JP2023528309A - 体軸幹細胞、その生成方法及び使用 - Google Patents

体軸幹細胞、その生成方法及び使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、体軸幹細胞(AxSC)を生成する方法、並びにこのような方法によって生成される体軸幹細胞(AxSC)及びその使用に関する。本発明はさらに、多能性細胞ではないが、例えば、自身を無制限に複製することができる領域特異的分化複能性幹細胞である体軸幹細胞(AxSC)に関する。【選択図】図3A

Description

本願は、コンピュータ可読形態の配列表を含み、この配列表は参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、体軸幹細胞(AxSC)を生成する方法、並びに、例えばこのような方法によって生成される体軸幹細胞(AxSC)及びその使用に関する。本発明はさらに、多能性細胞ではない;領域特異的分化複能性幹細胞;多能性幹細胞から得ることができる;胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない;胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型(例えば、硬節、皮筋板及び末梢ニューロン)にのみ分化することができる;奇形腫を形成することができない;軸領域(例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靭帯及び/又は骨格筋の細胞)を生じる前駆体の特性を模倣することができる;一過性細胞ではない;運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨又は骨の前駆体に分化することができる;幹細胞を無制限に複製(更新)する;クローンとして増殖することができる、の特徴のうちの1つ以上を有する体軸幹細胞(AxSC)に関する。
哺乳動物生物の発生の顕著な特徴は、胚細胞が規定の期間自己複製する能力であり、これは、幹細胞の別個のプールを維持しながら、様々な組織型への分化を受ける娘子孫を産生する。マウス胚盤胞における多能性細胞、栄養膜細胞及び胚体外内胚葉細胞の増殖を促進し、分化を阻害するメカニズムの特定は、それぞれESC/PSC、TSC及びXENと命名される無制限に複製する幹細胞株の誘導を促進する細胞培養環境のインフォームドデザイン(情報を活用した設計)をもたらした(Martin、1981;Evans及びKaufman、1981;Tanakaら、1998;Niakanら、2013)。さらには、それぞれナイーブ/基底状態及びプライミング状態と命名された移植前及び移植後の胚盤胞に対応する多能性株、並びに最近提案された形成的多能性状態(Smith、2017)が、それぞれの発生段階を調節するシグナル伝達カスケードを操作することによって(Nichols及びSmith、2009;Bronsら、2007;Tesar、2005)、作製されている。注目すべきことに、これらの段階の調節の原理的モードは進化的に保存されており、胚盤胞の系譜(分化系列)を表すヒト幹細胞株の誘導につながっている(Thomsonら、1998;Gafniら、2013;Guoら、2016;Takashimaら、2014;Theunissenら、2014)。PSC及び異所性発現多能性転写因子を維持する培養条件の適用は、ヒトを含む多様な哺乳動物種から人工(i)PSCの誘導をもたらした(Takahashiら、2007;Takahashi及びYamanaka、2006;Yuら、2007;Liuら、2008)。これは、胚盤胞に存在する細胞型のレパートリーが幹細胞株として培養物中で無制限に再生及び維持されることが可能であろうという結論につながる。増殖及び分化の調節は胚発生の後期にも存在するので、これは、特定の胚領域を表すさらなるタイプの非多能性幹細胞を作製することが可能であるかどうかという疑問を提起する。
広範な増殖及び分化を伴う胚盤胞後発生段階の一例は、体軸伸長のプロセスである。それは、原始線条(原条)の後側領域から開始され、その後、軸伸長が完了するまで尾芽胚(尾芽)から継続する(Benazeraf及びPourquie、2013)。このプロセスは、初めに原始線条で形成され、軸の伸びの間にマウス胚の結節(ノード)-原始線条境界(node-streak border、NSB)、原条側方エピブラスト(caudal lateral epiblast、CLE)及び脊索-神経管尾端境界(chordoneural hinge、CNH)に存在する幹細胞様前駆体によって駆動される(Henriqueら、2015)。これらのいわゆる体軸前駆体(axial progenitor)は、すべての末梢ニューロン、硬節系譜及び皮筋板(皮筋節細胞)系譜、例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靭帯及び/又は骨格筋の細胞を生じると考えられ(Cambray及びWilson、2002、2007;Garriockら、2015;Attardiら、2018)、移植実験は、それらが高度の発生可塑性(Developmental plasticity)を有することを示した(Cambray及びWilson、2007;Tzouanacouら、2009;McGrewら、2008)。
体軸前駆体の特定化及び維持は、Wnt/β-カテニンシグナル伝達及びFGFシグナル伝達の相互作用によって駆動(推進)される(Henriqueら、2015)。それらの明確な特徴は、TBXT及びSOX2の共発現であり、これらは、他の点では、それぞれ中胚葉及び神経の発生の非重複の主要制御因子と概してみなされる(Delfino-Machinら、2005;Tsakiridisら、2014;Goutiら、2014;Kochら、2017)。この発現パターン、並びにそれらが末梢ニューロン及び硬節系譜及び皮筋板系譜を生じる上に列挙されたその解剖学的位置から、それらは神経中胚葉前駆体(neuromesodermal progenitor、NMP)として分類された(Goutiら、2014、Turnerら、2014、Cambray及びWilson、2007;Tzouanacouら、2009;Brown及びStorey、2000;Wilsonら、2009;Olivera-Martinezら、2012)。脊索前駆体(Wilson及びBeddington、1996)並びに前側及び体幹の側板中胚葉前駆体(lateral plate mesoderm progenitor、LPMP)(Kinderら、1999;Smithら、1994;Taguchiら、2014)は、軸領域に存在するさらなる細胞型である。最近の世界的なトランスクリプトミクス研究は、3つの体軸前駆細胞型すべてが明確に区別可能であるが、それらは、非常に多くの遺伝子発現パターンを共有もし、標的化アプローチにおいて区別することを困難にすることを示した(Wymeerschら、2019)。今日まで、体軸前駆体の機能的発生の可能性及びそれらが幹細胞株に転換されることが可能かどうかは、依然として未解決の疑問である。
TBXT及びSOX2の発現を含む軸性NMPの転写表現型を模倣する前駆体は、Wnt及びFGF経路の活性化によってマウス及びヒトのESCから誘導されている(Goutiら、2014;Turnerら、2014;Lippmannら、2015;Tsakiridis及びWilson、2015;Goutiら、2017;Denhamら、2015;Verrierら、2018)。しかしながら、それらの性状(同一性)、純度、及び分化能は議論されており(Edriら、2018)、重要なことに、それらの長期自己複製は実証されていない。
ヒト軸性子孫を生成する公知の方法は、労力を要し、費用がかかり、かつ、結果として生じる一過性の体軸前駆体には、多数の他の細胞型が混入する。それゆえ、哺乳動物における胚軸伸長の詳細な理解にもかかわらず、体軸幹細胞(AxSC)は誘導されておらず、この段階はヒト胚においてアクセス不可能である。
Martin,G.R.(1981) Proc Natl Acad Sci USA 78、7634-7638 Evans,M.J.、及びKaufman,M.H.(1981) Nature 292、154-156 Tanaka,S.、Kunath,T.、Hadjantonakis,A.K.、Nagy,A.、及びRossant,J.(1998) Science 282、2072-2075 Niakan,K.K.、Schrode,N.、Cho,L.T.、及びHadjantonakis,A.K.(2013) Nat Protoc 8、1028-1041 Smith,A.(2017) Development 144、365-373 Nichols,J.、及びSmith,A.(2009) Cell Stem Cell 4、487-492 Brons,I.G.、Smithers,L.E.、Trotter,M.W.、Rugg-Gunn,P.、Sun,B.、Chuva de Sousa Lopes,S.M.、Howlett,S.K.、Clarkson,A.、Ahrlund-Richter,L.、Pedersen,R.A.、及びVallier,L.(2007) Nature 448、191-195 Tesar,P.J.(2005) Proc Natl Acad Sci USA 102、8239-8244 Thomson,J.A.、Itskovitz-Eldor,J.、Shapiro,S.S.、Waknitz,M.A.、Swiergiel,J.J.、Marshall,V.S.、及びJones,J.M.(1998) Science 282、1145-1147 Gafni,O.、Weinberger,L.、Mansour,A.A.、Manor,Y.S.、Chomsky,E.、Ben-Yosef,D.、Kalma,Y.、Viukov,S.、Maza,I.、Zviran,A.、Rais,Y.、Shipony,Z.、Mukamel,Z.、Krupalnik,V.、Zerbib,M.、Geula,S.、Caspi,I.、Schneir,D.、Shwartz,T.、Gilad,S.、Amann-Zalcenstein,D.、Benjamin,S.、Amit,I.、Tanay,A.、Massarwa,R.、Novershtern,N.、及びHanna,J.H.(2013) Nature 504、282-286 Guo,G.、von Meyenn,F.、Santos,F.、Chen,Y.、Reik,W.、Bertone,P.、Smith,A.、及びNichols,J.(2016) Stem Cell Reports 6、437-446 Takashima,Y.、Guo,G.、Loos,R.、Nichols,J.、Ficz,G.、Krueger,F.、Oxley,D.、Santos,F.、Clarke,J.、Mansfield,W.、Reik,W.、Bertone,P.、及びSmith,A.(2014) Cell 158、1254-1269 Theunissen,T.W.、Powell,B.E.、Wang,H.、Mitalipova,M.、Faddah,D.A.、Reddy,J.、Fan,Z.P.、Maetzel,D.、Ganz,K.、Shi,L.、Lungjangwa,T.、Imsoonthornruksa,S.、Stelzer,Y.、Rangarajan,S.、D’Alessio,A.、Zhang,J.、Gao,Q.、Dawlaty,M.M.、Young,R.A.、Gray,N.S.、及びJaenisch,R.(2014) Cell Stem Cell 15、524-526 Takahashi,K.、Tanabe,K.、Ohnuki,M.、Narita,M.、Ichisaka,T.、Tomoda,K.、及びYamanaka,S.(2007) Cell 131、861-872 Takahashi,K.、及びYamanaka,S.(2006) Cell 126、663-676 Yu,J.、Vodyanik,M.A.、Smuga-Otto,K.、Antosiewicz-Bourget,J.、Frane,J.L.、Tian,S.、Nie,J.、Jonsdottir,G.A.、Ruotti,V.、Stewart,R.、Slukvin,II、及びThomson,J.A.(2007) Science 318、1917-1920 Liu,H.、Zhu,F.、Yong,J.、Zhang,P.、Hou,P.、Li,H.、Jiang,W.、Cai,J.、Liu,M.、Cui,K.、Qu,X.、Xiang,T.、Lu,D.、Chi,X.、Gao,G.、Ji,W.、Ding,M.、及びDeng,H.(2008) Cell Stem Cell 3、587-590 Benazeraf,B.