ゲノム全体でほぼ１４〜２０の挿入事象を生じる。このプロセスは、遺伝的に修飾されたｉＰＳ細胞を作製し、未知の挿入によって生じる変異を含む可能性がある。さらに、感染細胞のわずかな部分のみが再プログラムされるので、これらの複数ウイルスプロトコールを使用して得られた結果は、導入遺伝子からの発現が起こる組込みの位置および／またはそれが起こるタイミングが、細胞が再プログラムされるか否かの重要な決定因子であるかどうかに関する疑問を残したままである。本発明は、ポリシストロン性転写物からであり、かつ２Ａ切断事象の効力に依存する相対的レベルである、複数因子の本質的に同時の発現が、再プログラミングを誘導するために有効であることを確立する。さらに、本発明は、単一コピーの因子が鎖プログラミングのために十分であることを確立する。４種の因子は、本発明の特定の実施形態において所定の位置（例えば、事前に選択した位置またはベクターの組込み後に決定される位置）から発現されるので、ポリシストロン性ベクター系は、再プログラミング機構の研究を単純化し、ベクターの切除を容易にする可能性がある。ある実施形態において、このような切除は、再プログラミング因子をコードする少なくとも１種の外因性配列の除去を生じる。ある実施形態において、このような切除は、遺伝子修飾を有さないｉＰＳ細胞を生じ、この修飾は、ある実施形態において、残りのリコンビナーゼ以外である。他の実施形態において、２個、３個、４個、または５個を超えないリコンビナーゼ部位が存在する。理論によって束縛されることを望まないが、単一の組込み構築物を含む再プログラミング細胞は、リコンビナーゼベースのアプローチを使用して、導入遺伝子を含まないｉＰＳ細胞を回収することの可能性または容易さを増加する。２種、３種、または４種の因子をコードするポリシストロン性ベクターが、再プログラミングを増強し、および／またはポリシストロン性ベクターによってコードされていない１種以上の因子を置き換える、小分子、タンパク質、または他の薬剤と組合せて使用されてもよいこともまた意図される。
実施例４は、再プログラミング因子を含まないヒト誘導性多能性幹細胞（ｈｉＰＳＣ）が、パーキンソン病を（ＰＤ）有する固体からの線維芽細胞由来のＣｒｅリコンビナーゼ切除可能ウイルスを使用して誘導される実験を記載している。本発明のある実施形態において、再プログラミング因子をコードしている外因性遺伝子を有さないｉＰＳ細胞は、単一の因子をコードする複数のベクターではなく、複数の因子（２種、３種、または４種の因子）を含むポリタンパク質をコードするポリシストロン性核酸構築物を含む単一のベクターが使用されることを例外として、実施例４に記載されるように、または同様の方法を使用して誘導される。当然、実施例４に記載される方法もまた、再プログラミング因子をコードする外因性遺伝子なしでｉＰＳ細胞を入手するために、個々のベクターをコードする複数のベクターとともに使用することができ、ここで、得られるｉＰＳ細胞は、少数の残りのリコンビナーゼ部位のみを有する。ＰＤを有する個体からの線維芽細胞は、実施例４における例示的な細胞型として使用されたが、これらの方法は、通常の体細胞（例えば、線維芽細胞または他の細胞型、例えば、ケラチノサイト、腸細胞、血液細胞）から、または関心対象の疾患を有する個体からの体細胞からの最小限の遺伝的変化を有するｉＰＳ細胞を誘導するために適用可能である。ある実施形態において、トランス活性化因子をコードする遺伝子はまた、リコンビナーゼ部位によって隣接され、その結果、これは同様にゲノムから除去される。
ｉＰＳ細胞およびそこから得られた分化した細胞は、研究目的のために（例えば、疾患を研究するため、および／または疾患のための治療剤を同定するためのモデル系として）および／または、ある実施形態において患者特異的な細胞ベースの治療である、細胞ベースの治療の開発のために有用である。
Ｃ．ヒトｉＰＳ細胞の発生的潜在能力および末梢血からの誘導
ｉＰＳ系の刺激的な潜在能力は、患者特異的な多能性細胞を誘導することである。本明細書に記載される研究は、患者特異的なｉＰＳ細胞を使用して、インビトロでの複雑なヒト疾患の研究を可能にするプロトコールを記載する。例えば、現在のところ、患者特異的なｉＰＳ細胞は、深い皮膚の生検から誘導されている。臨床設定においてｉＰＳ細胞を単離するための潜在的により単純なプロトコールを確立するための努力において、本明細書に記載される手順は、ｉＰＳ細胞を生成するためのドナー材料として末梢血を使用する。
Ｄ．小分子のためのスクリーン
本明細書に記載される研究は、再プログラミング効率を改善する小分子を同定するための高スループット系を提供する。これは、遺伝子操作または外因性遺伝子エレメントの挿入、例えば、Ｃ−ＭＹＣまたはＫＬＦ４のような発癌遺伝子のベクター媒介性形質導入を必要としない再プログラミング方法の確立を可能にする。
ＩＩ．実験的アプローチ
マウス系において、転写因子の薬物誘導性発現を可能にするベクターの使用は、再プログラミングを引き起こす分子事象を規定するために決定的であった。これらの実験は、再プログラミングが、アルカリホスファターゼ、ＳＳＥＡｌ、Ｏｃｔ４、およびＮａｎｏｇなどのＥＳ細胞マーカーの逐次的活性化を含むこと、ならびに形質導入される転写因子が、ｉＰＳ細胞を生じるために少なくとも１２日間の間発現される必要があったことを示した［Ｂｒａｍｂｒｉｎｋ、２００８ ＃６８７７］。目的Ａの主要な目標は、体細胞を再プログラミングする際の補助となり、ヒトＥＳおよびｉＰＳ細胞の遺伝子操作を可能にするツールを生成することである。これらのツールは、ヒト体細胞再プログラミングのメカニズムに集中している目的Ｂのために重要である。目的Ｃの目標は、キメラマウスにおいて、インビトロならびにインビボで、ヒトｉＰＳ細胞が機能的神経細胞に分化する潜在能力を評価するための実験系を確立することである。さらに、本発明者らは、ヒト末梢血からヒトｉＰＳ細胞を生成するためのプロトコールを設計する。最後に、目的Ｄの焦点は、遺伝的手段によって再プログラミング経路を活性化することに対する代替として、化学化合物についてスクリーニングすることである。
Ａ．ヒトＥＳ細胞およびｉＰＳ細胞の遺伝子操作のためのツールの生成
相同組換えによって内因性遺伝子を遺伝的に変化させる能力は生物学に革命をもたらし、胚性幹細胞との組合せで、分子医薬のために大きな将来性を有する。遺伝子ターゲッティングはマウスＥＳ細胞における日常的な手順であるが、この技術をヒト胚性幹細胞に移すことは以前には困難であった［Ｇｉｕｄｉｃｅ、２００８ ＃６８６３］。確かに、１０年前のＴｈｏｍｓｏｎによるヒトＥＳ細胞の最初の単離以来、内因性遺伝子の首尾よい標的化を報告する刊行物の登場は４件のみであった［Ｄａｖｉｓ、２００８ ＃６８６０；Ｉｒｉｏｎ、２００７ ＃６８５７；Ｚｗａｋａ、２００３ ＃６２２３；Ｕｒｂａｃｈ、２００４ ＃６１６３］。内因性遺伝子を遺伝的に修飾することの困難さは、ヒトＥＳ細胞の完全な潜在能力を実現するためには克服される必要がある。
本研究の焦点は、ヒトＥＳおよびｉＰＳ細胞の効率的な遺伝子操作を可能にするツールを確立することである。系統特異的な遺伝子にマーカーを有するｈｕＥＳ細胞を産生するために、本発明者らは、２つの異なるアプローチを使用し、従来的な相同組換えを使用して、鍵となる発生調節因子においてマーカーを有する、遺伝的に修飾されたヒトＥＳ細胞が作製された。系統特異的な遺伝子に挿入されたこれらのマーカーは、特異的神経細胞系統へのｉＰＳ細胞の分化のための次の目的において使用される。レトロウイルス媒介性因子形質導入の非存在下で、体細胞の効率的な再プログラミングを可能にする実験系もまた開発された。
相同組換えによる系統特異的遺伝子の標的化
未分化ＥＳ細胞からの分化細胞の誘導は、所望の分化した細胞型の単離のために使用できる系統特異的な内因性遺伝子に挿入されたマーカーによって容易にされる。本発明者らの予備的な実験は、ＧＦＰまたは薬物耐性マーカーを用いて、ＯＣＴ４ならびにＣＯＬ１Ａ１遺伝子座の標的化を実証した。従って、目標は、神経または他の系統の細胞中で発現され、アルツハイマー病およびパーキンソン病などの疾患に罹患している分化した細胞型のスクリーニングまたは選択のために使用できる遺伝子中に、薬物耐性マーカーおよび／またはＧＦＰ（または他の検出可能なマーカー）を有するＥＳおよびｉＰＳ細胞を生成することであった。
（ｉ）相同組換えによる神経系統特異的な標的遺伝子の遺伝子ターゲッティング
マウスＥＳ細胞とは対照的に、ヒトＥＳ細胞は、通常は限られた酵素消化のみを使用して機械的に継代される。細胞クローニングは、単一細胞増殖を増強する染色体異常を選択するからである。このことおよびゆっくりとした増殖は、遺伝子ターゲッティングがｈｕＥＳ細胞においてあまりにも非効率的であったことの重要な理由であり得る。最近、ＲＯＣＫ阻害剤Ｙ−２７６３２のｈｕＥＳへの適用が、解離誘導性アポトーシスを顕著に減少させること、およびクローニング効率を増加させることが示されてきた［Ｗａｔａｎａｂｅ、２００７ ＃６５４９］。従って、すべての実験は、この阻害剤の存在下で行われる。
相同組換えのために、２Ａ配列によって分離されるＧＦＰおよびｎｅｏ耐性マーカーを含む標的化ベクターは、日常的な手順を使用して、ＢＧＯ２またはＨ９ ＥＳ細胞の同質遺伝子的なゲノムＤＮＡから構築される。ＤＮＡは、公開された手順［Ｃｏｓｔａ、２００７ ＃６８６８］に従ってエレクトロポレーションされ、薬物耐性コロニーからのＤＮＡは、正確な標的化のために単離および分析される。本発明者らは、神経分化の間の様々な時点で、および以下に詳述されるようなニューロンの様々なサブセットの中で活性化される遺伝子を標的とする。
ＳＯＸ１：転写因子ＳＯＸ１は、マウスの神経前駆細胞中で独占的に発現される最も初期の既知の遺伝子である［Ａｕｂｅｒｔ、２００３ ＃６８４１］。この遺伝子に挿入されたＧＦＰは、ｈｕＥＳ細胞またはｉＰＳ細胞によって誘導された神経前駆細胞を選択するための便利なマーカーとして役立つ。
ＦＯＸＧ１：この遺伝子の発現は、終脳前駆細胞を増殖させる際に、および前脳基底核のアセチルコリン作動性ニューロン、アルツハイマー病に罹患している細胞において実証されてきた［Ｈｅｂｅｒｔ、２０００ ＃６８４４］。
ＰＩＴＸ３：このホメオドメイン転写因子は、チロシンヒドロキシラーゼ陽性ニューロンの最終分化の間に選択的に発現され、ＰＩＴＸ３−ＧＦＰトランスジェニックマウスから誘導された分化したＥＳ細胞の選別は、ドーパミン作動性ニューロンで富化されていることが示されてきた［Ｈｅｄｌｕｎｄ、２００８ ＃６８４５； Ｚｈａｏ、２００４ ＃６８４６］。
ＬＭＸ１：このホメオドメイン転写因子は、ドーパミン作動性前駆細胞を増殖させる重要な決定因子であるらしい［Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ、２００６ ＃６８４０］。
ＧＦＰによる関連系統特異的遺伝子のマーキングは、分化された細胞の富化されているかまたは相同集団でさえの単離を可能にする強固な分化プロトコールを確立する際の補助となることが示されてきた。４つの遺伝子にＧＦＰを有するｈｕＥＳ細胞は、アルツハイマー病またはパーキンソン病などの疾患を有する患者から誘導されたｉＰＳ細胞の研究のために関連がある、前駆細胞ならびにより分化した細胞で富化することを可能にする。
相同組換えの効率的な方法を確立することの困難さは、ｈｕＥＳ細胞系の有用性を大きく妨げてきた。予備的なデータは有望であり、２つの内因性遺伝子座、ＯＣＴ４およびＣＯＬ１Ａ１が、ＧＦＰおよびピューロマイシン耐性ｃＤＮＡを用いて標的化されたことを実証する（図１０）。しかしながら、今までのところ、ＥＳ細胞において発現されている遺伝子（ＯＣＴ４、ＨＰＲＴ、ＲＯＳＡ２６［Ｉｒｉｏｎ、２００７ ＃６８５７；Ｚｗａｋａ、２００３ ＃６２２３； Ｕｒｂａｃｈ、２００４ ＃６１６３］）またはＭＯＸＬ１［Ｄａｖｉｓ、２００８ ＃６８６０］などの発現される容易がある遺伝子のみがヒトＥＳ細胞において標的とされてきた。また、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座は、マウス細胞において高度に組換え発生性であり［Ｂｅａｒｄ、２００６ ＃６１９９］、この遺伝子座の標的化は、他の発現されない遺伝子に代表的なものではない。従って、本発明者らの意図は、相同組換えによって発現されない遺伝子を標的とすることであって、この目的は困難を課すものである。
様々な組合せの再プログラミング因子を有する「二次」ｉＰＳ細胞
本発明者らは、マウスｉＰＳ細胞が１５以上のプロウイルス挿入を有してもよいことを示しており［Ｗｅｒｎｉｇ、２００７ ＃６６４１］、このことは、再プログラミングプロセスの開始のために必要とされる因子発現の高いレベルまたは特定の化学量論を達成するために各ベクターの複数コピーを有する細胞の小画分についての強力な選択を示唆している。本明細書に示されるものは、ウイルス形質導入のための必要性を回避し、従って、「正しい」プロウイルスの組合せを運ぶ細胞の小画分を選択するための必要性を除外する系である。確かに、「一次」ｉＰＳ細胞からクローン的に誘導され、第１の場所で再プログラミングを達成したＤＯＸ誘導性プロウイルスの適切な数を有する「二次」線維芽細胞の生成は、成熟Ｂ細胞を多能性状態に再プログラムすることを本発明者らに可能にした［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。このアプローチは、（ｉ）あらかじめ選択された染色体の位置に組み込まれたプロウイルスベクターとしてか、または（ｉｉ）ゲノム発現遺伝子座への相同組換えによって挿入されるかのいずれかである、再プログラミング因子を有する、ヒト細胞および生成された二次線維芽細胞に適用される。この系は、再プログラミングのメカニズムを決定するために、および再プログラミングを増強するか、またはいずれかの因子を置き換える小分子をスクリーニングするために使用できる。