、及びPourquie,O.(2013) Annu Rev Cell Dev Biol 29、1-26 Henrique,D.、Abranches,E.、Verrier,L.、及びStorey,K.G.(2015) Development 142、2864-2875 Cambray,N.、及びWilson,V.(2002) Development 129、4855-4866 Cambray,N.、及びWlson,V.(2007) Development 134、2829-2840 Garriock,R.J.、Chalamalasetty,R.B.、Kennedy,M.W.、Canizales,L.C.、Lewandoski,M.、及びYamaguchi,T.P.(2015) Development 142、1628-1638 Attardi,A.、Fulton,T.、Florescu,M.、Shah,G.、Muresan,L.、Lenz,M.O.、Lancaster,C.、Huisken,J.、van Oudenaarden,A.、及びSteventon,B.(2018) Development 145 Tzouanacou,E.、Wegener,A.、Wymeersch,F.J.、Wilson,V.、及びNicolas,J.F.(2009) Dev Cell 17、365-376 McGrew,M.J.、Sherman,A.、Lillico,S.G.、Ellard,F.M.、Radcliffe,P.A.、Gilhooley,H.J.、Mitrophanous,K.A.、Cambray,N.、Wilson,V.、及びSang,H.(2008) Development 135、2289-2299 Delfino-Machin,M.、Lunn,J.S.、Breitkreuz,D.N.、Akai,J.、及びStorey,K.G.(2005) Development 132、4273-4283 Tsakiridis,A.、Huang,Y.、Blin,G.、Skylaki,S.、Wymeersch,F.、Osorno,R.、Economou,C.、Karagianni,E.、Zhao,S.、Lowell,S.、及びWilson,V.(2014) Development 141、1209-1221 Gouti,M.、Tsakiridis,A.、Wymeersch,F.J.、Huang,Y.、Kleinjung,J.、Wlson,V.、及びBriscoe,J.(2014) PLoS Biol 12、e1001937 Koch,F.、Scholze,M.、Wittler,L.、Schifferl,D.、Sudheer,S.、Grote,P.、Timmermann,B.、Macura,K.、及びHerrmann,B.G.(2017) Dev Cell 42、514-526 e517 Turner,D.A.、Hayward,P.C.、Baillie-Johnson,P.、Rue,P.、Broome,R.、Faunes,F.、及びMartinez Arias,A.(2014) Development 141、4243-4253 Wlson,V.、及びBeddington,R.S.(1996) Mech Dev 55、79-89 Kinder,S.J.、Tsang,T.E.、Quinlan,G.A.、Hadjantonakis,A.K.、Nagy,A.、及びTam,P.P.(1999) Development 126、4691-4701 Smith,J.L.、Gesteland,K.M.、及びSchoenwolf,G.C.(1994) Dev Dyn 201、279-289 Taguchi,A.、Kaku,Y.、Ohmori,T.、Sharmin,S.、Ogawa,M.、Sasaki,H.、及びNishinakamura,R.(2014) Cell Stem Cell 14、53-67 Wymeersch,F.J.、Skylaki,S.、Huang,Y.、Watson,J.A.、Economou,C.、Marek-Johnston,C.、Tomlinson,S.R.、及びWilson,V.(2019) Development 146 Lippmann,E.S.、Williams,C.E.、Ruhl,D.A.、Estevez-Silva,M.C.、Chapman,E.R.、Coon,J.J.、及びAshton,R.S.(2015) Stem Cell Reports 4、632-644 Tsakiridis,A.、及びWilson,V.(2015) F1000Res 4、100 Gouti,M.、Delile,J.、Stamataki,D.、Wymeersch,F.J.、Huang,Y.、Kleinjung,J.、Wilson,V.、及びBriscoe,J.(2017) Dev Cell 41、243-261 e247 Denham,M.、Hasegawa,K.、Menheniott,T.、Rollo,B.、Zhang,D.、Hough,S.、Alshawaf,A.、Febbraro,F.、Ighaniyan,S.、Leung,J.、Elliott,D.A.、Newgreen,D.F.、Pera,M.F.、及びDottori,M.(2015) Stem Cells 33、1759-1770 Verrier,L.、Davidson,L.、Gierlinski,M.、Dady,A.、及びStorey,K.G.(2018) Development 145 Edri,S.、Hayward,P.、Baillie-Johnson,P.、Steventon,B.、及びMartinez Arias,A.(2018) . Bioarxiv
本発明は、体軸幹細胞(AxSC)(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法であって、多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(例えば、ヒトPSC及び/又はESC及び/又はiPSC、例えばヒトESC株H9(WA09)又はヒトiPSC株HMGU#1)を提供する工程であって、好ましくは上記誘導/生成の前に、上記多能性細胞は、適切な多能性細胞培地(例えば、Ludwig T、Thomson J.A.、Curr Protoc Stem Cell Biol. 2007年9月に記載されているmTESR(商標)1、又はStemMACS(商標)iPS-Brew XF)中で維持され、さらに好ましくは上記適切な多能性細胞培地は、上記誘導/生成のために(すなわち上記誘導/生成の前に)ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地(例えば、Brewer GJ、Cotman CW.、Brain Res. 1989年8月7日;494(1):65-74に記載されているとおり)で置き換えられる工程と、上記多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞においてWnt/β-カテニンシグナル伝達経路を活性化する工程であって(例えば、GO:0016055;例えば、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路は、標的細胞の表面上のfrizzledファミリー受容体へのWntタンパク質の結合によって開始され、細胞状態の変化で終わる一連の分子シグナルである(Huelsken J、Birchmeier W.、New aspects of Wnt signalling pathways in higher vertebrates. Current Opinion in Genetics & Development. 2001年10月;11(5):547-553))、好ましくは上記活性化は、GSK3-βタンパク質(例えば、UniProtKB-P49841)の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは上記CHIR99021阻害剤は約5μM~約10μMの濃度で使用され、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は約24時間使用される工程と、上記工程(b)から誘導される細胞を、継代の間のその細胞におけるWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の連続活性化の条件下で継代する工程であって、好ましくは、上記継代は少なくとも約3~9回(例えば、3回、4回、5回、6回、7回、8回、又は9回)行われ、さらに好ましくは上記継代は連続継代であり、さらに最も好ましくは、上記継代は、工程(b)から誘導される細胞を、新鮮な無血清培地(例えば、ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地)中により低い密度で再播種すること(例えば、再播種は、単細胞又は細胞の塊へのコロニーの解離及びそれらのプレーティングである)を含み、好ましくは、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、そのWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは、上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は、少なくとも約5μM(例えば、約7.5μM)の濃度で使用され、工程(c)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)を内因的に発現している工程とを含み、任意選択で、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及び/又はTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、好ましくは、(d1)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及びTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、さらにさらに最も好ましくは上記線維芽細胞増殖因子2は約20~約100ng/mlの濃度で使用され、工程(d1)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子(Tボックス転写因子)T(例えば、UniProtKB-O15178)及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を内因的に発現しているが、ペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現しているか、又は(d2)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d2)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しているが、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)を内因的に発現していないか、又は(d3)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約7.5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d3)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現している方法に関する。
本願は、本明細書において以下に記載され、特許請求の範囲において特徴付けられ、添付の実施例及び図面によって例示される、体軸幹細胞(AxSC)を生成する方法、並びに例えばそのような方法によって生成される体軸幹細胞(AxSC)、及びその使用の提供によって、この要求を満たす。
配列表の概要
配列番号1:(SYBR Green qPCRのための)GAPDH順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号2:(SYBR Green qPCRのための)GAPDH逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号3:(SYBR Green qPCRのための)MNX1(HB9)順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号4:(SYBR Green qPCRのための)MNX1(HB9)逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号5:(SYBR Green qPCRのための)PRPH順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号6:(SYBR Green qPCRのための)PRPH逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号7:(SYBR Green qPCRのための)POU4F1順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号8:(SYBR Green qPCRのための)POU4F1逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号9:(SYBR Green qPCRのための)RUNX2順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号10:(SYBR Green qPCRのための)RUNX2逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号11:(SYBR Green qPCRのための)BGLAP順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号12:(SYBR Green qPCRのための)BGLAP逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号13:(SYBR Green qPCRのための)COL1A1順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号14:(SYBR Green qPCRのための)COL1A1逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号15:(SYBR Green qPCRのための)NKX3-2順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号16:(SYBR Green qPCRのための)NKX3-2逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号17:(SYBR Green qPCRのための)COMP順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号18:(SYBR Green qPCRのための)COMP逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号19:(SYBR Green qPCRのための)ACAN順方向プライマーのDNA配列である。
配列番号20:(SYBR Green qPCRのための)ACAN逆方向プライマーのDNA配列である。
配列番号21は、例えば、UniProtKB受入番号P48431に対応するヒトSOX-2タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号22は、例えば、UniProtKB受入番号Q01860-1に対応するヒトPOU5F1タンパク質(OCT4としても知られる)の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号23は、例えば、UniProtKB受入番号Q9H9S0-1に対応するヒトNANOGタンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号24は、例えば、UniProtKB受入番号O15178-1に対応するヒトTBXTタンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号25は、例えば、UniProtKB受入番号Q99626-1に対応するヒトCDX2タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号26は、例えば、UniProtKB受入番号Q9H2W2-1に対応するヒトMIXL1タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号27は、例えば、UniProtKB受入番号P26367-1に対応するヒトPAX6タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号28は、例えば、UniProtKB受入番号P49841-1に対応するヒトGSK3Bタンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号29は、例えば、UniProtKB受入番号P09038-4に対応するヒトFGF2タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号30は、例えば、UniProtKB受入番号P01137-1に対応するヒトTGFB1タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号31は、例えば、UniProtKB受入番号Q6ZN17-1に対応するヒトLIN28Bタンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号32は、例えば、UniProtKB受入番号P04198-1に対応するヒトMYCNタンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号33は、例えば、UniProtKB受入番号O95409-1に対応するヒトZIC2タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号34は、例えば、UniProtKB受入番号P78415-1に対応するヒトIRX3タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号35は、例えば、UniProtKB受入番号O00570-1に対応する、ヒトSOX1タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号36は、例えば、UniProtKB受入番号P35716-1に対応する、ヒトSOX11タンパク質の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号37は、例えば、UniProtKB受入番号P43699-1に対応するヒトホメオボックスタンパク質Nkx-2.1の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号38は、例えば、UniProtKB受入番号Q2Q1W2-1に対応するヒトE3ユビキチンタンパク質リガーゼTRIM71の例示的なアミノ酸配列である。
配列番号39は、例えば、UniProtKB受入番号Q99853-1に対応するヒトフォークヘッドボックスタンパク質B1の例示的なアミノ酸配列である。
構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021によるhESCの単回処理及び反復処理を比較するqPCRによるTの時間経過分析(n=3、エラーバー - SEM。以下の他のすべてのqPCR分析も同様)。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。主成分分析。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。時間経過にわたる原始線条(T、MIXL1、EVX1、CDX2)結節(GSC)、沿軸中胚葉(TBX6)マーカー発現のパネル。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。未処理細胞(FC>2、padj≦0.05)及び濃縮組織カテゴリーと比較した72時間での上方制御された遺伝子のベン図。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。(D)からの最も濃縮された組織カテゴリーに割り当てられた上方制御された遺伝子のヒートマップ:外胚葉、中胚葉、神経管及び神経堤。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。時間経過における最も有意に濃縮されたシグナル伝達カスケード。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。時間経過におけるコア多能性遺伝子の発現の倍率変化。 構成的Wnt/β-カテニンシグナル伝達及び継代は、hESC子孫におけるT及びSOX2の安定な発現を促進する。CHIR99021で構成的に処理されたhESC及びhESCにおける過剰発現されたβ-カテニンの構成的に活性な形態の時間経過RNA-seq(n=2)。10μM CHIR99021処理の24時間後並びに1、3及び5継代後のコア多能性遺伝子及びTのqPCRによる分析。継代培地には、5μM CHIR99021(5C)又は5μM CHIR+100ng/ml FGF2(5CF)のいずれかを補充した(n=4)。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。CHIR99021濃度の勾配並びにFGF2及びTGF-β経路阻害剤SB431542の存在を示す、体軸幹細胞株を樹立するために使用された処理スキーム。色付きセクターは、9継代以上の株の誘導の成功をもたらした条件を示す。完全な条件マトリクス(行列)が図S2に与えられている。H9 hESC株を用いた3回を超える独立した誘導に基づく。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。CHIR99021濃度の勾配並びにFGF2及びTGF-β経路阻害剤SB431542の存在を示す、体軸幹細胞株を樹立するために使用された処理スキーム。色付きセクターは、9継代以上の株の誘導の成功をもたらした条件を示す。完全な条件マトリクスが図S2に与えられている。H9 hESC株を用いた3回を超える独立した誘導に基づく。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。上のパネルは、継代25で示された処理によって樹立された細胞株の代表的な位相差顕微鏡写真(倍率10倍)である(挿入図は、同じ継代のCHIR99021+FGF2+TGF-β阻害剤SB431542細胞株の高密度顕微鏡写真である)。下パネルは、対応する細胞株、継代26~28の代表的な免疫蛍光顕微鏡写真(倍率40倍)である。それぞれ、SOX2及びTのダブル染色及びCDX2及びPAX6のシングル染色(スケールバー - 40μm)。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。示される継代5、9における樹立細胞株の軸性遺伝子及び神経遺伝子のqPCR分析。未分化H9 hESCに対する倍率変化が示されている(n=3、独立に誘導された細胞株;NT - 試験せず、ND - 検出されなかった)。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。示される継代26における樹立細胞株の軸性遺伝子及び神経遺伝子のqPCR分析。未分化H9 hESCに対する倍率変化が示されている(n=3、独立に誘導された細胞株;NT - 試験せず、ND - 検出されなかった)。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。継代25の7.5μMのCHIR99021又はCHIR99021+TGF-β阻害剤SB431542の存在下で樹立された細胞株の代表的な位相差顕微鏡写真(倍率10倍)(高密度培養物が挿入図に示されている)、及び継代28のCHIR99021+SB431542試料の代表的な免疫蛍光顕微鏡写真。 WNT及びWNT/FGF2は、無制限に複製する体軸様細胞株の樹立を促進する。7.5μMのCHIR99021又はCHIR99021+TGF-β阻害剤SB431542の存在下で樹立された細胞株のqPCR分析。継代5及び26の上記細胞株における中胚葉遺伝子及び神経遺伝子のqPCR分析(n=3、独立に誘導された細胞株)。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。特徴的な遺伝子発現パターン及びそれらの推測される分化バイアスを示す、成功裏に樹立された細胞株の要約。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。