（ｉ）あらかじめ選択したプロウイルスを有する二次線維芽細胞：レトロウイルスコピーの「正しい」組合せおよび数を有する細胞をあらかじめ選択するために、２段階プロトコールが利用されてもよい。図２３Ａ〜２３Ｂはこのアプローチを概説しており、これは、マウスＢ細胞をｉＰＳ細胞に再プログラムするために利用したのと同じ論理に従う［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。最初に、ＯＣＴ４遺伝子中のＧＦＰマーカー、ならびにレンチウイルスで形質導入されたｔｅｔ ｒｔＴＡトランス活性化因子を有するＥＳ細胞またはｉＰＳ細胞は、線維芽細胞に分化される。これらの「一次」線維芽細胞は、ＤＯＸ誘導性ベクターを使用して４種すべての因子で形質導入され、ＤＯＸの存在下で培養され、再プログラムされた「一次」ｉＰＳ細胞を単離するためにＯＣＴ４活性化についてスクリーニングされる。これらのｉＰＳ細胞はＤＯＸの非存在下で分化され、「二次」線維芽細胞を生成する（図２３Ａ）。このアプローチの理論的根拠は、二次線維芽細胞が第１の段階で「一次」ｉＰＳ細胞として選択されたので、これらが「正しい」組合せのベクターコピーを有することである。これらの二次線維芽細胞は、これらが単一のｉＰＳコロニーから生じるので、遺伝的に相同である。このような培養物へのＤＯＸの添加の際に、組込まれたベクターは再活性化され、新たな因子の導入を必要とすることなく「二次」ｉＰＳ細胞の一貫した生成を生じる（図２３Ｂ）。これは、一次ｉＰＳ細胞からの動物の生成のプロセスを経由することなく、ヒト（またはマウス、サルなど）二次ｉＰＳ細胞を生成するために使用できる。あるいは、ＤＯＸ誘導性ポリシストロン性ベクター（図１３Ａ〜１３Ｃ）が、一次ｉＰＳ細胞の生成のために単一因子ベクターの代わりに使用できる。（ｉｉ）ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に再プログラミング因子を有する二次線維芽細胞：すべてのレトロウイルス感染を回避する努力において、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座または他の非必須遺伝子座、例えば、ＲＯＳＡ２６またはＡＡＶＳ１遺伝子座（アデノ随伴ウイルス（ＡＡＶ）が組込む特異的遺伝子座）においてすべての再プログラミング因子を有する二次線維芽細胞が産生される。マウスＥＳ細胞において、本発明者らは、Ｃｏｌ１ａ１遺伝子座が効率よく標的化でき、挿入された導入遺伝子の再現可能な遍在的または誘導性の発現を生じることを示してきた［Ｂｅａｒｄ、２００６ ＃６１９９； Ｈｏｃｈｅｄｌｉｎｇｅｒ、２００５ ＃５７５８］。Ｄｏｘ誘導性ｒｔＴＡトランス活性化因子およびＯＣＴ４
ＧＦＰレポーターに加えて、ｔｅｔオペレーターの制御下で再プログラミング因子のすべてまたはサブセットをコードするＣＯＬ１Ａ遺伝子座に挿入されたレポーターポリシストロン性ベクターを有するレポーター細胞が構築される（図２４）。この図において、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびｃＭＹＣは、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に挿入されている。一次線維芽細胞はインビトロで誘導され、２つのＬｏｘ部位によって隣接されるＫＬＦ４ウイルスで感染される。一次ｉＰＳ細胞は、上記のようにＤＯＸによって誘導される３種の因子で選択され、ＫＬＦ４ウイルスはＣｒｅ形質導入によって削除され［Ｈａｎｎａ、２００７ ＃６７８１］、ｖＫＬＦ４を各二次線維芽細胞はインビトロ分化によって誘導される。これらの細胞は、再プログラミングにおけるＫＬＦ４の必要性を置き換える小分子について（以下を参照のこと、目的Ｄ）、または一過性トランスフェクションプロトコールを合理化することについて（目的Ｂ．２、４）スクリーニングすることができる。
再プログラミングは、より多数のプロウイルス挿入を有するｉＰＳ細胞の小画分について選択する。この目的において提案される実験は、より効率的かつ再現可能な再プログラミングを可能にする実験系を確立することを探求する。このプロセスは、まれなｉＰＳ細胞を選択するランダムなプロウイルス挿入とは独立しているからである。目的は、２または３のＤＯＸ誘導性因子の任意の組合せを有する二次線維芽細胞を生成することであり、従って、再プログラミングを増強または誘導できる小分子についてスクリーニングするために、本発明者らの目的のための欠けている因子を置き換える小分子をスクリーニングすることを可能にする（目的Ｄ）。また、この系は、再プログラミングの分子メカニズムを研究するために重要である（目的Ｂ．４）。
Ｂ．ヒト体細胞のインビトロ再プログラミング
ＤＯＸ誘導性レンチウイルス系は、マウス線維芽細胞の再プログラミング反応速度論を規定するために使用されてきた。本明細書に記載される研究は、ヒト体細胞の再プログラミングのための反応速度論および最小ベクター発現を決定するために上記のツールを使用する。さらに、本発明者らは、遺伝子の変化を最小化または回避する再プログラミングの方法を開発し、そして本発明者らは、再プログラミングを増強するさらなる遺伝子を単離するための挿入変異誘導を使用する。最後に、本発明者らは、再プログラミングの中間段階と同様に、ｉＰＳ細胞の後成的状態を規定する。
Ｃ．発生の潜在能力および血液ドナー細胞からの誘導
患者の特異的ｉＰＳ細胞の最も重要な適用は、試験管内で複雑なヒト疾患を研究する際のそれらの潜在的な用途である。この適用のために、この技術が臨床設定において使用できる前に、堅固な実験アプローチが確立される必要がある。本明細書に記載されている研究は、ｉＰＳ細胞およびｈｕＥＳ細胞の再現可能なインビトロ分化を可能にする手順、ならびにｉＰＳ細胞のインビボ潜在能力の評価を確立する。ヒト末梢血サンプルからのｉＰＳ細胞の単離もまた実施してもよい。
３．ドナーとしてのＢ細胞、Ｔ細胞、およびマクロファージ
深い皮膚生検からの代わりに末梢血から得られた細胞を直接的に再プログラムすることは関心が持たれる。なぜなら、これは、臨床設定において患者特異的ｉＰＳ細胞を生成することを容易にするからである。本発明者らは、未成熟および成熟マウスＢ細胞が多能性ｉＰＳ細胞に効率的に再プログラムできること、およびこれらの細胞が、免疫グロブリン遺伝子座のドナー細胞特異的な遺伝子再配列を有することを最近示した［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。驚くべきことに、再プログラミング成熟マウスＢ細胞の効率は３％であり、これは、ＭＥＦの成体線維芽細胞のそれよりも実質的に高い。この目的は、マウスリンパ球のヒト末梢血サンプルへの再プログラミングのために使用される方法を適合させることを探索する。
ドナー細胞：ｃ／ＥＢＰａトランス活性化因子を用いる形質導入は、成熟マウスＢ細胞を、４種の再プログラミング因子の作用に感受性にすることが必要とされた［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。本発明者らは、ヒト末梢血から種々の細胞集団を単離し、再プログラミングに対するそれらの感受性を試験する。
（ｉ）Ｂ細胞およびＴ細胞：マウスＢ細胞再プログラミングのためのプロトコールを適合させるための努力において、本発明者らは、Ｂ細胞およびＴ細胞の増殖を刺激するために確立された手順を使用し［Ｍｅｒｃｉｅｒ−Ｌｅｔｏｎｄａｌ、２００８ ＃６８５５］、そしてｃ／ＥＢＰａおよびｒｔＴＡトランス活性化因子を形質導入するベクターで細胞に感染させる。サイトカイン中の培養の数日後、細胞は、ＤＯＸ誘導
性再プログラミング因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、Ｃ−ＭＹＣ、およびＫＬＦ４で形質導入し、ＥＳ細胞培地で培養した。再プログラムされたコロニーは形態によって単離し、ＴＲＡ１６０、ＳＳＥＡ３／４、ＮＡＮＯＧ、およびＯＣＴ４などの多能性マーカーの発現について試験した。ｉＰＳ細胞のドナー細胞起源を確認するために、本発明者らは、ＩｇまたはＴＣＲ再配列の存在についてゲノムＤＮＡを分析する。
（ｉｉ）単球：マウスを用いる本発明者らの結果は、成熟Ｂ細胞の再プログラミングにおける中間工程がマクロファージ様細胞であり得ることを示唆した［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。単球は、フィコール勾配遠心分離によって、ヒトボランティアのバフィーコートから単離され、接着細胞が単離される。細胞は、確立された手順に従って、ＩＬ４およびＧＭ−ＣＳＦ中で増殖される［Ｄａｍａｊ、２００７ ＃６８５４］。本発明者らは、上記のように４種の因子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ｃＭＹＣ、およびＫＬＦ４で細胞に形質導入し、ＤＯＸの存在下においてＥＳ細胞培地中で培養を継続する。ｉＰＳ形態を有するコロニーを拾い上げ、上記のような多能性マーカーの発現について分析する。血液由来のｉＰＳ細胞の発生的な潜在能力は、テラトーマ形成およびインビトロ分化などの標準的な手順によって評価される。
現在のところ、患者特異的ｉＰＳ細胞を単離するストラテジーは、深い皮膚の生検から誘導されるドナー細胞の再プログラミングを想定しており、これは、血液を収集するよりもより複雑でかつ痛みのある手順である。日常的な臨床適用のために、末梢血サンプルから患者特異的なｉＰＳ細胞の日常的な単離のための再現可能なプロトコールを設計することは明白な関心対象である。本発明者らは、提案された実験がこのようなプロトコールを確立する際の補助となると予測している。
容易かつ効率的なマウスＢ細胞再プログラミングが与えられれば、本発明者は、このプロトコールがヒト末梢血由来のサンプルにおいてもまた有効であるはずであると後押しされる。Ｂ細胞またはＴ細胞由来のｉＰＳ細胞は、それぞれＩｇまたはＴＣＲ遺伝子座において遺伝子再配列を有するので、マクロファージまたは単球をドナーとして使用することは、潜在的な治療的適用のために有利であり得る。これらは遺伝的な変化を有していないからである。本発明者は、ｃ／ＥＢＰαが、成熟Ｂ細胞をＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ｃＭＹＣ、およびＫＬＦ４による再プログラミングに対して感受性にさせるメカニズムを知らないが、これは、Ｂ細胞の同一性のマクロファージへの同一性への転換を含む場合がある［Ｘｉｅ、２００４ ＃５４４７］。これらの考慮は、ヒト単球からのｉＰＳ細胞を誘導することが正攻法であり得ることを示唆する。しかしながら、マウスにおいて開発された手順が、血液由来のヒトｉＰＳ細胞を生じることに失敗するならば、本発明者らは確立されたアプローチを使用してさらなる因子をスクリーニングする。
Ｄ．小分子のスクリーニング
レトロウイルスベクター媒介性遺伝子移入による再プログラミングの誘導、特に、発癌遺伝子の形質導入は、このアプローチの最終的な治療的適への深刻な障害を表している。例えば、本発明者らおよび他の研究者らは［Ｏｋｉｔａ、２００７ ＃６５４２］、キメラにおける腫瘍型が、ｖ−ｍｙｃ ｃ−Ｍｙｃ活性化に起因してｉＰＳ細胞を用いて産生されることを見ている。従って、再プログラミング活性を改善するか、または関連する経路を活性化するかのいずれかであり、それゆれにＣ−ＭＹＣまたはＫＬＦ４などの所定の因子を発現することの必要性を置き換えることができる、低分子を同定することは関心が持たれるものである。この目的の目標は、このような化合物の化学ライブラリーをスクリーニングするための高スループット細胞ベースアッセイ系を確立することである。
Ｄ．１ 低分子ライブラリースクリーニングのための実験設計およびレポーター細胞
高スループットスクリーニングにおける再プログラミングを検出するために、本発明者らは、内因性ＯＣＴ４またはＮＡＮＯＧ遺伝子座に挿入されたＧＦＰなどのマーカーを有する細胞を必要とする。このような細胞はマーカーを発現しないが、内因性遺伝子のいずれかを活性化する化合物についてスクリーニングするために使用できる。
再プログラミングのための高スループットスクリーニングを設定するために、本発明者らは、実験設計を制限する２つの主要な制約を考慮する。
・異種細胞集団：最も決定的な制限は、４種の因子を有する線維芽細胞の形質導入が、遺伝的に異種の細胞の集団を産生することである。Ｖ．Ａ．３において上記に議論したように、４種の因子の「正しい」発現レベルまたはその発現レベルの「正しい」組合せを生じる特定の数のウイルスベクターを有する、感染細胞の小さな画分のみが、再プログラミングのためにスクリーニングするときに選択されるものであるようである。従って、個々のウェルにおける感染細胞は、ウイルス組込みおよびウイルスコピー数に関して異なっており、スクリーニングにおいて様々な化合物に曝露されたウェルの意味のある比較を除外する。
・アッセイのマーカー活性化の頻度、感度、および時間の制約：スクリーニングを設定するための別の重要な配慮は、検出系の感度に関する：所定のウェル中で検出可能になるためには、どれだけ多くの細胞がＯＣＴ４−ＧＦＰレポーター遺伝子を発現させる必要があるだろうか。レポーター遺伝子発現は重要な制約である。なぜなら、再プログラムされた細胞の画分は、活性化合物を用いて、ウェル中で少なくとも単一の検出可能な再プログラミング事象を生じるために十分に高い必要があるからである。さらに、再プログラムされた細胞は、４種の因子を用いる感染の３〜５週間後のみに線維芽細胞の集団の中に見られる。従って、感染細胞は、この期間においては９６または３８４ウェル形式で生存および増殖する必要があり、これは、プレートできる細胞の数を制限する。