CHIR99021単独、CHIR99021+SB43154及びCHIR99021+SB43154+FGF2処理で樹立された細胞株を、未分化H9親細胞株と比較して表す、RNA配列決定データセットにおける上方制御及び下方制御された遺伝子(log2FC≧2、FDR<0.05、9~12継代)のベン図。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。各細胞株からの有意に上方調節された遺伝子の遺伝子オントロジー分析(分子機能)。p値(フィッシャー(Fisher)検定)がすべてのカテゴリーについて示されている。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。1週間、2週間、及び3週間の、基底状態(CHIR99021+SB43154+FGF2)からプライミング状態(CHIR99021+SB43154)への、及びその逆の培地交換の際の示された遺伝子のqPCR分析。未分化親細胞株に対するLog2倍率変化が示されている。ND - Ct値はqPCR中に決定されなかった。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。主経路に関する体軸幹細胞の予測される分化能力。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。CHIR+TGFi及びCHIR+FGF2+TGFi細胞は、15日間及び28日間、運動ニューロンに分化した。DAPI(青色)でオーバーレイされたTuj1、Isl1及びHB9についての10倍倍率での位相差画像及びシングル免疫蛍光染色を示す。倍率 - 15日間については40倍、28日間については63倍、スケールバー - それぞれ20及び50μm。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。CHIR+FGF2+TGFi及びCHIR+TGFi株からの15日及び26日の分化の後のニューロンマーカーのqPCR分析。未分化親細胞株に対するLog2倍率変化が示されている(n=3、NT - 検定せず)。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。15日間の分化の後の示された条件に由来する骨細胞のqPCR分析。未分化親細胞株に対するLog2倍率変化が示されている(n=3)。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。15日間の分化の後の示された条件に由来する軟骨細胞のqPCR分析。未分化親細胞株に対するLog2倍率変化が示されている(n=3)。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。15日間の骨形成分化の後のCHIR+FGF2+TGFi及びCHIR+TGFi株のアリザリンレッド染色。未分化CHIR+TGFi対照が並べて示されている。 体軸幹細胞の方向付けられた分化。15日間の軟骨形成分化の後のCHIR+FGF2+TGFi及びCHIR+TGFi株のアルシアンブルー染色。未分化CHIR+TGFi対照が並べて示されている。 A)体軸幹細胞の誘導のための維持培地において使用されるリガンドの組み合わせの概略。最上行のμMはCHIR99021濃度を示す。緑色の長方形は、細胞株の樹立の成功(9継代を超える)を示す。×が書かれた長方形は、細胞死、増殖の欠如の最終分化により終結した誘導の不成功を示す。灰色の長方形は、9継代を超えて維持されたが、継代にわたる不安定な増殖及び長期の自発的分化を示す細胞株を示す。 CDX2発現において不均質性を示すCHIR-FGF2-SB431542株由来の10個の個別に単離されたクローンにおける定量的PCRに基づく遺伝子発現。親株の継代27からクローンが誘導され、単離後の継代4で分析された。遺伝子発現は、(GAPDHに対する)相対量として表示される。n=1。 Cdx2及びTBXTの発現についてのA)からの8つのクローンの免疫蛍光分析。63倍の倍率での代表的な写真。 ヒトiPS細胞株(HMGU#1)からの体軸幹細胞誘導の概略。μM濃度は、CHIR99021についてのものである。FGF2及びSB-431542の濃度は、H9 hES細胞株からの誘導と同じであり、それぞれ100ng/ml及び10μMであった。 継代9のiPS由来体軸幹細胞株におけるマーカー遺伝子発現の定量的qPCR分析。発現はGAPDHに対して正規化され、未分化親iPS細胞株に対するLog2倍率変化としてプロットされている。エラーバーは、生物学的反復(誘導物)間の平均の標準誤差を表す。n=1~6。 時間経過CHIR99021刺激及びβ-カテニン誘導の間のHox遺伝子発現のRNA-seq分析。時間点は0(非刺激)、8時間、16時間、24時間、48時間及び72時間である。すべての(0時間と比較した任意の時間点で)差異的に発現されたHox遺伝子がプロットされている(倍率変化>1.5、FDR<0.05)。zスコアは、正規化したカウントから計算された。 樹立された体軸幹細胞株におけるHox遺伝子発現のRNA-seq分析(log2倍率変化)。差異的に発現された(未分化親hESに対する任意の株)Hox遺伝子のみがプロットされている(倍率変化>1.5、FDR<0.05)。 CHIR99021刺激の72時間と樹立されたCHIR-FGF2-SB431542体軸幹細胞株との間のHox遺伝子発現の重複のベン図(差異的に発現されたHox遺伝子のみが比較される)。樹立された株においてのみ発現される遺伝子が右側に列挙されている。 新規な無制限に自己複製する細胞の軸性性状(axial identity)を示す遺伝子発現分析。継代1、3及び5でのCHIR99021により24時間誘導された細胞及びCHIR99021+FGF2+SB431542駆動細胞(CFS)における多能性遺伝子、軸性遺伝子、神経遺伝子及び中胚葉遺伝子のqPCR分析(未分化H9 hESCに対する倍率変化、n=3、独立に誘導された細胞株)。 継代1、2、3及び4でのCHIR99021により24時間誘導された細胞及びCHIR99021+SB431542駆動細胞(CS)における多能性遺伝子、軸性遺伝子、神経遺伝子及び中胚葉遺伝子のqPCR分析(未分化H9 hESCに対する倍率変化、n=3、独立に誘導された細胞株)。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。 hESC(H9及びHUES6)及びhiPSC(HMGU1)に由来するCFS株及びCS株の単細胞配列決定のUMAP可視化。 単細胞レベルでの軸性マーカーSOX2、TBXT、CDX2及び神経マーカーPAX6の発現。 単細胞レベルでの軸性マーカーSOX2、TBXT、CDX2及び神経マーカーPAX6の発現。 系譜特異的マーカーの平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 HOX遺伝子の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、WNT遺伝子及び受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、FGF遺伝子及び受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、TGFb遺伝子及び受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、NOTCHリガンド及び受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、レチノイン酸受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 軸伸長及び胚発生を通して調節されるシグナル伝達経路に関与する遺伝子、BMP遺伝子及び受容体、の平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 CS株におけるLouvain(ルーヴァン)クラスタリングのUMAP可視化。 CSクラスターにおける系譜特異的マーカーの平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 CS株におけるLouvainクラスタリングのUMAP可視化。 CSクラスターにおける系譜特異的マーカーの平均発現を示すドットプロット。ドットサイズはそれぞれの遺伝子を発現する細胞のパーセンテージを表し、色強度は発現レベルを示す。 体軸幹細胞の神経分化。分化培地中の神経分化プロセス及びサイトカインの概略図。 体軸幹細胞の神経分化。CFS株(上パネル)及びCS株(下パネル)の分化中の2日目及び16日目での代表的な位相差顕微鏡写真(倍率20倍)。 体軸幹細胞の神経分化。3つのCFS株からの分化の28日目における神経マーカーのqPCR分析(P:親細胞、N:神経分化)。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を表示する。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の神経分化。3つのCS株からの分化の28日目における神経マーカーのqPCR分析(P:親細胞、N:神経分化)。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を表示する。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の神経分化。CFS株からの分化の28日目における、63倍の倍率での運動ニューロンマーカー(MNX1、緑色)、汎神経マーカー(TUJ1、赤色)及びDAPI(青色)の免疫蛍光染色。 体軸幹細胞の神経分化。CS株からの分化の14日目における、63倍の倍率での運動ニューロンマーカー(MNX1、緑色)、汎神経マーカー(TUJ1、赤色)及びDAPI(青色)の免疫蛍光染色。 体軸幹細胞の骨格筋分化。分化培地中の骨格筋分化プロセス(#1~4)及びサイトカインの概略図。 体軸幹細胞の骨格筋分化。CFS株からの分化の40日目における代表的な位相差顕微鏡写真(倍率20倍)。スケールバーは20μmである。 体軸幹細胞の骨格筋分化。3つの独立に誘導されたCS株からの分化の6日目における代表的な位相差顕微鏡写真(倍率20倍)。スケールバーは20μmである。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されるプロセス(#1)を使用することによるCFS株からの分化の40日目におけるステージ特異的筋発生マーカーのqPCR分析。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を示す(P:親細胞、N:神経分化)。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されるプロセス(#2)を使用することによるCFS株からの分化の40日目におけるステージ特異的筋発生マーカーのqPCR分析。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を示す(P:親細胞、N:神経分化)。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されるプロセス(#3)を使用することによるCFS株からの分化の40日目におけるステージ特異的筋発生マーカーのqPCR分析。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を示す(P:親細胞、N:神経分化)。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されるプロセス(#4)を使用することによるCFS株からの分化の40日目におけるステージ特異的筋発生マーカーのqPCR分析。それぞれのバー中の各記号は、技術的反復を示す(P:親細胞、N:神経分化)。エラーバーは平均の標準誤差(SEM)を表す。倍率変化は、未分化H9 hESCに対して示されている。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されたプロセスを使用することによるCFS株からの分化の40日目における筋マーカーMyoD(赤)、M-カドヘリン(緑)、及びDAPI(青)の免疫蛍光染色、スケールバー、倍率63倍。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されたプロセスを使用することによるCFS株からの分化の40日目における筋マーカーミオゲニン(赤)、M-カドヘリン(緑)、及びDAPI(青)の免疫蛍光染色、スケールバー、倍率63倍。 体軸幹細胞の骨格筋分化。