これらの制限を克服するために、本発明者らは、遺伝的に均質である線維芽細胞集団を生成する。なぜなら、これらは（ｉ）同じ数のベクター組込みを有し、または（ｉｉ）相同組換えによって内因性遺伝子発現遺伝子座に挿入される再プログラミング因子の様々な組合せを有するからである。
（ｉ）特定のおよび所定のプロウイルスの組合せを有する「二次」クローン性線維芽細胞：本発明者らは、「二次」マウスｉＰＳ細胞が、４種の転写因子Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−ｍｙｃ、およびＫｌｆ４を形質導入するＤＯＸ誘導性レンチウイルスでの線維芽細胞の感染によって生成された「一次」ｉＰＳ細胞から誘導できることを最近示している［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。プロウイルスコピーの「正しい」組合せおよび数は「二次」線維芽細胞の中に含まれるので、ウイルス感染は、Ｂ細胞の二次ｉＰＳ細胞への再プログラミングを誘導するためには必要とされなかった。
本発明者らは、レトロウイルスコピーの「正しい」組合せおよび数を有する細胞をあらかじめ選択するための類似のプロトコールを続ける。図２３Ａ〜２３Ｂに示されるように、「二次」線維芽細胞は、ＤＯＸなしでのインビトロ分化によって「一次」ｉＰＳ細胞から誘導される。単一の因子を形質導入する複数のベクターを使用する代わりに、本発明者らは、様々な因子の組合せの形質導入のために、図１３Ａ〜１３Ｃおよび１４Ａ〜１４Ｅに記載されるようなポリシストロン性構築物を代替的に使用する。ＶＩ．Ａ．３に概略されるように、「二次」線維芽細胞またはＢ細胞を使用するこのアプローチは、再プログラミング因子の効率的かつＤＯＸ依存性活性化を生じ、いかなるさらなるウイルス感染を必要とすることも伴うことなく、ｉＰＳ形成に導いた［Ｈａｎｎａ、２００８ ＃６８４２］。ＤＯＸ添加濃縮債に生じるｉＰＳ細胞の画分を評価するために、本発明者らは、９６ウェルプレートのウェルあたり５００〜１０００細胞、および３８４ウェルプレートのウェルあたり約１００細胞をプレートし、ＧＦＰ陽性細胞の画分を評価する。マウス系における結果は、二次ｉＰＳ細胞はＤＯＸ誘導の２週間または３週間のみに生じることを示した。細胞は、９６ウェルプレートまたは３８４プレートにおいて、約７日間のみ培養できるので、本発明者らは、プレーティング前の様々な時点で二次線維芽細胞をＤＯＸで前処理する。
（ｉｉ）ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座においてＤＯＸ誘導性再プログラミング因子を有するトランスジェニック線維芽細胞：本発明者らは、Ｃｏｌ１ａ１遺伝子座に挿入された導入遺伝子がトランスジェニックマウスで高度に発現されること、および、ｔｅｔオペレーターの制御下に配置された場合、ＤＯＸ適用に際してすべての組織において再現可能に発現されることを示した［Ｂｅａｒｄ、２００６ ＃６１９９；Ｈｏｃｈｅｄｌｉｎｇｅｒ、２００５ ＃５７５８］。本発明者らは、ＯＣＴ４遺伝子座にＧＦＰマーカーを有するｈｕＥＳ細胞のＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に、ｔｅｔオペレーターの制御下にある４種の再プログラミング因子のうちの３種またはすべての様々な組合せを発現するポリシストロン性構築物を挿入する（図１０）。加えて、細胞は、ｒｔＴＡトランス活性化因子を形質導入するレンチウイルスベクターで感染される。細胞は、再プログラミングを増強するか、または所定の因子を置き換える化合物についてスクリーニングできる二次線維芽細胞に分化される（以下を参照のこと、図２４）。
Ｄ．２ 再プログラミング効率を増強する化合物のスクリーニング
再プログラミング効率を増加させる化合物をスクリーニングするために、本発明者らは、ＤＯＸの存在下で、４種すべての因子の「正しい」組合せを有する二次ｉＰＳ細胞、またはＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に４種すべての因子を有する線維芽細胞を培養する（図２４）。予備的な実験において、本発明者らは、スクリーニングにおいて検出できるＧＦＰ陽性細胞簿の画分を決定する。４種の因子で形質導入した線維芽細胞から生じる再プログラムされた細胞の画分が低いならば、所定の化合物が、再プログラムされた細胞の画分を顕著に増加しない限り、それぞれ、９６ウェルプレートまたは３８４ウェルプレートあたりにプレートできる１０００細胞または１００細胞の中に単一の再プログラムされた細胞を検出することは困難または不可能であり得る。しかしながら、このアッセイは、固有に低いシグナルについて補償する非常に低いバックグラウンドを有する。
試験的なスクリーニングにおいて、本発明者らは、４種因子レポーター細胞の中に生じるＧＦＰ陽性細胞の画分を試験し、これらの細胞は、ＤＯＸの存在下で培養され、５−アザｄＣで処理されるかまたは処理されず、またはＤＮＭＴ１ ｓｉＲＮＡで感染され、その両方が、全体的なＤＮＡメチル化レベルを減少し、マウス線維芽細胞の再プログラミングを増強することが示された処理である［Ｍｉｋｋｅｌｓｅｎ、２００８ ＃６８９１］。これらの条件のいずれかの下であるＧＦＰ陽性細胞の画分は、よりストリンジェントではないスクリーニングにおいてＧＦＰ陽性細胞の画分を増強する化合物を検出するために、ウェルあたりどれほど多くの細胞がプレートされる必要があるかを決定する。よりストリンジェントなスクリーニングは、５−アザｄＣで処理されておらず、またはＤＮＭＴ１
ｓｉＲＮＡベクターで感染されている細胞を使用する。なぜなら、これは、上記よりもより効率的にレポーターを活性化する化合物について、感作されていない細胞モニターするからである。
Ｄ．３ ４種の因子のいずれかを置き換える化合物についてのスクリーニング
レトロウイルスで形質導入された因子のいずれかを置き換えることができる化合物をスクリーニングするために、本発明者らは、独立して調節できるベクターで細胞を形質導入する。このアプローチの概念は、３種の因子は１つの誘導性系の制御下にあり、第４の因子が独立した誘導性制御の下にあるということである。本発明者らは、２つの異なるストラテジーを使用して、スクリーニングのために使用される細胞を産生する。
（ｉ）タモキシフェン誘導性ベクター：本発明者らは、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４、およびＣ−ＭＹＣエストロゲン受容体（ＥＲ）融合構築物を形質導入するベクターを生成し［Ｇｒａｎｄｏｒｉ、１９９６ ＃６５０５］、その発現は、培地へのタモキシフェンの添加によって活性化される（図１１Ｂ）。図２６において概説されるように、ＯＣＴ４−ＧＦＰレポーター一次線維芽細胞は、３種のタモキシフェン誘導性因子を、ＤＯＸ依存性ベクターから発現される第４の因子とともに発現するレトロウイルスで形質導入される。この感染細胞は、タモキシフェンおよびＤＯＸを含む培地中で増殖され、「一次」ｉＰＳ細胞は、ＧＦＰ発現についてスクリーニングすることによって選択される。上記のように、二次線維芽細胞が誘導され、タモキシフェンに曝露されて３種のタモキシフェン依存性因子を活性化し、そしてＤＯＸおよびｃＭＹＣ発現の非存在下でＧＦＰレポーターを活性化する小分子化合物についてスクリーニングされる。
（ｉｉ）ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座において様々な組合せの因子を有するトランスジェニック線維芽細胞：本発明者らは、図２４に概説されているように、レトロウイルス感染を回避する代替的なストラテジーを追求する。一次線維芽細胞は、ＯＣＴ４−ＧＦＰマーカーおよびウイルスで形質導入されたｔｅｔ Ｍ２ｒｔＴＡトランス活性化因子に加えて、ＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に３種の再プログラミング因子の任意の組合せをコードしているポリシストロン性構築物を有する、ｈｕＥＳ細胞から誘導される［Ｂｅａｒｄ、２００６ ＃６１９９； Ｈｏｃｈｅｄｌｉｎｇｅｒ、２００５ ＃５７５８］；図１３Ａ〜１３Ｃ、１４Ａ〜１４Ｅを比較のこと）。線維芽細胞は、欠いている第４の因子を有するＬｏｘ隣接ベクター（図２４のＫＬＦ４）で形質導入され、一次ｉＰＳ細胞が誘導される。ＫＬＦ４ベクターを削除するためのＣｒｅ形質導入後、二次線維芽細胞が誘導される。ＤＯＸ曝露はＣＯＬ１Ａ１遺伝子座に挿入された３種のＤＯＸ依存性因子を活性化し、細胞は、欠損している第４の因子（この場合はＫＬＦ４）の存在下でＧＦＰレポーターを活性化する小分子についてスクリーニングされる。スクリーンを感作するために、本発明者らは５−アザ−ｄＣで処理された細胞を使用する。
Ｄ．４ スクリーニングプラットフォーム
低分子ライブラリーのスクリーニングは、ＳｃｒｉｐｐｓにおけるＳ．Ｄｉｎｇの研究室と協力して実施される（Ｓ．Ｄｉｎｇによるレターを参照のこと）。例えば，Ｄｉｎｇ研究室は、細胞ベースの表現型高スループットスクリーニングを開発および最適化しており［Ｘｕ、２００８ ＃６８７５］、化学的に規定された培地中で、かつＬＩＦの非存在下で、ＥＳ細胞の自己再生を持続する小分子プルリポチンを同定した［Ｃｈｅｎ、２００６ ＃６８７１］。このスクリーニングは、Ｏｃｔ４プロモーターで駆動されるＧＦＰマーカーの発現に基づいていた。本発明者らは、ＧＦＰ活性化についての上記と同様に、様々な組合せの因子を有するＯｃｔ４−ＧＦＰトランスジェニック線維芽細胞をスクリーニングする。
スクリーニングにおいて正の値となった任意の化合物の活性は、規定された培養条件下で確認された。主要な組織は、再プログラミングプロセスに関与する分子経路を調べるためである。
可能性のある結果および解釈：本発明者らは、ＯＣＴ４遺伝子の活性化についてのスクリーニングが、体細胞の後成的状態から多能性細胞に特徴的なものへの移行を容易にする化合物を同定し、従って、再プログラミングプロセスをより効率的にすると予想する。これらの実験の別の重要な目的は、ＭＹＣ、ＯＣＴ４、またはＫＬＦ４などの癌遺伝子をコードする遺伝子の形質導入を含む、遺伝子操作の必要性を置き換えることができる小分子化合物を発見することである。
高スループットスクリーニングのための２つの最も顕著な潜在的な問題は、（ｉ）再プログラミングが起こるために必要とされる時間、および（ｉｉ）まれな再プログラミング事象が、９６または３８４ウェルプレートのウェルあたりにプレートできる限られた細胞数で検出できるのかということである。上記に議論したように、本発明者らは、「正しい」数および組合せの因子を有するように細胞を前条件付けし、さらに、種々のレポーター遺伝子の再プログラミング誘導性活性化の頻度を増加させるように、細胞を感作させた。再プログラミング効率を増加させる化合物が一旦同定されると、これらは、ｉＰＳ細胞形成をさらに増強できるさらなる成分についての次のスクリーニングにおける感作物質として使用される。
有意性：再プログラミングを誘導する現在のストラテジーは、あらゆる治療適用に対する傷害である強力な発癌遺伝子の形質導入に頼っている。この目的は、関連する経路を活性化でき、従って、効率を改善し、再プログラミングを誘導するために必要とされる遺伝子の変化をおそらく最小化する小分子を同定することを探索する。
有意性および長期的な意味
多能性ｉＰＳ細胞のインビトロ生成の方法は、複雑なヒト疾患の研究に革命を起こすことが約束されており、変性性疾患の最終的な処置のために顕著な意味を有する、マウス体細胞の多能性状態へのインビトロ再プログラミングは合理的に効率的であることが示されており、このプロセスの根底にある分子メカニズムは活発に研究されている。しかしながら、ヒト細胞の再プログラミングは、より骨が折れかつ困難であることが判明しており、主要な技術的な問題は、この技術が臨床的用途に適合される前に解決される必要がある。本明細書に記載される研究は、ヒト体細胞の多能性状態への転換を引き起こす分子メカニズムを規定すること、ヒトｉＰＳ細胞の発生的潜在能力を評価するためのストラテジーを考案すること、および遺伝子操作の必要なしで再プログラミングを達成することを探求する。本明細書に記載される研究は、ヒト疾患を研究するためにこの技術の適用を現在妨げている決定的な障害のいくつかを解決すること、および変性性疾患の移植治療のためのその最終的な使用に寄与する。
（実施例３）
単一のポリシストロン性ベクターを使用するマウスおよびヒトの体細胞の再プログラミング
材料および方法
ウイルスの調製および感染
テトラサイクリンオペレーターおよび最小ＣＭＶプロモーターの制御下にあるＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃを含む４Ｆ２Ａレンチウイルスベクターの構築は、ＦＵＷレンチウイルスバックボーンからＥｃｏＲＩクローニング後に生成した。すべての構築物は、ＰＣＲによる増幅後に独特な制限部位を使用して生成して、それぞれの２Ａペプチド間に個々の因子を配置した（第１ ＸｂａＩ−ＮｈｅＩ；第２ ＳｐｈＩ；第３ ＸｈｏＩ；第４ ＡｓｃＩ）。それぞれの２Ａ配列は以下の通りである：
複製不能レンチウイルス粒子（４Ｆ２ＡおよびＭ２ｒｔＴＡ）は、ＶＳＶ−Ｇコートとともに２９３Ｔ細胞にパッケージし、内因性Ｎａｎｏｇ遺伝子座に標的化されるＧＦＰ対立遺伝子を含むＭＥＦに感染するために使用した（２５）（７）。１４週齢尾端線維芽細胞は、以前に公開されたようにマウスから誘導した（１２）。ヒトケラチノサイト（ＮＨＦＫ）は、Ｃｏｒｉｅｌｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃａｍｄｅｎ，ＮＪから入手した。２種のウイルスの各々をパッケージングした細胞からの上清はプールし、０．４５μＭフィルターを通して濾過し、そして濃縮のために超遠心分離に供した。ウイルスペレットはＥＳ細胞培地（１０％ＦＢＳを補充したＤＭＥＭ（Ｈｙｃｌｏｎｅ）、白血病阻害因子、β−メルカプトエタノール（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、ペニシリン／ストレプトマイシン、Ｌ−グルタミンおよび非必須アミノ酸（すべてＩｎｖｉｔｒｏｇｅｎより））に再懸濁し、その後、２４時間細胞に適用した。
ウェスタンブロット
２％ ＳＤＳ、１０ｍＭ ジチオスレイトール、１０％ グリセロール、１２％ 尿素、１０ｍＭ Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ ７．５）、１ｍＭ フェニルメチルスルホニルフルオリド、１×プロテアーゼインヒビター混合物（Ｒｏｃｈｅ）、２５μＭ ＭＧ１３２
プロテオソームインヒビターを含む１００μｌの溶解緩衝液を５分間煮沸した。次いで、Ｂｒａｄｆｏｒｄ試薬（Ｐｉｅｒｃｅ）を使用してタンパク質を定量し、５９０ｎｍで分光光度的な読み取りを行った。濃度は、ウシ血清アルブミンを使用して生成した標準曲線に対して見積もった。全タンパク質（５μｇ）を、１０％ ＳＤＳを含む変性１０％ ポリアクリルアミドゲル中の電気泳動に供した。次いで、セミドライ転写装置を使用して、タンパク質をＩｍｍｏｂｉｌｏｎ−Ｐメンブレン（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）に転写した。メンブレンは、ＰＢＳ中、２％ ノンファット粉末ミルク（Ｂｉｏ−Ｒａｄ）を含む、０．０１％ Ｔｗｅｅｎ ２０でブロックした。タンパク質は、ブロッキング溶液中の５０ｎｇ／ｍｌ濃度の抗体とともにインキュベートすることによって検出した。使用した抗体は
Ｏｃｔ４（ｈ−１３４ Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）；Ｓｏｘ２（マウスモノクローナル Ｒ＆Ｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）；ｃ−Ｍｙｃ（０６−３４０ Ｕｐｓｔａｔｅ）；Ｋｌｆ４（Ｈ−１８０ Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）；ＧＡＰＤＨ（ｓｃ−２５７７８ Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）であった。
定量的ＲＴ−ＰＣＲ
総ＲＮＡはＴｒｉｚｏｌ試薬（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用して単離した。ＤＮＡフリーＲＮＡキット（Ｚｙｍｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）を使用して、５μｇの総ＲＮＡをＤＮａｓｅ Ｉで処理して、潜在的なゲノムＤＮＡの汚染を除去した。１μｇのＤＮａｓｅ Ｉ処理したＲＮＡを、Ｆｉｒｓｔ Ｓｔｒａｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓキット（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用して逆転写し、最終的に、１００μｌの水に再懸濁した。定量的ＰＣＲ分析は、ＡＢＩ Ｐｒｉｓｍ ７０００（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）において、Ｐｌａｔｉｎｕｍ ＳＹＢＲ ｇｒｅｅｎ ｑＰＣＲ ＳｕｐｅｒＭｉｘ−ＵＤＧ ｗｉｔｈ ＲＯＸ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用いる逆転写反応の１／５０を使用して３連で実施した。等量のローディングはＧＡＰＤＨ ｍＲＮＡを増幅することによって達成し、すべての反応は３連で実施した。増幅のために使用したプライマーは以下の通りであった：
エラーバーは３連の反応の平均の標準偏差を表す。
サザンブロッティング
１０μｇのＢａｍＨＩ消化したゲノムＤＮＡを０．７％ アガロースゲル上で分離し、ナイロンメンブレン（Ａｍｅｒｓｈａｍ）に転写し、そしてＯＣＴ４（ｐＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ＯＣＴ４プラスミドのＥｃｏＲＩ−ＰｓｔＩフラグメント）、ＫＬＦ４（全長ＫＬＦ４ ｃＤＮＡ）、ｃ−ＭＹＣ （全長ｃ−ＭＹＣ ｃＤＮＡ）、およびＳＯＸ２（ｐＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ＳＯＸ２プラスミドの全長フラグメント）についての３２Ｐランダムプライマー（Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ）標識したプローブとともにハイブリダイズさせた。
免疫蛍光染色
細胞は、４％ パラホルムアルデヒド中で２５℃にて２０分間固定し、ＰＢＳで３回洗浄し、そして０．１％ Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘを含むＰＢＳ中の５％ ＦＢＳで１５分間ブロックした。０．１％ Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘを含むＰＢＳ中の１％ ＦＢＳ中のＯｃｔ４（Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ ｈ−１３４）、Ｓｏｘ２（Ｒ＆Ｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）、Ｎａｎｏｇ（ａｎｔｉ−ｍｓ Ｒ＆Ｄ ａｎｄ ａｎｔｉ−ｈ）、Ｔｒａ−１−６０、（マウスモノクローナル、Ｃｈｅｍｉｃｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）；ｈＮＡＮＯＧ（ヤギポリクローナル Ｒ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）； ｍＮＡＮＯＧ（Ｂｅｔｈｙｌ Ａ３００−３９８Ａ）、Ｔｒａｌ−８１（マウスモノクローナル、Ｃｈｅｍｉｃｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、ＳＳＥＡ４およびＳＳＥＡ１（モノクローナルマウス、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｈｙｂｒｉｄｏｍａ Ｂａｎｋ）に対する一次抗体との１時間のインキュベーション後、細胞は、ＰＢＳで３回洗浄し、Ｊａｃｋｓｏｎ
Ｉｍｍｕｎｏｒｅｓｅａｒｃｈから購入した蛍光団標識された適切な二次抗体とともにインキュベートした。試料はＯｌｙｍｐｕｓ蛍光顕微鏡で分析し、画像はＺｅｉｓｓ Ａｘｉｏｃａｍカメラで獲得した。
マウスキメラおよびテラトーマ形成
二倍体胚盤胞（ｈＣＧ注入の９４〜９８時間後）は、ミネラルオイル下の１滴のＨｅｐｅｓ−ＣＺＢ培地中に配置した。１６μｍ内径の平らな先端のマイクロインジェクションピペットをｉＰＳ細胞注入のために使用した。各胚盤胞は８〜１０個のｉＰＳ細胞を受容した。注入後、胚盤胞は、カリウムシンプレックス最適化培地（ＫＳＯＭ）中で培養し、レシピエント雌に移すまで３７℃に配置した。約１０個の注入された胚盤胞は、交尾２．５日後の偽妊娠Ｂ６Ｄ２Ｆ１雌の各子宮角に移した。仔は１９．５日目に回収し、必要な場合、授乳Ｂ６Ｄ２Ｆ１母を里親とした。テラトーマ形成は、レシピエントＳＣＩＤまたはＲａｇ２−／−マウスの脇腹の下に２×１０６細胞を沈着させることによって実施した。腫瘍は組織学的分析のために３〜６週間後に単離した。
ヒトテラトーマ形成および分析
ｈｉＰＳＣはコラゲナーゼ処理（１．５ｍｇ／ｍｌ）によって収集し、引き続く培地での洗浄およびｉＰＳＣコロニーの沈殿によって支持細胞から分離した。ｉＰＳＣ凝集体は遠心分離によって収集し、２５０μｌのｉＰＳＣ培養培地中に１０６細胞の比率で再懸濁し、ｉＰＳＣはＳＣＩＤマウス（Ｔａｃｏｎｉｃ）の背中に２１ゲージ針によって皮下注射した。腫瘍は６週間以内に発生し、動物は腫瘍サイズが直径１．５ｃｍを超える前に屠殺した。テラトーマはマウスを屠殺した後で単離し、ホルマリンで固定した。切片化後、テラトーマはヘマトキシリンおよびエオシン染色に基づいて診断した。核型分析はＣＬＧｅｎｅｔｉｃｓ（Ｍａｄｉｓｏｎ、ＷＩ）を用いて行った。
ヒトｉＰＳ細胞の神経前駆細胞へのインビトロ分化
ヒトケラチノサイトｉＰＳ細胞は、毎日培地を交換しながら、２週間の間、継代なしで培養中において成長させた。継代後１５日目に、区別できる神経ロゼットが観察され、ガラスピペットによって機械的に拾い上げて集めた（２６）。ロゼットは、ＦＧＦ２（２０ｎｇ／ｍｌ）ＥＧＦ（２０ｎｇ／ｍｌ）（すべてＲ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を補充したＮ２Ｂ２７培地中の１５μｇ／ｍｌ ポリオルニチン／１０μｇ／ｍｌのラミニン（Ｐｏ／Ｌａｍ）でプレコートしたディッシュ上で再プレートした。５〜７日後、セルリフターを用いて引っ掻くことによって、およびＮ２Ｂ２７培地中に単一の細胞をピペッティングすることによって細胞を解離させ、Ｐｏ／Ｌａｍ培養ディッシュに再プレートした。
分化および免疫細胞化学
神経前駆細胞の分化の誘導は、培養培地からのＦＧＦ２およびＥＧＦの５日間の中止によって実施した。細胞は、２０分間、４％ パラホルムアルデヒド中に固定し、ヒトネスチン（Ｃｈｅｍｉｃｏｎ；１：１００）およびＴｕｊ−１（１：１００）について染色し、続いて、ＰＢＳで３回洗浄し、Ｊａｃｋｓｏｎ Ｉｍｍｕｎｏｒｅｓｅａｒｃｈから購入した蛍光団標識された適切な二次抗体とともにインキュベートした。試料はＯｌｙｍｐｕｓ蛍光顕微鏡で分析し、画像はＺｅｉｓｓ Ａｘｉｏｃａｍカメラを用いて獲得した。
結果
ベクターは、１つのプロモーターからの２種、３種、または４種すべての再プログラミング因子の様々な組合せを用いて構築される。目的は、２Ａペプチドを使用して、単一のプロモーターから複数の再プログラミング遺伝子を発現するポリシストロン性ウイルスベクターを生成することであった。このために、独特な制限部位を含む１種、２種、または３種の２ＡオリゴペプチドをＦＵＷレンチウイルス（１８）バックボーンに連結し、異なる２Ａ配列によって各々が分離されているＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−Ｍｙｃ、およびＫｌｆ４の効率的なクローニングを可能にした。Ｆ２Ａ、Ｔ２Ａ、Ｅ２Ａ、またはＰ２Ａ配列（図１３Ａおよび図１４Ａ）の異なる組合せを構成的に有する４種、３種、または２種の因子を有するベクターは、ヒト２９３細胞における一過性トランスフェクションによって個々の因子を発現するそれらの能力について試験した。ウェスタンブロット分析は、２Ａペプチドが、単一のポリシストロン性ベクターからの２種、３種、または４種すべてのシストロンの効率的な発現を支持することを実証した（図１４Ｂ）。
再プログラミングのためのポリシストロン性ベクターの有用性を試験するために、本発明者らは、最初に、２種または３種の再プログラミング因子の様々な組合せを有するレトロウイルスベクターをＭＥＦに形質導入し、これらの構築物が、さらなる単一の因子−ｃＤＮＡを有するベクターと組合せてｉＰＳ細胞を生成することが可能であったことを示した。重要なことに、４種すべての因子を有するポリシストロン性ベクターは、ｉＰＳ細胞を生成することが可能であった。この予備的な実験において、本発明者らは、Ｏｃｔ４−ＧＦＰ線維芽細胞を、ポリシストロン性Ｓｏｘ２−Ｏｃｔ４−Ｋｌｆ４−ｍｙｃベクターおよびさらなるＯｃｔ４ベクター（相対的により多くのＯｃｔ４タンパク質が再プログラミングのために必要とされ得る可能性についての説明のため；図１３Ｂ）で同時感染させた。図１３Ｂは、ＡＰ、ＳＳＥＡ１、Ｎａｎｏｇ、およびＯｃｔ４を発現したｉＰＳ細胞が得られたことを示す。さらに、４種因子２ＡベクターおよびＯｃｔ４モロニーウイルスで感染させたｉＰＳ系統から、成体キメラが生成した。プロウイルス組込みの数を決定するため、サザンブロットが、逐次的に、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、ｃ−ｍｙｃ、およびＯｃｔ４プローブとともにハイブリダイズされた。図１３Ｃは、単一のポリシストロン性ベクターが、２つまたは３つの異なる試験されたｉＰＳ系統において組み込まれており、そして２つのプロウイルスが、第３の系統において含まれていた（この系統、４ＦＯ＃１４において、ｃ−ｍｙｃ配列はプロウイルスの一方で削除されていた）ことを示す。驚くべきことに、さらなる８〜１１のＯｃｔ４プロウイルスはｉＰＳ系統の各々において含まれており、Ｏｃｔ４プロウイルスの複数の組込みのための強力な選択を示唆する。本発明者らは、４種の別々に形質導入されたベクターによって誘導されるｉＰＳ細胞における４または５Ｏｃｔ４プロウイルスより多くを見なかったので、可能性を除外することはできないものの、選択が高Ｏｃｔ４発現についてであったことはなさそうである。代替的な解釈は、複数のプロウイルスについての選択が、未知の細胞遺伝子の挿入活性化のための選択に起因したということである。これらの初期データは、少なくとも３つの再プログラミング因子が、再プログラミングを誘導するために単一のポリシストロン性プロウイルスから発現できることを示唆した。以下にさらに記載されるように、本発明者らは、４種の因子を有するポリシストロン性ベクターのみを使用してマウスｉＰＳ細胞を首尾よく生成するよう進み、最小限の遺伝子変化を有するヒトｉＰＳ細胞を生成するためにポリシストロン性ベクターも使用した。