示されたプロセスを使用することによるCFS株からの分化の40日目における筋マーカーMyHC(赤)及びDAPI(青)の免疫蛍光染色、スケールバー、倍率63倍。 3D培養におけるCFS株の神経筋分化。分化培地中の3D分化プロセス及びサイトカインの概略図。 3D培養におけるCFS株の神経筋分化。CFS株から分化した40日目オルガノイドの代表的な位相差顕微鏡写真(倍率5倍)。スケールバーは0.75μmである。 3D培養におけるCFS株の神経筋分化。40日目オルガノイドにおける神経マーカー(C)および筋肉マーカー(D)のqPCR分析。 3D培養におけるCFS株の神経筋分化。(E~F)CFS株から分化した40日目オルガノイドにおける運動ニューロンマーカー(MNX1、赤色;OLIG2、紫色;ISL1、緑色)及びDAPI(青色)(E)並びに筋マーカー(MyHC、赤色;ACTA1、緑色)及びDAPI(青色)の全オルガノイド免疫蛍光染色。スケールバー - 100μm。 ニワトリ胚へのeGFPタグ付きCFS株の注入。アスタリスクで示す、HH17期の発育中のニワトリ胚の尾芽胚領域へのeGFPCFS細胞の注入。 ニワトリ胚へのeGFPタグ付きCFS株の注入。HH23~24期で停止したニワトリ胚におけるeGFPCFS細胞。 ニワトリ胚へのeGFPタグ付きCFS株の注入。GFPで染色されたHH23~24期胚の断面における神経管(白矢印)及び体節(赤矢印)へのCFS細胞の寄与。 hAxSCでは発現されるが、ヒトNMP(Verrierら、2018 Development;表S1による)又はマウスNMP(Goutiら、Dev Cell. 2017)では発現されない遺伝子。図は、3つの供給源に由来するヒト体軸幹細胞(AxCC)の次世代単細胞グローバル転写物(すべての発現遺伝子)配列決定を示す:プライミング:CS_H9:ヒトES細胞株WA09(H9)に由来するCS状態;プライミング:CS_HMGU1:ヒトiPS細胞株HMGU1に由来するCS状態;プライミング:CS_HUES6:ヒトES細胞株HUES6に由来するCS状態;基底:CFS_H9:ヒトES細胞株WA09(H9)に由来するCS状態;基底:CFS_HMGU1:ヒトiPS細胞株HMGU1に由来するCS状態;基底:CFS_HUES6:ヒトES細胞株HUES6に由来するCS状態。Uniform Manifold Approximation and Projection(UMAP、一様多様体の近似と投影)プロットは、28,700個の個々の細胞間の類似性の程度を示す。 hAxSCでは発現されるが、ヒトNMP(Verrierら、2018 Development;表S1による)又はマウスNMP(Goutiら、Dev Cell. 2017)では発現されない遺伝子。図は、3つの供給源に由来するヒト体軸幹細胞(AxCC)の単細胞網羅的転写物次世代(すべての発現遺伝子)配列決定を示す:プライミング(プライミング):CS_H9:ヒトES細胞株WA09(H9)に由来するCS状態;プライミング:CS_HMGU1:ヒトiPS細胞株HMGU1に由来するCS状態;プライミング:CS_HUES6:ヒトES細胞株HUES6に由来するCS状態;基底:CFS_H9:ヒトES細胞株WA09(H9)に由来するCS状態;基底:CFS_HMGU1:ヒトiPS細胞株HMGU1に由来するCS状態;基底:CFS_HUES6:ヒトES細胞株HUES6に由来するCS状態。遺伝子、すなわちMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2、SOX11のパネルであり、これらは、AxSCによって顕著に発現される(基底状態のAxSC(左のCS)は、主にMYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現し、プライミング状態のAxSC(右のCFS)は、主にMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現する)が、ヒト及びヒトES細胞に由来するヒトNMP(Verrierら、2018 Development)又は胚由来のマウスNMP(Goutiら、Dev Cell. 2017)では発現されない。
哺乳動物における胚軸伸長の詳細な理解にもかかわらず、体軸幹細胞(AxSC)は誘導されておらず、この段階はヒト胚においてアクセス不可能である。従って、本発明の根底にある技術的問題は、上記の必要性に適合するように定式化されてもよい。この技術的問題は、本明細書に記載され、特許請求の範囲に規定される手段及び方法によって解決された。
いくつかの態様では、本発明は、ヒト多能性幹細胞からの体軸幹細胞の誘導に関する。特に、本発明は、多能性幹細胞から領域特異的分化複能性幹細胞、すなわち体軸幹細胞を樹立するための手順に関する。好ましい実施形態では、本発明は、ヒト多能性幹細胞、胚性幹細胞及び人工多能性幹細胞(例えば、ESC及びiPSC)から、運動ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、及び骨格筋細胞を含む、軸領域を生じる前駆体の特性を模倣する娘幹細胞を誘導する手順を提供する。
好ましい実施形態では、本発明の体軸幹細胞は多能性ではなく、従って、細胞療法における重要な懸念である奇形腫を生じることができない。さらに好ましくは、本発明の体軸幹細胞は、身体のすべての細胞型を生じるヒト多能性幹細胞の分化と比較して、より高い純度の分化した子孫(例えば、運動ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、及び骨格筋細胞を含む軸領域の細胞)を生成することができる。さらに最も好ましくは、本発明の体軸幹細胞は、運動ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、及び骨格筋細胞を含む軸領域の細胞型のための分化プロトコルを劇的に短縮及び単純化することができよう。
有利には、本発明の方法は、例えば、無限量の上記のより純粋な子孫型(例えば、運動ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、及び骨格筋細胞を含む軸領域の細胞)の生成を可能にし、製造を実現可能にし、より低コストにし、移植による細胞の適用をより安全にする。
定義
本明細書に記載されるように、UniProtKB受入番号(http://www.uniprot.org/、例えば、2020年2月26日に公開されたUniProtKB Release 2020_01において入手可能)が参照される。
本明細書に記載されるように、Gene Ontology and GO Annotationsデータベース(https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/);GOバージョン2020-04-09;2020-04-06に作成された注釈セットが参照される。
本明細書で使用する場合、用語「Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路」は、「Wntシグナル伝達経路」という用語と互換的に使用することができる(例えば、GO:0016055;例えば、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路は、標的細胞の表面上のfrizzledファミリー受容体へのWntタンパク質の結合によって開始され、細胞状態の変化で終わる一連の分子シグナルである;Huelsken J、Birchmeier W. New aspects of Wnt signaling pathways in higher vertebrates. Current Opinion in Genetics & Development. 2001年10月;11(5):547-553)。
本明細書で使用する場合、用語「体軸幹細胞」(又は「AxSC」)は、用語「神経筋骨格幹細胞」と互換的に使用されてもよく、本発明の方法によって生成された細胞、又は本明細書において以下に記載される本発明の方法によって生成された細胞の特徴を有する細胞を指してもよい。
本明細書で使用する場合、用語「多能性幹細胞」(又は「PSC」)は、任意のタイプの組織の細胞に分化することができる細胞であって、例えば、胚(例えば、ヒト胚)の破壊以外の手段によって得ることができる(例えば、Yuら、2007、Science. 2007年12月21日;318(5858):1917-20)細胞を指してもよい。
本明細書で使用する場合、用語「胚性幹細胞」(又は「ESC」)は、胚(例えば、ヒト胚)を破壊することなく生成されてもよい(例えば、Chungら、Cell stem Cell、2008年2月、第2巻、113-117頁)胚性多能性幹細胞を指してもよい。
本明細書で使用する場合、用語「人工多能性幹細胞」(又は「iPSC」)は、成体細胞から直接生成することができる多能性幹細胞(例えば、Yuら、2007)を指してもよく、すなわち、それらは、胚を破壊することなく得ることができ、例えば、それらは体細胞(例えば、線維芽細胞)から得ることができる。
本明細書で使用する場合、用語「神経中胚葉前駆体」(又はNMp)は、脊髄及び沿軸中胚葉の両方の発生に寄与する胚細胞型(例えば、Tzouanacouら、2009)を指してもよい。しかしながら、NMPは、それら自体を無制限に複製することも、それら自体を異なる幹細胞サブタイプ(例えば、本発明で使用されるCFS及びCS)に分化させることもできない。さらに、NMPは一過性細胞であり、これは、NMPが増殖できないことを意味する(例えば、20回超の継代)。加えて、NMPは、本発明の体軸幹細胞と比較して異なる遺伝子のレパートリーを発現する。例えば、NMPは、本明細書で規定されるMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2、SOX11タンパク質を発現していない。
本明細書で使用する場合、用語「人工神経幹細胞(induced neural stem cell)」(又はiNSC)は、ニューロン、星状細胞及びオリゴデンドロサイト(乏突起膠細胞)に分化することができる自己複製性分化複能性細胞である体細胞由来神経幹細胞を指してもよい。
本明細書で使用する場合、用語「実質的に発現していない」は、対照(例えば出発細胞、例えば未分化細胞、例えば未分化H9 hESC)の発現レベルの10%未満(例えば、7%未満、4%未満、1%未満、0.5%未満、又は0.1%未満)である発現レベルを指してもよい。
本発明の過程において、TXBT/BRA及びSOX2が内因的に誘導される場合のヒトESC及びiPSCの連続継代が、無制限に自己複製する形態学的にコンパクトな幹細胞株の2つの状態を樹立することを可能にすることが見出された。WNT/FGF下での樹立は、神経中胚葉前駆体に似たSOX2/TBXT株を生成したが、WNT単独では、第1の状態からも誘導することができるSOX2/PAX6株を生じたが、その逆は起こらなかった。TGF-βの阻害は、誘導プロセス、クローン継代を改善し、自発的分化を減少させた。重要なことに、この2つの状態は、末梢特性及び運動特性を有する末梢ニューロンニューロン型に、並びに硬節及び皮筋板体節中胚葉(dermomyotomesomitic mesoderm)に容易に分化するが、重要なことに、それらは機能的に類似しており、運動ニューロンに迅速かつ均一に分化し、奇形腫を形成しなかった。従って、基底状態及びプライミング状態のヒトAxSCは、多能性細胞から誘導することができ、末梢神経の変性及び損傷の治療の基礎となる潜在能力を有し、また、神経変性、軸発生、及び進化の研究のベンチマークとなる可能性がある。
本発明の過程において、体軸前駆体の既知の基準を満たすヒト幹細胞株を作製するためのプロセスが開発された。移植後及び原腸形成の開始後にヒト胚を操作することが許されないため、この誘導は、例えば、ヒトESC及びiPSCに基づいた。hPSCの子孫においてTBXT及びSOX2の内因性発現を誘導する条件は、これらの遺伝子がNSB、CLE及びCNHにおける体軸前駆体を特徴付ける最も初期のマーカーのいくつかであるため、最初に規定された。驚くべきことに、連続継代が、多能性幹細胞及び神経幹細胞(NSC)の自己複製に重要な転写因子であるSOX2の発現を維持することが見出されたため、細胞株を作製するために、連続継代を使用した。Wnt/β-カテニン及びFGF誘導剤並びにTGF-β阻害剤が研究されたが、これは、これらの経路が、TBXTを上方制御した細胞において活性化されたためである。細胞株の樹立は、例えば、3~5継代以内に明らかであり、重要な発生遺伝子のレベルは、多数の継代にわたって安定なままであった。さらに、TGF-β阻害剤の使用は、細胞株の自発的分化を最小限にし、本発明者らが単細胞クローンを作製することを可能にした。注目すべきことに、PSCのレベルでSOX2を維持したが、FGF2の存在下でPAX6及びTBXTの発現について相互排他的であったこれらの細胞株によって、2つの発生状態が捕捉された。本発明の過程において、新たに樹立された体軸細胞株を、インビトロで末梢ニューロン並びに中胚葉硬節及び皮筋板の子孫に分化させることが可能であった。それらの奇形腫形成能力を試験するために、すべての細胞株を免疫不全マウスに注射したが、そのマウスは、そのような腫瘍の徴候を示さなかった。ESC及びNSC等の幹細胞株の以前の誘導の影響によれば、無制限に複製する幹細胞株の形態での培養におけるヒト体軸前駆体の提示は、新規の基礎的及び医学的な研究の進行の火付け役となりうることが企図される。これは、例えば、体軸発生、神経筋障害及び進化の調節、並びに薬物化合物及び細胞療法の開発による末梢神経系の疾患及び外傷の治療における新規適用を含んでもよい。