テトラサイクリン誘導性レンチウイルスベクターは、遺伝子の発現がテトラサイクリンオペレーター最小プロモーターから制御された場合に構築した（ｔｅｔＯＰ；図１４Ｃ）。単一の４種の因子（Ｏｃｔ４／Ｓｏｘ２／Ｋｌｆ４／ｃ−Ｍｙｃ）ウイルスの４種すべての遺伝子がＤＯＸ添加の際に発現できるのか否かを試験するために、ＭＥＦは、ポリシストロン性ベクター（以下では「４Ｆ２Ａ」と称する）ならびにテトラサイクリン制御可能なトランス活性化因子（Ｍ２ｒｔＴＡ；ｒｔＴＡと略される）を有する構成的ＦＵＷレンチウイルスで感染させた。２回の独立した実験を実施し、ウイルスの薬物誘導性発現を、感染３日後にｑＲＴ−ＰＣＲによって試験した。ウイルス特異的転写物（Ｅ２Ａ−ｃＭｙｃ）についてのプライマーを使用して、対照培地と比較して、堅固な誘導が、ＤＯＸとともに培養された細胞中で観察された（７〜１０倍）（図１４Ｄ）。ＥＳ細胞と比較した相対的誘導を試験するために、ウイルスまたは内因性転写物の間を区別できないＯｃｔ４およびＳｏｘ２プライマーを利用し、両方の実験において、感染されたＤＯＸ誘導性ＭＥＦは、ＥＳ細胞よりも有意に高かった（それぞれ、ＥＳレベルに対して、〜３．５および〜１７倍）。感染３日後に単離された細胞のウェスタンブロット分析は、細胞がＤＯＸなしで培養された場合、タンパク質はほどんど発現されないかまたは全く発現されないのに対して、ＤＯＸの存在下では堅固な発現が見られ、Ｏｃｔ４およびＳｏｘ２タンパク質はＥＳ細胞におけるそれと同様であったことを実証した（図１４Ｅ）。
４Ｆ２Ａベクターが体細胞を多能性状態に再プログラムできたか否かを試験するために、内因性Ｎａｎｏｇプロモーターによって駆動されるＧＦＰプロモーターを含むＭＥＦをウイルス（４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡ）で感染させた。８５〜９０％の細胞が形質導入の４８時間後に染色され、高力価感染を示した（図１５Ａ）。形態学的変化は、ＤＯＸの添加の数日後に観察され（データ示さず）、区別できるコロニーは、ＤＯＸ誘導の約８日後に、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ＋細胞は約２５日後に出現した（図１５Ｂ）。機械的な単離および引き続く継代後、細胞はＥＳ細胞に典型的な形態を有し、ＤＯＸとは独立して増殖した。４種の独立した４Ｆ２Ａ ｉＰＳ細胞系統が確立され、これらは、多能性マーカーＡＰ、ＳＳＥＡ１、およびＮａｎｏｇ−ＧＦＰについて陽性であった（図１５Ｃ）。
成体体細胞が４Ｆ２Ａベクターを使用して再プログラムできたか否かを調べるために、本発明者らは、１４週齢マウスからの尾端線維芽細胞（ＴＴＦ）を、４Ｆ２Ａ＋ｒｔＴＡベクターで感染させた。ＭＥＦと同様に、ＤＯＸ培地の添加後数日で、典型的な形態学的変化を観察した。コロニーは約８日目に出現し、これらが形態に基づいて拾い上げられるまで、継続して拡大した（１６日目）。数回の継代後、４つの安定なｉＰＳ細胞係合を樹立し、これは、すべての多能性マーカー（Ｎａｎｏｇ、Ｏｃｔ４、ＳＳＥＡｌ、ＡＰ）について陽性に染色された（図１５Ｃ）。ＭＥＦ ｉＰＳ細胞系統は、ＳＣＩＤマウスに皮下注射し、そしてこれは、３つすべての胚葉の分化した細胞を含んだテラトーマを誘導することが示された（図１６Ａ）。最後に、ＭＥＦ ｉＰＳ細胞（＃４）の胚盤胞への注射は、出生後キメラを生成し（図１６Ｂ）、単一の４Ｆ２Ａポリシストロン性ウイルスがＭＥＦを多能性状態に再プログラムできることを実証する。
４Ｆ２Ａ ｉＰＳ細胞型に含まれるプロウイルスの数を決定するために、ＤＮＡを抽出し、ベクター配列中で切断されない酵素を使用するサザンブロット分析に供した。ハイブリダイゼーションのためにＯｃｔ４、Ｓｏｘ２、ｃ−Ｍｙｃ、およびＫｌｆ４プローブを使用して、本発明者らは、同一の分子量のバンドを検出し、因子の配列が１つのプロウイルスにおいて運ばれたことを確認した。プロウイルスの総数は１から３の間であり、ｉＰＳ細胞系統＃４は単一のウイルス挿入を有していた（図１６Ｃ）。ｉＰＳ細胞系統＃１からの２つの組込みのうちの１つはｃ−Ｍｙｃハイブリダイゼーション後にバンドを生じることに失敗しており、ｃ−Ｍｙｃ配列の３’欠失が起こっている可能性を示唆する。第２の消化物は、プロウイルスコピー数を確認した（図１８Ａ）。
再プログラミング効率を見積もるために、ＭＥＦを４Ｆ２ＡおよびｒｔＴＡベクターで感染させ、１０ｃｍプレート培養ディッシュあたり０．２５×１０６でプレートした。感染の４８時間後にＯｃｔ４の免疫染色によって見積もられたように、ＭＥＦの約７０％が感染した（図１９Ａ）。細胞は、ＤＯＸを含むＥＳ培地中で２０日間培養し、続いて、ＧＦＰ＋コロニーが２５日目に計数されるまで、ＥＳ細胞培地に移した。平均で〜１４．７±４コロニーを３つの独立したディッシュにおいて検出し（１０＋１０＋１７）、０．０００１％の相対効率を示した。これは、「一次」感染線維芽細胞のそれよりも１から２オーダー低い規模である（３、７）。
４Ｆ２Ａウイルスを使用する再プログラミングの反応速度論を試験するために、本発明者らはｄｏｘ中止実験を実施し、ここでは、特定の日数（すなわち、２日、４日、８日、１２日など）、ＤＯＸ含有培地がＥＳ培地で置き換えられ、２５日目にＮａｎｏｇ−ＧＦＰ＋コロニーの数を計数する。４種の因子を送達するために別々の薬物誘導性ウイルスを使用して、ほぼ９〜１２日間が安定なｉＰＳ細胞の生成のために必要とされる最短時間であることが報告された（２０、２１）。再プログラミング事象の重複を最小化するために、細胞はこの時間の間継代されない。２回の独立した実験を実施し、両方の場合において、単一のＮａｎｏｇ−ＧＦＰ＋コロニーが、８日間、ＤＯＸ培地中で培養されたプレート上に存在し、これは、別々のウイルスを使用して必要とされた最小時間とる維持している（図１４Ｂ）。
これらのデータは、３つの２Ａペプチドによって連結された４つの因子を含む単一のポリシストロン性ウイルスが、ポリシストロン性または成体体細胞からｉＰＳ細胞を生成するために十分な因子発現を可能にすることを実証する。重要なことに、本発明者らの結果はまた、単一のポリシストロン性プロウイルスコピーが、体細胞を多能性に再プログラムするために十分であることも示す。
単一のポリシストロン性ウイルスを使用するヒトｉＰＳ細胞の生成
ヒト細胞がポリシストロン性ベクターを用いて再プログラムできるか否かを調べるために、新生児ヒトフォルスコリンケラチノサイト（ＮＨＦＫ）に、構成的ｒｔＴＡベクターとＤＯＸ誘導性４Ｆ２Ａベクターの両方で形質導入した。感染細胞の画分は、形質導入の４８時間後にＯｃｔ４についての染色によって決定されるように１０％であった（図２０Ａ）。細胞はケラチノサイト培地＋ＤＯＸ中でインキュベートし、これらが継代され、ゼラチン化プレート上のｈＥＳＣ培地＋ＤＯＸ中で培養されるまで６日間増殖させた。コロニーは１２日目に最初に検出し、多くは変形した形態を示し、少数のコロニーはｈＥＳＣ様形態に類似する区別できる外見を示した。独立した感染において生成した２つのこのようなコロニーは、感染後２２日目から３５日目の間に拾い上げ、ｈＥＳＣに類似する形態を有する区別できるコロニーとして拡大することを見出した（図１７Ａ）。これらの細胞はＤＯＸの非存在下で拡大し、さらなる２〜５回の継代後、ｈＥＳＣと同一の均質な集団を生じた（Ｋｅｒ−ｉＰＳ）。これらの細胞は多能性マーカーＡＰ、Ｏｃｔ４、Ｎａｎｏｇ、Ｓｏｘ２、ＳＳＥＡ４、Ｔｒａｌ−６０、Ｔｒａｌ−８１（図１７Ｂ、図１０Ｂ）について染色され、正常な核型を有していた（図１７Ｃ）。ＤＮＡフィンガープリンティングは、このようなＫｅｒ−ｉＰＳ細胞系統が本発明者らの研究室からの以前に樹立されたヒトｉＰＳ細胞またはｈＥＳ細胞系統からの夾雑物であった可能性は除外した（データ示さず）。Ｋｅｒ−ｉＰＳ細胞系統におけるプロウイルスコピー数を決定するために、ゲノムＤＮＡを抽出し、ベクター配列において切断しない酵素を使用するサザンブロット分析に供した。４種すべての再プログラミング因子のためのプローブは、再度、同様の分子量バンドへのハイブリダイゼーションを示し、これらが単一ウイルス上にあったことを示す。２つの異なる消化物（ＸｂａＩおよびＢａｍＨＩ）は、４Ｆ２Ａプロウイルスコピー数がそれぞれ３（＃１．１）および２（＃３）であることを示す（図２１Ａ〜Ｂ）。
多能性を試験するために、１つの系統、Ｋｅｒ−ｉＰＳ＃１．１をＳＣＩＤマウスに皮下注射した。これらの細胞はテラトーマを誘導し、組織学的検査後、３つのすべての胚葉の細胞に分化した（図１７Ｄ）。加えて、Ｋｅｒ−ｉＰＳ＃１．１細胞は、インビトロ神経分化プロトコールに供されたときに、免疫染色によって検出されるように、ネスチン＋神経前駆細胞集団ならびにＴｕｊｌ＋有糸分裂後ニューロンを産生した（図１７Ｅ）。
考察
上記の実験は、２Ａ配列によって分離されているポリシストロン性ベクターに挿入された４種までの異なる再プログラミング因子は再プログラミングを達成するために十分なレベルで発現できることを示す。胚性および成体マウス線維芽細胞ならびに新生児ヒトケラチノサイトは、ＦＵＷ ｒｔＴＡおよび２Ａベクター形質導入Ｏｃｔ４、Ｓｏｘ２、Ｋｌｆ４、およびｃ−Ｍｙｃで感染された場合に、多能性ｉＰＳ細胞を形成するように誘導された。
本発明者らは、４種の因子の各々を形質導入するために単独のベクターを使用して、以前の実験よりも有意に低い再プログラミング効率を観察する（図１９Ｂおよび表３）。
より低い再プログラミング効率は、再プログラミングを誘導するために最適以下であり得る、ポリシストロン性ベクターからの因子の発現の化学量論に起因するという可能性がある。別々のベクターを用いる形質導入は、各因子について様々な数のプロウイルスの組込みを可能にし、それゆえに、再プログラミングは、高い発現または異なる因子間の最適な化学量論を生じるプロウイルス組込みの特定のセットを選択し得る。しかし、２Ａ系は、インビボでほぼ等モル濃度のタンパク質発現を支持すると報告されている（１７）。また、４種の因子の各々を形質導入する別々のベクターがｉＰＳ細胞の誘導のために使用されたとき、Ｎａｎｏｇ−ＧＦＰ陽性細胞は、ＤＯＸ誘導後１６日目まで早期に検出され、これは４Ｆ２Ａベクターが形質導入後２２〜２５日で観察されたＧＦＰ陽性細胞とは対照的であり、最適以下の再プログラミングと一致していた。さらに、ｉＰＳ細胞が頻繁に複数のＯｃｔ４またはＫｌｆ４プロウイルスを有するのに対して、一貫して少ないＳｏｘ２プロウイルスが見出され、このことは、高レベルのＳｏｘ２発現は、おそらく再プログラミングのために好都合ではない場合があることが示唆される（２４）。
他の実施形態において、ｆｌｐ−ｉｎトランスジェニック系は、コラーゲン遺伝子の遺伝子座に４、３、および２つの因子の２Ａ構築物を含む複数のマウス細胞系統を作製するために使用される（図２２）（２０）。この系は、２つの成分：テトラサイクリン制御トランス活性化因子（ｒｔＴＡ）およびテトラサイクリンオペレーター最小プロモーター（ｔｅｔＯＰ）を含み、目的の遺伝子を駆動する。ドキシサイクリンを含む培地の添加後、トランス活性化因子は、コラーゲン遺伝子座において導入遺伝子の発現を駆動する。所望される場合、Ｎａｎｏｇ遺伝子におけるＧＦＰレポーター構築物の挿入は、Ｎａｎｏｇ遺伝子座の完全な再活性化の検出を可能にし、ゲノム規模の後成的再プログラミングのマーカーとして作用する。
（実施例４）
ウイルス再プログラミング因子を含まない、ヒト誘導性多能性幹細胞
実験手順
細胞培養
本論文に記載されるすべての一次線維芽細胞細胞株は、ｔｈｅ Ｃｏｒｉｅｌｌ Ｃｅｌｌ Ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙから購入した。線維芽細胞は、線維芽細胞培地［１５％ ＦＢＳ（Ｈｙｃｌｏｎｅ）、１ｍＭ グルタミン（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、１％ 非必須アミノ酸（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、およびペニシリン／ストレプトマイシン（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を補充したＤＭＥＭ］中で培養された。ＨｉＰＳＣおよびｈＥＳＣ系統ＢＧ０１およびＢＧ０２（ＮＩＨコード：ＢＧ０１およびＢＧ０２；ＢｒｅｓａＧｅｎ，Ｉｎｃ．，Ａｔｈｅｎｓ，ＧＡ）は、ｈＥＳＣ培地［１５％ ＦＢＳ（Ｈｙｃｌｏｎｅ）、５％ ＫｎｏｃｋＯｕｔ（商標）血清代替物（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、１ｍＭ グルタミン（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、１％ 非必須アミノ酸（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、０．１ｍＭ β−メルカプトエタノール（Ｓｉｇｍａ）、および４ｎｇ／ｍｌ ＦＧＦ２（Ｒ＆Ｄ ｓｙｓｔｅｍｓ）で補充されたＤＭＥＭ／Ｆ１２（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）］中のマイトマイシンＣ（ＭＭＣ）不活化マウス胚線維芽細胞（ＭＥＦ）支持細胞層上で維持した。培養物は、５〜７日毎に、手動でまたはＩＶ型コラーゲン（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ；１．５ｍｇ／ｍｌ）を用いて酵素的にのうちのいずれかで継代した。ヒト胚性幹細胞Ｈ９（ＮＩＨコード：ＷＡ０９、Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ Ａｌｕｍｎｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｍａｄｉｓｏｎ，ＷＩ）は、ＭＭＣ不活化ＭＥＦまたはＭＭＣ不活化ヒト線維芽細胞（Ｄ５５１；Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，Ｍａｎａｓｓａｓ，ＶＡ）上で、製造業者のプロトコールに従って維持した。ＥＢ誘導性分化については、ＥＳＣ／ｈｉＰＳＣコロニーは、１．５ｍｇ／ｍｌ ＩＶ型コラゲナーゼ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用して収集し、重力によってＭＥＦ支持細胞から分離し、穏やかにトリチュレートし、そして１５％ ＦＢＳを補充したＤＭＥＭ中で非接着懸濁培養ディッシュ（Ｃｏｒｎｉｎｇ）中で１０日間培養した。
Ｃｒｅリコンビナーゼ媒介ベクター切除については、エレクトロポレーションの２４時間前に、ｈｉＰＳＣ系統が、Ｒｈｏ Ｋｉｎａｓｅ（ＲＯＣＫ）インヒビター（Ｃａｌｂｉｏｃｈｅｍ；Ｙ−２７６３２）中で培養される。細胞は、０．０５％ トリプシン／ＥＤＴＡ溶液（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用して収集し、ＰＢＳに懸濁した１×１０７細胞は、エレクトロポレーションによって、以前に記載されたように（Ｃｏｓｔａら、２００７；Ｇｅｎｅ Ｐｕｌｓｅｒ Ｘｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ、Ｂｉｏ−Ｒａｄ：２５０Ｖ、５００μＦ、０．４ｃｍキュベット）、ｐＣｒｅ−ＰＡＣ（５０μｇ；Ｔａｎｉｇｕｃｈｉら、１９９８）を用いてトランスフェクトし、またはｐＴｕｒｂｏ−Ｃｒｅ（４０μｇ；Ｇｅｎｂａｎｋアクセッション番号ＡＦ３３４８２７）およびｐＥＧＦＰ−Ｎ１（１０μｇ；Ｃｌｏｎｔｅｃｈ）を用いて同時トランスフェクトしたかのいずれかであった。続いて、細胞を、最初の２４時間、ＲＯＣＫインヒビターを補充したｈＥＳＣ培地中のＭＥＦ支持細胞層（ピューロマイシン選択のためのＤＲ４ ＭＥＦ）にプレートした。Ｃｒｅリコンビナーゼ発現細胞を以下の方法のうちの１つを使用して選択した：１）エレクトロポレーションの２日後、４８時間の間のピューロマイシンの添加（２μｇ／ｍｌ）、２）エレクトロポレーション後６０時間、ＥＧＦＰ発現細胞についての単独細胞懸濁のＦＡＣＳソーティング（ＦＡＣＳ−Ａｒｉａ； ＢＤ−Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）、続いて、ＲＯＣＫインヒビター含有ｈＥＳＣ培地中、低密度での再プレーティング。個々のコロニーは、エレクトロポレーション後、１０〜１４日目に拾い上げた。
ウイルス構築物
テトラサイクリンオペレーターおよび最小ＣＭＶプロモーターの制御下にある、ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡレンチウイルスベクターおよびＫＬＦ４（ＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｈＫＬＦ４）、ＯＣＴ４（ＦＵＷ−ｔｅｔＯ〜ｈＯＣＴ４）、ＳＯＸ２（ＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｈＳＯＸ２）、およびｃ−ＭＹＣ（ＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｈＭＹＣ）についてのヒトＤＮＡを含むレンチウイルスベクターが以前に記載されている（Ｈｏｃｋｅｍｅｙｅｒら、２００８）。Ｃｒｅリコンビナーゼ切除可能ＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクターを生成するために、テトラサイクリンオペレーター／最小ＣＭＶプロモーターを含むＮｏｔＩ／Ｂｓｕ３６Ｉフラグメント、およびＫＬＦ４、ＯＣＴ４、またはＳＯＸ２のいずれかについてのヒトｃＤＮＡが、ＦＵＷ−ｔｅｔＯベクターからＦＵＧＷ−ｌｏｘＰのＮｏｔＩ／ＢＳＵ３６Ｉ部位にサブクローニングされ、これは、３’ＬＴＲにおいてｌｏｘＰ部位を含む（Ｈａｎｎａら、２００７）。
レンチウイルス感染およびｈｉＰＳＣ誘導
ＶＳＶＧコートされたレンチウイルスは、以前に記載されたように２９３細胞中で生成した（Ｂｒａｍｂｒｉｎｋら、２００８）。手短に述べると、培養培地は、トランスフェクション後１２時間で交換し、ウイルス含有上清はトランスフェクション後６０〜７２時間で収集した。ウイルス上清は０．４５μｍフィルターを通して濾過した。ウイルス含有上清は３種および４種因子感染のためにプールし、ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡウイルスおよび等量の新鮮な培養培地を補充した。１×１０６ヒト線維芽細胞はＴ７５フラスコ中で形質導入の２４時間前に播種した。２μｇ／ｍｌのポリブレンの存在下での４回の連続感染が４８時間の期間にわたって実施された。培養培地は、最後の感染の１２時間後に交換した。形質導入の５日後、線維芽細胞は、トリプシンを使用して継代し、ゼラチンコートしたディッシュ上の１０ｃｍ２あたり５×１０４から２×１０５細胞の間の異なる密度で再プレートした。再プログラミングを誘導するために、培養培地は、ＤＯＸ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ；２μｇ／ｍｌを補充したｈＥＳＣによって４８時間後に置き換えられた。ＨｉＰＳＣコロニーは、ＤＯＸ誘導後３から５週間の間、形態に基づいて手動で拾い上げ、そしてＤＯＸ非存在下では、ｈＥＳＣプロトコールに従って、手動で維持および継代を行った。再プログラミング効率を決定するため、１×１０５ヒト線維芽細胞は、１０ｃｍ２ゼラチンコートされたディッシュに播種した。再プログラミング効率は、多能性マーカーＴｒａ−１−６０およびＮＡＮＯＧについての免疫細胞化学に基づいて２０日後に計算した。
マイクロアレイ遺伝子発現分析
ＲＮＡは、ｈＥＳＣおよびｉＰＳＣから単離し、これらは、ＲＮｅａｓｙ Ｍｉｎｉ Ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ）を使用して、支持細胞から機械的に分離された。２μｇの総ＲＮＡを使用して、製造業者のプロトコールに従って（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ Ｏｎｅ Ｃｙｃｌｅ ｃＤＮＡ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｋｉｔ）、ビオチン化ｃＲＮＡを調製した。手短に述べると、この方法は、Ｔ７−Ｏｌｉｇｏ（ｄＴ）プロモータープライマーを使用するＳｕｐｅｒｓｃｒｉｐｔ ＩＩ指向性逆転写を含み、第１鎖ｃＤＮＡを作製する。ＲＮａｓｅ Ｈ媒介第２鎖ｃＤＮＡ合成に、Ｔ７ ＲＮＡポリメラーゼ指向性インビトロ転写が続き、これは、ｃＲＮＡ増幅の間にビオチン化ヌクレオチドアナログを取り込む。Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘハイブリダイゼーションマニュアルに従って、１×ハイブリダイゼーションカクテル中の１５μｇビオチン化ｃＲＮＡを使用して、ハイブリダイゼーションのためのサンプルを調製した。ＧｅｎｅＣｈｉｐアレイ（Ｈｕｍａｎ Ｕｌ３３ ２．０）は、６０ＲＰＭで１６時間の間、４５℃のＧｅｎｅＣｈｉｐ Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎオーブンの中でハイブリダイズさせた。洗浄は、製造業者の説明書に従って、ＧｅｎｅＣｈｉｐ Ｆｌｕｉｄｉｃｓ Ｓｔａｔｉｏｎ ４５０を使用して行い、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ ＧｅｎｅＣｈｉｐ Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｗａｓｈ ａｎｄ Ｓｔａｉｎ
Ｋｉｔの中に提供される緩衝液を使用して行った。アレイはＧｅｎｅＣｈｉｐ Ｓｃａｎｎｅｒ ３０００上でスキャンし、画像は、ＧｅｎｅＣｈｉｐ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｖ１．４を使用して抽出および分析した。Ｕ１３３ Ｐｌｕｓ ２．０マイクロアレイ（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ）は、ＭＡＳ５アルゴリズムを使用して処理され、各プローブセットについての非存在／存在コールは、標準的なＡｆｆｙｍｅｔｒｉｘアルゴリズムを使用して決定され、両方がＢｉｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ実装されている。すべてのサンプル中で非存在であるプローブセットは、引き続く分析のために除去される。示差的な発現は、Ｒ（偽発見速度について補正）における「リンマ（ｌｉｍｍａ）」パッケージを使用するｔ検定、または倍数変化を使用して、中程度と決定した。遺伝子が複数のプローブセットによって表されている場合（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘからの注釈に基づく）、遺伝子発現のログ比率およびｐ値は、それぞれ、これらのプローブセットの平均および最小値として計算した。階層的クラスタ分析は、非中心ピアソン相関および対平均連鎖を使用して、対数−形質転換遺伝子発現比率に対して実施した。相関は、フィッシャーのＺ変換を使用して比較した。階層的クラスタ分析の信頼度は、Ｒパッケージ「ｐｖｃｌｕｓｔ」を用いるマルチスケールブーツトラップリサンプリングを使用して計算した。
総ＲＮＡの逆転写およびリアルタイムＰＣＲ
ＲＮＡは、支持細胞から機械的に分離させたＥＢまたはｈＥＳＣおよびｉＰＳＣから、ＲＮｅａｓｙ Ｍｉｎｉ Ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ）またはトリゾール抽出のいずれか、および引き続くエタノール沈殿を使用して単離した。逆転写は、オリゴｄＴプライミングおよびＴｈｅｒｍｏｓｃｒｉｐｔ逆転写酵素（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を５０℃で使用して、１μｇの総ＲＮＡに対して実施した。リアルタイムＰＣＲは、Ｐｌａｔｉｎｕｍ ＳＹＢＲ ｇｒｅｅｎ ｐＰＣＲ ＳｕｐｅｒＭＩＸ−ＵＤＧ ｗｉｔｈ ＲＯＸ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）とともに、ＡＢＩ Ｐｒｉｓｍ ７０００（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）において、部分的に以前に記載されたプライマー（Ｈｏｃｋｅｍｅｙｅｒら、２００８；Ｙｕら、２００７）、および部分的にＳｏｌｄｎｅｒら、２００９、捕足の実験手順に記載されているプライマーを使用して実施する。
テラトーマの形成および分析
ｈｉＰＳＣはコラゲナーゼ処理（１．５ｍｇ／ｍｌ）によって収集し、引き続く培地での洗浄およびｉＰＳＣコロニーの沈殿によって支持細胞から分離した。ｈｉＰＳＣ凝集体は遠心分離によって収集し、２５０μｌのリン酸緩衝化生理食塩水（ＰＢＳ）に再懸濁した。ｈｉＰＳＣはＳＣＩＤマウス（Ｔａｃｏｎｉｃ）の背中に皮下注射した。腫瘍は一般的に４〜８週間以内に発生し、動物は腫瘍サイズが直径１．５ｃｍを超える前に屠殺した。テラトーマはマウスを屠殺した後で単離し、ホルマリンで固定した。切片化後、テラトーマはヘマトキシリンおよびエオシン染色に基づいて診断した。
メチル化分析
ゲノムＤＮＡは、支持細胞から機械的分離によってｈＥＳＣおよびｈｉＰＳＣから収集した。ＤＮＡはプロテイナーゼＫ処理し、フェノールクロロホルム処理し、そして１μｇのＤＮＡを、Ｑｉａｇｅｎ ＥｐｉＴｅｃｔ Ｂｉｓｕｌｆｉｔｅキットを使用する転換に供した。ＯＣＴ４のプロモーター領域は、以前に記載されたプライマーを使用して増幅した（Ｙｕら、２００７）。
ＰＣＲ産物は、Ｍ１３フォワードおよびリバースプライマーを使用して、ｐＣＲ２．１−ＴＯＰＯベクターを使用してクローニングした。
免疫細胞化学
細胞は、ＰＢＳ中４％ パラホルムアルデヒドに固定し、以下の一次抗体：ＳＳＥＡ４（マウスモノクローナル、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｈｙｂｒｉｄｏｍａ Ｂａｎｋ）；Ｔｒａ１−６０、（マウスモノクローナル、Ｃｈｅｍｉｃｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）；ｈＳＯＸ２（ヤギポリクローナル、Ｒ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）；Ｏｃｔ−３／４ （マウスモノクローナル、Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）；ｈＮＡＮＯＧ（ヤギポリクローナル Ｒ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）；適切なＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｒｏｂｅｓ Ａｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標）色素結合体化二次抗体（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を使用した。