本発明の体軸幹細胞(AxSC)は、神経中胚葉前駆体(NMP)ではない。従って、NMPは一過性細胞であることが先行技術から公知であり、これは、それらを増殖させることができないことを意味するが、本発明の体軸幹細胞(AxSC)は一過性のものではなく、増殖させることができる(例えば、20回を超える継代)。
本発明を特徴付ける実施形態は、本明細書に記載され、図面に示され、実施例で例証され、特許請求の範囲に反映される。
なお、本明細書で使用する場合、単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈と明らかに矛盾する場合でないかぎり、複数の指示対象を含む。従って、例えば、「a reagent(試薬)」への言及は、そのような異なる試薬の1つ以上を含み、「the method(方法)」への言及は、本明細書に記載される方法を改変又は置換することができる当業者に公知の同等の工程及び方法への言及を含む。
特段の記載がない限り、一連の要素に先行する用語「少なくとも」は、その一連の要素のあらゆる要素を指すと理解されるべきである。当業者は、日常的な実験のみを使用して、本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、又は確認することができるであろう。このような等価物は、本発明に包含されることが意図される。
本明細書で使用する場合、用語「及び/又は」は、「及び」、「又は」及び「その用語によって接続される要素のすべて又は任意の他の組合せ」の意味を含む。
本明細書で使用される用語「約」又は「およそ」は、所与の値又は範囲の20%以内、好ましくは10%以内、より好ましくは5%以内を意味する。
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体を通して、文脈と矛盾する場合を除いて、語句「comprise(含む)」、並びに「comprises(含む)」及び「comprising(含む)」等の変形は、記載された整数若しくは工程又は整数若しくは工程の群の包含を含意し、任意の他の整数若しくは工程又は整数若しくは工程の群の排除を含意しないと理解されるであろう。本明細書で使用する場合、用語「comprising(含む)」は、用語「containing(含有する)」若しくは「including(含む)」で置き換えることができ、又は場合によっては、本明細書で使用する場合、用語「having(有する)」で置き換えることができる。
本明細書で使用する場合、「consisting of(からなる)」は、請求項の要素に特定されていない任意の要素、工程、又は成分を除外する。本明細書で使用する場合、「本質的に…からなる」は、請求項の基本的かつ新規の特徴に実質的に影響を及ぼさない材料又は工程を排除しない。
本明細書の各場合において、用語「comprising(含む)」、「consisting essentially of(本質的に…からなる)」及び「consisting of(からなる)」はいずれも、他の2つの用語のいずれかと置き換えることができる。
別の実施形態では、本発明は、体軸幹細胞(AxSC)(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法であって、多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(例えば、ヒトPSC及び/又はESC及び/又はiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)又はヒトiPSC株HMGU#1)を提供する工程であって、好ましくは上記誘導/生成の前に、上記多能性細胞は、適切な多能性細胞培地(例えば、mTESR1又はiPS-Brew等)中で維持され、さらに好ましくは上記適切な多能性細胞培地は、上記誘導/生成のために(すなわち上記誘導/生成の前に)ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地で置き換えられる工程と、上記多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞においてWnt/β-カテニンシグナル伝達経路を活性化する工程であって(例えば、GO:0016055;例えば、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路は、標的細胞の表面上のfrizzledファミリー受容体へのWntタンパク質の結合によって開始され、細胞状態の変化で終わる一連の分子シグナルである(Huelsken J、Birchmeier W.、New aspects of Wnt signaling pathways in higher vertebrates. Current Opinion in Genetics & Development. 2001年10月;11(5):547-553))、好ましくは上記活性化は、GSK3bタンパク質(例えば、UniProtKB-P49841)の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは上記CHIR99021阻害剤は約5μM~約10μMの濃度で使用され、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は約24時間使用される工程と、上記工程(b)から誘導される細胞を、継代の間のその細胞におけるWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の連続活性化の条件下で継代する工程であって、好ましくは、上記継代は少なくとも約3~9回(例えば、3回、4回、5回、6回、7回、8回、又は9回)行われ、さらに好ましくは、上記継代は連続継代であり、さらに最も好ましくは、上記継代は、工程(b)から誘導される細胞を、新鮮な無血清培地(例えば、ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地)中により低い密度で再播種すること(例えば、再播種は、単細胞又は細胞の塊へのコロニーの解離及びそれらのプレーティングである)を含み、好ましくは、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは、上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は、少なくとも約5μM(例えば、約7.5μM)の濃度で使用され、工程(c)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)を内因的に発現している工程とを含み、任意選択で、
(d)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及び/又はTGF-β阻害剤(例えば、UniProtKB-P01137)の存在下で行われ、好ましくは、
(d1)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及びTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好好ましくは、上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、さらにさらに最も好ましくは、上記線維芽細胞増殖因子2は約20~約100ng/mlの濃度で使用され、工程(d1)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を内因的に発現しているが、ペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現しているか、又は
(d2)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d2)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しているが、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)を内因的に発現していないか、又は
(d3)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約7.5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは、上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d3)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現している
方法を提供する。
例示的なRPMI-1640培地組成物
(例えば、https://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-culture/learning-center/media-formulations/rpmi-1640.htmlに記載されるとおり)
Figure 2023528309000002
Figure 2023528309000003
例示的なB27組成物及び調製プロトコル(例えば、https://hannalabweb.weizmann.ac.il/で入手可能なWeizmann Institute of Science(ワイツマン科学研究所)のHanna LabProtocolによって記載されるとおり)
成分のうちのいくつかについて将来の再使用のためのストックを作製する。
3)ヒトインスリン(Sigma(シグマ)又はPROSPEC BIO(プロスペック・バイオ) CYT)(800mlのB27に対して125mgが必要である)。250mgのインスリンを10mlの0.005M HClに一晩又はさらに2日間4℃で溶解することによって25mg/mlのストック溶液を調製する。-80℃で1mlのアリコートに保存する(800mlのB27あたり5個のバイアルを使用する)。
6)T3(Sigma)(800mlのB27に対して80μgが必要である)。100mgのT3を1mlのDMSOに溶解し、次いで49mlのエタノールに溶解することによって、2mg/mlのストック溶液を調製する。-80℃で40μlの個々のアリコートに保存する(800mlのB27サプリメントあたり1バイアルを使用する)。
11)亜セレン酸ナトリウム(Sigma、1mg)(800mlのB27に対して500μgが必要である)。上記瓶を1mlのdH2Oに溶解することによって1mg/mlのストックを調製する。800mlのB27サプリメントあたり500μlを添加する。
12)コルチコステロン(Sigma、1g)(800mlのB27に対して800μgが必要である)。0.1gのコルチコステロンを50mlのエタノールに溶解することによって2mg/mlのストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
13)リノール酸(Sigma、100MG)(800mlのB27に対して40mgが必要である)。0.9mlのエタノールを添加することによって100mg/mlストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
14)リノレン酸(Sigma、500MG)(800mlのB27に対して40mgが必要である)。4.5mlのエタノールを添加することによって100mg/mlストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
15)プロゲステロン(Sigma、1g)(800mlのB27ストックあたり0.252mgが必要である)。10mgのプロゲステロンを10mlのエタノールに溶解することによって1mg/mlのストックを調製する。-80℃で保存する。252μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。