サザンブロッティング
ＸｂａＩ、ＥｃｏＲＩ、またはＭｆｅＩ消化ゲノムＤＮＡは、０．７％ アガロースゲル上で分離し、ナイロンメンブレン（Ａｍｅｒｓｈａｍ）に転写し、そしてＯＣＴ４ （ｐＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｈＯＣＴ４プラスミドのＥｃｏＲＩ−ＰｓｔＩフラグメント）、ＫＬＦ４（全長ｈＫＬＦ４ ｃＤＮＡ）、ｃ−ＭＹＣ （全長ｃ−ＭＹＣ ｃＤＮＡ）、ＳＯＸ２（ｐＦＵＷ−ｔｅｔＯ−ｈＳＯＸ２プラスミドのＦｓｐＩ−ＥｃｏＲＩフラグメント）、およびＭ２ｒｔＴＡ（Ｍ２ｒｔＴＡ ｃ−ＤＮＡの３８０ｂｐ Ｃ末端フラグメント）についての３２Ｐランダムプライマー（Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ）標識したプローブとともにハイブリダイズさせた。
アクセッション番号
マイクロアレイデータは、一連のアクセッション番号ＧＳＥ１４７１１の下で、ＮＣＢＩ Ｇｅｎｅ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｏｍｎｉｂｕｓデータベースにおいて利用可能である。
概観
本実施例において本発明者らは、特発性パーキンソン病（ＰＤ）を有する５例の患者からの線維芽細胞が効率的に再プログラムできることを示す。さらに、本発明者らは、Ｃｒｅリコンビナーゼ切除可能なウイルスを使用して、再プログラミング因子を含まないヒト誘導多能性幹細胞（ｈｉＰＳＣ）を誘導した。因子を含まないｉＰＳＣは多能性状態を維持し、そして導入遺伝子を有するｈｉＰＳＣよりもｈＥＳＣにより密接に関連する、全体の遺伝子発現プロフィールを示す。本発明者らの結果は、ウイルスを有するｈｉＰＳＣにおける残りの導入遺伝子発現がそれらの分子特性に影響を与えることができ、そして因子を含まないｈｉＰＳＣは、それゆえに、ヒト疾患のモデリングのためのより適切な細胞の供給源を表すことを示唆する。
結果
ＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクターによるＰＤ患者からの線維芽細胞の再プログラミング
特発性ＰＤを有する５例の患者（生検の年齢、５３から８５歳の間）および２例の罹患していない被験体からの皮膚線維芽細胞をｔｈｅ Ｃｏｒｉｅｌｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（表４を参照のこと）から入手した。再プログラミングを誘導するために、１×１０６線維芽細胞を、４種（ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ｃ−ＭＹＣ、ＫＬＦ４）または３種（ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、ＫＬＦ４）のいずれかの再プログラミング因子を形質導入するＤＯＸ誘導性レンチウイルスとともに、リバーステトラサイクリントランス活性化因子（ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡ）を発現する構成的に活性なレンチウイルスで感染させた。次に、本発明者らは、ｈｓＰＳＣ４Ｆとしての４種因子の形質導入によって駆動されるｈｓＰＳＣ系統、およびｈｓＰＳＣ３Ｆとしての３種因子の形質導入によって得られるｈｓＰＳＣ系統に言及する。十分に規定されたｈＥＳＣ様形態を有するコロニーは、ＤＯＸ誘導性導入遺伝子発現の３〜５週間後に、選択しかつ手動で拾い上げた。ＰＤ患者および非ＰＤ患者から得られたすべての線維芽細胞は、安定なｈｉＰＳＣを生じ、これは、ＤＯＸの非存在下で、３０継代より多くの間維持された。各ドナー線維芽細胞からの少なくとも１つの細胞系統が、詳細に分析された（表４）。免疫細胞化学によって決定されたように、これらのｈｉＰＳＣのすべてが、多能性マーカーＴｒａ−１−６０、ＳＳＥＡ４、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧを一様に発現した（図２７Ａ）。加えて、定量的ＲＴ−ＰＣＲによって分析されたすべてのｈｉＰＳＣ系統は、内因性多能性関連遺伝子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧの再活性化を、ｈＥＳＣにおいてみられるのと同様の発現のレベルで示した（図２７Ｂ）。ｈｉＰＳＣについて予測されるように、ＰＤ患者由来のｈｉＰＳＣのＯＣＴ４プロモーター領域は、親の線維芽細胞における過剰メチル化状態とは対照的に、低メチル化状態であることが見出された（図２７Ｃ）。多能性について試験するために、各ドナー線維芽細胞系統から単離されたｈｉＰＳＣは、ＳＣＩＤマウスに注入された。すべてのｈｉＰＳＣ形成したテラトーマは、軟骨、骨、平滑筋（中胚葉）、神経ロゼット、色素性神経上皮（外胚葉）、ならびに杯状細胞およびパーネト様細胞を伴う腸上皮（内胚葉）を含むすべての胚性胚葉から発達する組織から構成された（図２８Ａ）。
ＰＤ特異的ｈｉＰＳＣ系統の胞遺伝学的分析は、１２系統中１１の系統で正常な核型を表した（Ｓｏｌｄｎｅｒ、２００９の補足の図１を参照のこと）。４種因子（ｉＰＳ ＰＤＤ４Ｆ−５）で形質導入された線維芽細胞系統ＰＤＤから誘導される３種のクローンのうちの１つのみが、染色体１８の長腕と染色体２２の長腕の間アンバランスな転座を示し、誘導体染色体１８と単一コピーの染色体２２を生じた。非ＰＤ患者線維芽細胞系統（ｉＰＳ Ｍ３Ｆ−１およびｉＰＳ Ｍ３Ｆ−２）から誘導された２つの独立したｈｉＰＳＣは、染色体４および７の短腕と長腕の間のバランスのとれた転座を示し、４；７転座がドナー線維芽細胞においてすでに存在していたことを示唆する（Ｓｏｌｄｎｅｒら、２００９、補足の図１を参照）。ＰＤ患者で誘導されたｈｉＰＳＣおよび親の線維芽細胞のＤＮＡフィンガープリンティングは、ｈｉＰＳＣの起源を確認するため、および既存の多能性細胞系統との相互汚染を除外するために実施した（データ示さず）。レンチウイルスの組込みについて探索するサザンブロット分析は、ｈｉＰＳＣ系統の各々について区別できるパターンを示し、分析した各系統が、全体で４〜１０プロウイルスコピーを有する独立して感染した線維芽細胞から誘導されたことを確認する（図２８Ｂ、２８Ｃ）。
この系の有用性をさらに特徴付けるために、本発明者らは、１つの線維芽細胞系統（ＰＤＢ）についての再プログラミング効率を詳細に決定した。再プログラミング効率は、生じた多能性マーカーＴｒａ−１−６０およびＮＡＮＯＧについての免疫細胞化学に基づいて２０日後に計算した。ｈｉＰＳＣは３種因子を用いる形質導入後に約０．００５％の効力、および４種因子を用いる形質導入後約０．０１％で生じた、これは、モロニーベースのレトロウイルスベクターまたは構成的に活性なレンチウイルスベクターを使用する、以前に報告された効力と比較し得る（Ｎａｋａｇａｗａら、２００８；Ｔａｋａｈａｓｈｉら、２００７；Ｙｕら、２００７）。ＤＯＸ添加後の異なる時点でのＮＡＮＯＧおよびＴｒａ−１−６０についての免疫組織化学は、小さな多能性コロニーが導入遺伝子誘導後８日まで早期に、４種因子で形質導入された線維芽細胞で検出できた（図３２Ａ）。本発明者らはまた、４種または３種のいずれかの再プログラミング因子で形質導入された線維芽細胞におけるＤＯＸ誘導性導入遺伝子発現の時間を変化させることによって、再プログラミング因子の発現のための時間的要件を決定した。２４時間後、本発明者らは、８日間のみの間ＤＯＸに曝露した４種因子で形質導入された線維芽細胞からｈｉＰＳＣコロニーを単離することができたのに対し（ＰＤＢ４Ｆ−１、２、３）、３種因子で形質導入されたｈｉＰＳＣは、少なくとも１２日間の間のＤＯＸへの曝露後のみに単離できた（ＰＤＢ３Ｆ−ｄ１２）。再プログラミング因子は限られた期間の間のみ発現されたが、拾い上げられた細胞のすべてが完全に再プログラムされたｈｉＰＳＣを生じ、これは多能性マーカーについて染色され（図３２Ｂ）、内因性ＯＣＴ４、ＮＡＮＯＧ、およびＳＯＸ２遺伝子を再活性化し（図３２Ｃ）、そして形成されたテラトーマは、３種の発生的な胚葉から誘導された細胞から構成された（図３２Ｄ）。本発明者らの結果は、３種因子による再プログラミングはより効率が悪く、以前の観察と一致して（Ｎａｋａｇａｗａら、２００８；Ｗｅｒｎｉｇら、２００８）、４種因子による再プログラミングよりもより長い時間を取ることが示唆される。しかし、本発明者らは、３種因子を使用するｈｉＰＳＣの誘導がより実用的であることを見出す。なぜなら、感染した線維芽細胞培養物は、４種因子で感染した培養について以前に記載されたように、顆粒状の速く増殖する非ｈｉＰＳＣによって過剰増殖しないからである（Ｎａｋａｇａｗａら、２００８；Ｔａｋａｈａｓｈｉら、２００７）。
これまでに記載した結果は、再プログラミング因子のＤＯＸ誘導性送達が、ＰＤ患者から得られた皮膚生検からのｈｉＰＳＣを効率的に生成できることを、ｃ−ＭＹＣの非存在下で、他のアプローチを使用して以前に報告されたものと同様の反応速度論および効率とともに示す。重要なことに、３種因子ｈｉＰＳＣの１３個のうちの８個が、全体でも３〜５個のみのプロウイルス組込みを有し（図２８Ｂ、２８Ｃ）、これは、プロウイルス研究において観察されたよりも有意に少ない（Ｗｅｒｎｉｇら、２００７）。
ウイルス再プログラミング因子を含まないＰＤ患者誘導性ｈｉＰＳＣの生成
プロウイルスを含まなかったｈｉＰＳＣを誘導するために、本発明者らは、Ｃｒｅリコンビナーゼを使用して組込み後に切除できるレンチウイルスベクターを生成した。３’ＬＴＲにｌｏｘＰ部位を含むＦＵＧＷ−ｌｏｘＰレンチウイルスのヒトユビキチンプロモーターは（Ｈａｎｎａら、２００７）、ＤＯＸ誘導性、最小ＣＭＶプロモーターで置き換えられ、その後にＯＣＴ４、ＫＬＦ４、またはＳＯＸ２のためのヒトｃＤＮＡが続く。プロウイルス複製に際して、３’ＬＴＲのｌｏｘＰ部位は５’ＬＴＲに重複しており、両方のＬＴＲにおけるｌｏｘＰ部位に隣接する組み込まれた導入遺伝子を生じる（図４Ａ）。１×１０６線維芽細胞（ＰＤＢ）は、これらの３つのウイルスで、ならびにリバーステトラサイクリントランス活性化因子を発現する（ＦＵＷ−Ｍ２ｒｔＴＡ）。２４ｈｉＰＳＣ系統（ＰＤＢ２ｌｏｘ１〜２４）は、上記と同様の反応速度論および効率でＤＯＸ添加後３〜４週間で単離された。１２細胞系統についてのサザンブロット分析は、４種のＰＤＢ２ｌｏｘ系統（ＰＤＢ２ｌｏｘ−５、ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２２）が、再プログラミング因子の５〜７の組込みのみを含んだことを示した（図３３）。これらのＰＤＢ２ｌｏｘ細胞系統は、２０より多くの継代でＤＯＸの非存在下で維持され、多能性関連マーカータンパク質Ｔｒａ−１−６０、ＳＳＥＡ４、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧの発現などのｈｉＰＳＣの特徴のすべて（図２９Ｂ）、ならびに内因性関連遺伝子ＯＣＴ４、ＮＡＮＯＧ、およびＳＯＸ２の再活性化（図３１Ｂに含まれる）を示した。さらに、すべての試験したＰＤＢ２ｌｏｘクローン（ＰＤＢ２ｌｏｘ−５、ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１、ＰＤＢ２ｌｏｘ−２２）は、ＥＢにおけるインビトロ複数系統分化を実証し（データ示さず）、ＳＣＩＤマウスへの皮下注射後に３種すべての胚性胚葉への寄与を伴ってテラトーマを形成した（図２９Ｃ）。
本発明者らは２つのクローンに焦点を合わせており、５（ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１）または７（ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７）のいずれかを伴い、ｌｏｘ部位に隣接するレンチウイルスベクターの切除が導入遺伝子を含まない細胞を生成するか否かを試験するための再プログラミング因子の全体の組込みである。Ｃｒｅ媒介ベクター切除のための２つの異なるストラテジーを使用した（図３０Ａ）：（１）Ｃｒｅリコンビナーゼおよびピューロマイシン耐性遺伝子をコードするベクター（ｐＣｒｅ−ＰＡＣ）の一過性発現。エレクトロポレーション後、細胞は、一過性に発現されたＣｒｅリコンビナーゼおよびピューロマイシン耐性遺伝子を発現した細胞で富化するために、細胞を４８時間ピューロマイシンで選択した。（２）ＥＧＦＰ発現プラスミドとのＣｒｅリコンビナーゼの同時トランスフェクション、続いて、トランスフェクション６０時間のＥＧＦＰ陽性およびＣｒｅ発現細胞についてのＦＡＣＳソーティング。これらの２つの方法を使用して、本発明者らは、エレクトロポレーションの１０〜１４日後に全体で１８０クローンを単離した（図３０Ａ）。内部ＥｃｏＲＩ消化を使用するＫＬＦ４（最高数の組込み）の切除のスクリーニングするための初期のサザンブロット分析は、４８クローンがＫＬＦ４レンチウイルス組込みについて陰性であったことを示した（データ示さず）。外部ＸｂａＩ制限消化を使用するＫＬＦ４、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２プロウイルス組込みについての引き続くサザンブロット分析は、ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７から誘導された７クローン、およびＰＤＢ２ｌｏｘ−２１から誘導された９クローンがいかなる再プログラミングクローンの組込みも有さなかったことを明らかにした（図３０Ｂ、ＰＤＢ１ｌｏｘクローンと呼ばれる）。すべての再プログラミング因子の切除は、異なる制限消化物を使用するさらなるサザンブロッティングによって確認した（図３４）。さらに、Ｃｒｅリコンビナーゼに特異的なプライマーを使用するゲノムＤＮＡのＰＣＲは、ＰＤＢ１ｌｏｘクローンのいずれもがエレクトロポレーションされたプラスミドを安定に組み込んでいなかったことを確認した（データ示さず）。リバーストランス活性化因子Ｍ２ｒｔＴＡの組込みについてのサザンブロット分析は、系統ＰＤＢ２ｌｏｘ−１７について１つの組込み、系統ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１について２つの組込みを示した（図３５）。これは、プロウイルス組込みの全体の数がトランス活性化因子を一列に含むことを意味する。ＰＤＢ２ｌｏｘ−２１はＰＤＢ２ｌｏｘ−１７からの切除された導入遺伝子と同じであり、トランス活性化因子を含むすべての導入遺伝子の切除が可能であるはずであることを示唆する。細胞遺伝学的分析は、分析した１４クローンのうちの１４が、Ｃｒｅ媒介導入遺伝子切除後に正常な核型を示したことを実証した（図３０Ｃおよびデータ示さず）。
すべてのウイルスを含まないクローンは、１５継代を超える長い培養に際してｈＥＳＣ様形態を保持し、免疫細胞化学によって示されるように、ｈＥＳＣ関連マーカータンパク質Ｔｒａ−１−６０、ＳＳＥＡ４、ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧの発現などのｈｉＰＳＣの特徴のすべてを維持し（図３１Ａ）、そして内因性多能性関連遺伝子ＯＣＴ４、ＳＯＸ２、およびＮＡＮＯＧの発現を、ｈＥＳＣおよび導入遺伝子の切除前の親のｈｉＰＳＣに比較できるレベルで維持した（図３１Ｂ）。再プログラミング因子を含まないＰＤＢ１ｌｏｘクローンは再プログラミング因子の切除後に多能性を維持し、独立したＰＤＢ１ｌｏｘクローンはＥＢ形成によってインビトロで分化され、またはＳＣＩＤマウスに皮下注射された。すべての試験したＰＤＢ１ｌｏｘクローンは、インビトロで複数系列分化を示し、３種すべての胚性胚葉への寄与を伴ってテラトーマに発達する（図３１Ｃ）。
区別できるｈｉＰＳＣと、組込まれた導入遺伝子および因子なしでのｈｉＰＳＣの間の残りの導入遺伝子拡大を比較するために、本発明者らは、導入遺伝子特異的ＰＣＲプライマーを使用して、定量的ＲＴ−ＰＣＲを実施した。以前に報告したように、レンチウイルスまたはモロニーベースのレトロウイルスベクターのいずれかを使用して（Ｄｉｍｏｓら、２００８； Ｅｂｅｒｔら、２００８； Ｈｏｃｋｅｍｅｙｅｒら、２００８； Ｐａｒｋら、２００８ａ；Ｙｕら、２００７）、本発明者らは、すべての細胞系統中の導入遺伝子の大部分について、再プログラミング因子の残りの発現を検出した。組込みウイルスを伴ったが、未感染線維芽細胞、ｈＥＳＣ、およびＰＤＢ１ｌｏｘ系統にはなかった（図３１Ｄ）。本発明者らの結果は、Ｃｒｅ媒介切除に従う再プログラミングのためのｌｏｘＰ隣接ベクターの使用は、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣを効率的に生成できることができる。
残りの導入遺伝子発現が再プログラミング細胞の全体の遺伝子発現に影響を与かえることができるか否かに取り組むため、本発明者らは、ゲノム規模の遺伝子発現分析によって導入遺伝子切除の前後で，ｈＥＳＣ、親の線維芽細胞、およびｈｉＰＳＣを比較した。線維芽細胞とｈＥＳＣとの間の少なくとも６倍の発現の違いを示すすべての遺伝子に基づく初期の相関分析は、導入遺伝子が除かれるかそうでないかに関わらず、すべてのｈｉＰＳＣはｈＥＳＣに密接に関連することを確認した（Ｓｏｌｄｎｅｒら、２００９、補足の図７を参照のこと）。ｈＥＳＣとびｈｉＰＳＣの類似性にも関わらず、ｈＥＳＣとの相関でＰＤＢ１ｌｏｘおよびＰＤＢ２ｌｏｘ細胞を比較する統計学的分析は、ＰＤＢ１ｌｏｘが、親のＰＤＢ２ｌｏｘ細胞よりもｈＥＳＣに似ていることを示した（Ｓｏｌｄｎｅｒら、２００９、補足の図７）。顕著には、導入遺伝子を有するかまたは有さないｈｉＰＳＣ間の発現の少なくとも２倍の違いを示すすべての遺伝子に基づく相関分析は、各々個々のＰＤＢ１ｌｏｘ系統の遺伝子発現プロフィールは、ＰＤＢ２ｌｏｘ系統よりもｈＥＳＣにより密接に関連していた（データ示さず）。ウイルス組込みを伴うｈｉＰＳＣにおいて、２７１の遺伝子が、ｈＥＳＣと比較して統計学的に有意にディファレンシャルな発現を示した（ｐ＜０．０５）（図３１Ｅ）。類似の違いは以前に報告されている（Ｔａｋａｈａｓｈｉら、２００７）。対照的に、４８個のみの遺伝子が、導入遺伝子がないｈｉＰＳＣおよびｈＥＳＣの間でディファレンシャルに発現された（図３１Ｅ）。これは、再プログラミング因子の除去に際して、脱調節された遺伝子の８０％より多くの減少を表している。因子を含まないｈｉＰＳＣにおける残りのディファレンシャルに発現された遺伝子は、ｈＥＳＣおよびｈｉＰＳＣの多様な遺伝子バックグラウンド、またはトランス活性化因子の発現もしくは再プログラムされたもともとの体細胞の遺伝子記憶に起因する可能性が高い。ディファレンシャルに調節される遺伝子の詳細なリストはＳｏｌｄｎｅｒら、２００９の補足の表１に示される。
考察
本実施例に記載された研究において、本発明者らは、特発性ＰＤを有する患者から得られた皮膚生検からのｈｉＰＳＣを誘導した。本発明者らは、少ない数のプロウイルスべクター組込みを有する患者特異的ｈｉＰＳＣの再現可能な生成を可能にする強固な再プログラミングプロトコールを開発した。組み込まれたプロウイルスに隣接するｌｏｘＰ部位を有する修飾レンチウイルスの使用は、すべての導入遺伝子配列の効率的な除去を可能にし、そして再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣを生成した。因子を含まないｈｉＰＳＣは多能性であり、分子判断基準を使用すると、従来的なベクター含有の親のｈｉＰＳＣよりも、胚由来のｈＥＳＣにより類似していた。ＰＤなどの多くの神経変性性疾患の根底にある病態生理学を理解する努力は、本物のインビトロモデルの欠如によって妨げられている。ｈｉＰＳＣ技術を使用して、本発明者らは、３種または４種のいずれかの再プログラミング因子を形質導入するＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクターを使用して、特発性ＰＤを有する５例の患者からｈｉＰＳＣ系統を樹立した。これらの細胞は、すべての胚性胚葉の細胞型に分化する能力を含む多能性ＥＳ細胞の特徴のすべてを有することが示された。
本発明者らの結果は、Ｃｒｅ／ｌｏｘ媒介組換えによる組込み導入遺伝子の除去は、ベクターを含まないｈｉＰＳＣに導き得ることを示す。以前の報告は、ｌｏｘＰ部位に隣接する導入遺伝子を切除することに失敗した（ＴａｋａｈａｓｈｉおよびＹａｍａｎａｋａ、２００６）。理論によって束縛されることは望まないが、これはおそらく、多くの数のレトロウイルスの組込み（２０より大きい）ことに起因し、これは、すべてのプロウイルスの完全な除去を不可能にし、またはカストロフィー的なゲノムの不安定性を引き起こした。本発明者らの結果は、ＤＯＸ誘導性レンチウイルス導入に基づいて、３または４個まで少ないウイルス組込みを有するｈｉＰＳＣが生成できることを示す
３’ＬＴＲ中にｌｏｘＰ部位を用いてＤＯＸ誘導性レンチウイルスベクターを使用して、本発明者らは、導入遺伝子のＣｒｅリコンビナーゼ媒介性切断後に、ＰＤ特異的で再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣを誘導した。自己不活性化（ＳＩＮ）レンチウイルスベクターにおけるプロモーターおよび導入遺伝子配列の除去は、ウイルス媒介性の発癌遺伝子活性化および／または導入された転写因子の再発現に起因する、発癌遺伝子による形質転換のリスクを顕著に減少することが予想される（ＡｌｌｅｎおよびＢｅｒｎｓ、１９９６；ｖｏｎ Ｋａｌｌｅら、２００４）。残されている遺伝子破壊のリスクは、ゲノムの安全な遺伝子座へのｌｏｘＰ部位によって隣接されるポリシストロン性単一発現ベクターとして再プログラミング因子を標的化することによって除去できる。
因子を含まないｈｉＰＳＣは多能性ＥＳＣ様状態を維持する
導入遺伝子発現のサイレンシングはいくつかのｈｉＰＳＣのために報告されてきたが、今日までに生成されたすべてのｈｉＰＳＣは（再プログラミング因子の除去の前の本実施例に記載された系統を含む）、弱いがしかし検出可能な導入遺伝子発現を持続している（Ｄｉｍｏｓら、２００８；Ｅｂｅｒｔら、２００８；Ｈｏｃｋｅｍｅｙｅｒら、２００８；Ｐａｒｋら、２００８ａ；Ｙｕら、２００７）ｈｉＰＳＣが、多能性ＥＳＣ様状態を維持するために再プログラミング因子の発現に依存するか否かという質問は、それゆえに、結論的に解決したわけではない。因子を含まないｈｉＰＳＣは形態学的にかつ生物学的に親のｈＰＳＣとは区別できず、そしてｈＥＳＣのすべての特徴を維持していたという観察は、ヒト体細胞が自己保持的多能性状態に再プログラム可能であり、この状態は、外因性再プログラミング因子の完全な非存在下でも維持可能であることを実証する。これらの結果は、ｈｉＰＳＣが、４種の内因性転写因子ＯＣＴ４、ＮＡＮＯＧ、ＳＯＸ２、およびＴＣＦ３の活性化に頼ることが提案されてきた（ＪａｅｎｉｓｃｈおよびＹｏｕｎｇ、２００８）、多能性関連の自己調節ループを再確立することのさらなる証拠を提供する。
部分的にサイレンシングされたウイルスベクターからの残りの導入遺伝子発現はｈｉＰＳＣの転写プロフィールを混乱させる
特定のプロウイルスのゲノム組込み部位はプロウイルスのサイレンシングおよびその再活性されるリスクに影響を与えるので、同一かつ予測可能な特性を有するｈｉＰＳＣは、確率論的なサイレンシングに頼るアプローチによって生成できない。残りの導入遺伝子発現は、ｉＰＳＣの分化特性に影響を与え得る。確かに、マウスＥＳとｉＰＳＣの間には、心筋細胞に分化するそれらの能力（Ｋ．Ｈｏｃｈｅｄｌｉｎｇｅｒ、私信）ならびに区別できるｈｉＰＳＣクローンの不完全なＯＣＴ４およびＮＡＮＯＧダウンレギュレーションに伴う部分的にブロックされたＥＢ誘導性分化において顕著な違いが観察されてきた。これらの観察は、部分的にのみサイレンシングされたベクターの変動するベースの転写が、機能的に分化した細胞の生成に影響を与え得るという可能性と一致している。
ベクターの除去がｈｉＰＳＣの特性に影響を与えるか否かを評価するという努力において、本発明者らは、親のプロウイルス含有ｈｉＰＳＣ、因子を含まないｈｉＰＳＣ、および胚由来ｈＥＳＣにおける遺伝子発現パターンを比較した。以前に報告したように（Ｐａｒｋら、２００８ｂ；Ｔａｋａｈａｓｈｉら、２００７；Ｙｕら、２００７）、プロウイルス含有ｈｉＰＳＣおよび因子を含まないｈｉＰＳＣは、ドナー線維芽細胞と比較した場合に、ｈＥＳＣと密接にクラスタとなった。しかし、異なるｈｉＰＳＣ細胞型間の最も多様な遺伝子のより詳細な分析は、胚由来ｈＥＳＣおよび因子を含まないｈｉＰＳＣは、プロウイルス含有の親のｈｉＰＳＣよりも、互いにより密接に関連することを明らかにした。ベクターを含まないｈｉＰＳＣとｈＥＳＣの間の遺伝子発現の残りの小さな違いは、本発明者らの実験において切除しなかったトランス活性化因子の発現に起因する可能性がある。本実施例で提示したこれらの結果は、従来的なｉＰＳ細胞において運ばれるプロウイルスのベースの発現が、細胞の分子的特徴に影響を与え得ることの明確な証拠を提供する。本実施例において記載された系は、例えば、インビトロおよびインビボの分化の状況において、残りの導入遺伝子発現の効果をさらに解明するための基礎を提供する。さらに、これらの結果は、再プログラミング因子を含まないｈｉＰＳＣの誘導が、潜在的な治療適用のみならず、疾患の信頼できかつ再現可能なインビトロモデルを開発するための生物医学研究のためにも大きな利益があることを実証する。この目的のために、本発明者らは、Ｃｒｅ媒介性切除によって導入遺伝子を含まないｈｉＰＰＣを生成することが、その高い効率および実験の単純化などの顕著な利点を提供することを提案する。本実施例に記載した系は、再プログラミング因子の様々な組合せを使用して様々な供給源からの標準化されたｈｉＰＳＣの生成を可能にする、ｈｉＰＳＣの誘導のための日常的な技術となる潜在能力を有している。
Ｎ／Ａ 利用不可
ａ これらの線維芽細胞系統に関するさらなる情報はＣｏｒｉｅｌｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅから入手可能である。
ｂ ＰＤＢ３Ｆ−１２ｄは導入遺伝子発現の時間的な要件を決定するための実験において単離された。ＰＤＢ３Ｆ−１２ｄは１２日間ドキシサイクリンに曝露された培養から単離した。
ｃ これらの細胞は導入遺伝子発現の時間的な要件を決定するための実験において誘導した。ＰＤＢ４Ｆ−ｌから−３は、８日間ドキシサイクリンに曝露された培養から単離したのに対し、ＰＤＢ４Ｆ−４および−５は１０および１２日間ドキシサイクリンに曝露された培養からそれぞれ単離した。
ｄ これらのｈｉＰＳＣ細胞はＨｏｃｋｅｍｅｙｅｒら、２００８において以前に特徴付けされている。

Claims (1)

  1. 図面中に記載の発明。
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