16)酢酸レチノール(Sigma、1g)(800mlのB27ストックあたり4mgが必要である)。上記瓶を50mlのエタノールに溶解することによって20mg/mlストックを調製する。200μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
17)DL-α-トコフェロール(ビタミンE)(Sigma、5G)(800mlのB27ストックあたり40mgが必要である)。上記瓶を45mlのエタノールに溶解することによって100mg/mlのストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
18)DL-α-トコフェロール酢酸エステル(Sigma、10G)(800mlのB27あたり40mgが必要である)。上記瓶を90mlのエタノールに溶解することによって100mg/mlのストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
19)オレイン酸(Sigma、1G)(800mlのB27ストックあたり40mgが必要である)。9mlのエタノールを添加することによって100mg/mlストックを調製する。400μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
20)ピペコリン酸(Sigma、100MG)(800mlのB27ストックあたり40mgが必要である)。2mlの水を加えることによって50mg/mlストックを調製する。800μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。-80℃で保存する。
合計800mlのB27サプリメントについて、ベースとしての500mlのNeurobasal培地(Invitrogen(インビトロジェン))中に以下の22種の成分(例えば、Sigma-Aldrich(シグマ・アルドリッチ)製のもの)を集める:
1)空の滅菌した1Lガラス瓶に、合計100gのBSA Fraction V IgG free Fatty Acid Poor粉末(Invitrogen)及び500mlのNeurobasal培地を挿入する(残りの300mlのNeurobasalを、以下に示す成分のいくつかを溶解するために使用する)。
2)ビオチン(100mgの1単位、例えばSigma製)を10mlのNeurobasal培地に溶解し、添加して混合する。
3)カタラーゼ(100mgの1単位、例えばSigma)を10mlのNeurobasal培地に溶解し、添加して混合する。
4)すべての4単位のスーパーオキシドジスムターゼを10mlのNeurobasal培地に溶解し、添加して混合する。
5)40mgのグルタチオンを秤量し、直接添加して混合する。
6)すべての2単位のホロトランスフェリニンを10mlのNeurobasal培地に溶解し、添加して混合する。
7)80mgのL-カルニチンを秤量し、直接添加して混合する。
8)600mgのD-ガラクトースを秤量し、直接添加して混合する。
9)644mgのプトレシンを秤量し、直接添加して混合する。
10)40μLのエタノールアミンを直接添加して混合する。
11)1バイアルの(エタノールに溶解し、-80で凍結した)プロゲステロンストックを直接添加して混合する。プロゲステロンストック調製:10mgのプロゲステロンを10mlのエタノールに溶解することによって1mg/mlのストックを調製する。-80℃で保存する。252μlの個々のアリコートを作製する(800mlのB27あたり1バイアルを使用する)。
12)5バイアルのインスリンストック(溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
13)1バイアルのT3(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
14)1バイアルのピペコリン酸ストック(水に溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
15)1バイアルのオレイン酸ストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
16)1バイアルのリノール酸ストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
17)1バイアルのリノレン酸ストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
18)1バイアルの酢酸レチノールストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。ビタミンAを含まないB27サプリメントの調製のために、酢酸レチノールを組成物から除外する。
19)1バイアルのDL-α-トコフェロール(ビタミンE)ストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
20)1バイアルのDL-α-トコフェロール酢酸エステルストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
21)1バイアルのコルチコステロンストック(エタノールに溶解し、-80で凍結した)を直接添加して混合する。
22)1バイアルの亜セレン酸ナトリウムストック(エタノールに溶解し、-80で凍結)を直接添加して混合する。
23)300mlのNeurobasalの残っているもの(残り)を加える。瓶を穏やかに混合する(ピペッティング又は激しい振盪の必要はない)。10回穏やかに揺らす。最適な溶解のために瓶を4℃で12時間(一晩)放置する(いかなる振盪もなく、光から保護されたままにする)。翌日、5mlアリコートを作製し、光から保護された状態で-20で保存する。(-20で1年間安定)。凍結及び解凍の繰り返しを回避する。混合物は、濾過するには粘性が高すぎるが、後で培地に添加すると濾過することができる。マウスPSCについては、500mlの培地瓶あたり5ml(1アリコート)のB27を使用することができる。ヒトPSCについては、500mlの培地瓶あたり10ml(2アリコート)のB27を使用することができる。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の連続活性化が、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及び/又はTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われる本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の連続活性化が、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038)及びTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、さらにさらに最も好ましくは上記線維芽細胞増殖因子2は約20~約100ng/mlの濃度で使用され、上記工程(d1)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を内因的に発現しているが、ペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現している本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d2)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しているが、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)を内因的に発現していない本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の連続活性化は、約7.5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d3)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現している本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(d)を含む本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(d)を含み、さらに工程(d1)、(d2)又は(d3)を含む本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、工程(c)及び/又は工程(d)から誘導される細胞を継代することをさらに含む本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、本発明の体軸幹細胞が、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)を発現する;OCT4転写因子(例えば、UniProtKB-Q01860)を実質的に発現しない;ホメオボックスタンパク質NANOG(例えば、UniProtKB-Q9H9S0)を実質的に発現しない;多能性ではない、領域特異的分化複能性幹細胞である;多能性幹細胞、胚性幹細胞若しくは人工多能性幹細胞(例えば、ヒトPSC及び/若しくはESC及び/若しくはiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)若しくはヒトiPSC株HMGU#1)から得ることができる;胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない;胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型(例えば、硬節、皮筋板及び末梢ニューロン)にのみ分化することができる;奇形種(テラトーマ)を形成することができない;軸領域(例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靱帯及び/若しくは骨格筋の細胞)を生じる前駆体の特性を模倣することができる;一過性細胞ではない;運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨若しくは骨の前駆体に分化することができる;無制限に複製する幹細胞である;クローンとして増殖することができる;神経中胚葉前駆体(NMp)ではなく、並びに/又は人工神経幹細胞(iNSC)ではない、の特徴のうちの1つ以上を有する本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、本発明の体軸幹細胞が、例えば、(a)基底体軸幹細胞(例えば、無制限に複製する基底体軸幹細胞は、本明細書では「CFS」とも呼ばれてもよい)に無制限に複製及び分化することができ、この基底体軸幹細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)、及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を発現し、並びに/又は(b)プライミング状態の体軸幹細胞(例えば、無制限に複製するプライミング状態の体軸幹細胞は、本明細書では「CS」とも呼ばれてもよい)に無制限に複製及び分化することができ、このプライミング状態の体軸幹細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質PAX-6(例えば、UniProtKB-P26367)を発現する本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、体軸幹細胞がヒト体軸幹細胞である本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、本発明の方法によって生成される体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、体軸幹細胞(AxSC)(例えば、単離されたAxSC)であって、この体軸幹細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)を発現する;OCT4転写因子(例えば、UniProtKB-Q01860)を実質的に発現しない;ホメオボックスタンパク質NANOG(例えば、UniProtKB-Q9H9S0)を実質的に発現しない;上記AxSCは多能性ではなく、領域特異的分化複能性幹細胞である;多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(例えば、ESC及び/又はiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)又はヒトiPSC株HMGU#1)から得ることができる;胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない;胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型(例えば、硬節、皮筋板及び末梢ニューロン)にのみ分化することができる;奇形種を形成することができない;軸領域(例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靱帯及び/又は骨格筋の細胞)を生じる前駆体の特性を模倣することができる;一過性細胞ではない;運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨又は骨の前駆体に分化することができる;無制限に複製する幹細胞である;クローンとして増殖することができる;神経中胚葉前駆体(NMp)ではない;人工神経幹細胞(iNSC)ではない、の特徴のうちの1つ以上を有する体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、上記AxSCが、自身を無制限に複製することができ、例えば、(a)基底体軸幹細胞(例えば、無制限に複製する基底状態体軸幹細胞は、本明細書では「CFS」とも呼ばれてもよい)に分化することができ、この基底体軸幹細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431);T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178);ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626);及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を発現し、並びに/又は(b)プライミング状態体軸幹細胞(例えば、無制限に複製するプライミング状態体軸幹細胞は、本明細書では「CS」とも呼ばれてもよい)に分化することができ、このプライミングされた体軸幹細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質PAX-6(例えば、UniProtKB-P26367)を発現する本発明の体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、上記AxSCが、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)を内因的に発現しており、ペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)をさらに内因的に発現している本発明の体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、上記AxSCが、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しており、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2)及びホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626)を内因的に発現していない本発明の体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、上記AxSCが、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-G9H2W2)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367)を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-C99626)をさらに内因的に発現している本発明の体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、上記AxSCが、ヒト体軸幹細胞(例えば、単離されたもの)である本発明の体軸幹細胞に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、本発明の体軸幹細胞を含む組成物、調製物及び/又はキットに関する。
さらなる実施形態では、本発明の組成物、調製物及び/又はキットは、医薬及び/又は診断用の組成物、調製物若しくはキットである。
さらなる実施形態では、本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットは、医薬として使用される。
さらなる実施形態では、本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットは、神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法;骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法;筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法;細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法;疾患(例えば、末梢神経系の疾患若しくは体軸幹細胞に関連する疾患、例えば筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連(例えば、変性)疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて、候補化合物をスクリーニングする方法;体軸幹細胞に関連する疾患、例えば筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連(例えば、変性)疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である上述の方法のいずれか、のうちの1つ以上において使用される。
さらなる実施形態では、本発明は、例えば必要とする試料及び/又は対象の状態を改善する方法であって、好ましくは当該方法は、神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法;骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法;筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法;細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法;疾患(例えば、末梢神経系の疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて、候補化合物をスクリーニングする方法のうちの1つ以上であり、当該方法は、本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットを上記試料及び/又は対象に提供する工程と、例えば、治療有効量の上記体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットを上記試料及び/又は対象に投与する工程とを含む方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である本発明の方法に関する。
さらなる実施形態では、本発明は、例えば、神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断;骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断;筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断;細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療;疾患(例えば、末梢神経系の疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて候補化合物をスクリーニングすること;インビトロ、エキソビボ又はインビボでの使用である上述の使用のいずれか、のうちの1つ以上のための本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットの使用に関する。
さらなる実施形態では、インビトロ、エキソビボ又はインビボでの使用又はこれらの組み合わせである本発明に係る使用に関する。
好ましい実施形態では、本発明の方法は、以下の出発細胞(すなわち、本発明の方法で提供される細胞)を用いて行われ、出発細胞は多能性細胞であり、それらは、胚性幹細胞(ESC)又は人工多能性幹細胞(iPSC)のいずれかであることができ、好ましくは、出発細胞はヒト起源の多能性細胞であり(しかしながら、本発明は、霊長類細胞又はマウス等の非ヒト起源の多能性細胞も含む)、多能性細胞は文献に記載されており、例えば、古典的な多能性因子POU5F1(OCT4)、NANOG、SOX2の共発現、並びに細胞培養において無制限に自己複製する能力、並びに内胚葉、中胚葉、外胚葉及び胚外組織型に分化する能力を特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、本発明の方法は、最終細胞(体軸幹細胞)を得るために出発細胞に適用される以下の誘導工程を含み、第1及び第2の工程は、本明細書において以下に記載される。
分化複能性体軸幹細胞の誘導における第1の工程は、多能性細胞における初期原始線条様状態の誘導である(この工程は短く、例えば24時間であり、細胞が原始線条前駆体に分化するインパルスを与えられることを確実にし、好ましくは、この工程は、多能性遺伝子POU5F1、NANOG及び/又はSOX2を完全に下方制御するほど長くなく、さらに好ましくは、この工程は高密度で、例えば2D単層で増殖する細胞に対して、本発明の規定された無血清培地中で行われる。
第2の工程は、分化複能性体軸幹細胞の実際の生成である。この工程の理論的根拠は、上記工程で生成された原始様細胞において、a)自己複製する能力及びb)哺乳動物における後後頭軸伸長に寄与する分化複能性前駆体の特徴を維持することである。この工程は、例えば、特定のリガンドを含む規定の無血清培地中に、はるかに低い密度で誘導細胞を再播種することによって行われる。候補幹細胞株の生成の成功は、同じ(対応する)培地中でさらに増殖することができる小さな密なコロニーの形成において視覚的に明らかになることが可能である。この体軸幹細胞株は、例えば、最大9継代(例えば、3~9継代)の経験的樹立段階を受ける。この時間の間、マーカー遺伝子発現を一貫性について監視することができる。樹立期後、細胞は「誘導された」と考えられ、終末体細胞型、a)脊髄運動ニューロン及びb)硬節誘導体(軟骨細胞及び骨細胞)、へのさらなる分化のために使用することができる。これらの細胞は、皮筋板誘導体 - 骨格筋細胞及び脂肪細胞にも変換することができる。
さらに好ましい実施形態では、本発明の方法は、以下の培地組成物及び/又はリガンドを使用する:最初の誘導工程では、細胞は、例えば、ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640から構成される適切な培地に移すことができ、10μMの濃度のCHIR99021を24時間添加することができる。第2の工程では、誘導された細胞を、例えば、ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640から構成される適切な培地に再播種することができ、以下のリガンドを添加することができる:細胞型A(「基底」とも呼ばれてもよい)を生成するために、100ng/mlのFGF2及び10μMのTGF経路阻害剤SB431542と共に5μMのCHIR99021;又は、細胞型B(「プライミング(予備刺激)された」とも呼ばれてもよい)を生成するために、10μMのSB431542を含む若しくは含まない5μMのCHIR99021;又は、細胞型C(「中間」とも呼ばれてもよい)を生成するために、10μMのSB431542を含む若しくは含まない7.5μMのCHIR99021。好ましくは、これらの培地組成物は、樹立期(例えば、9継代)及びそれ以降を通して維持することができる。
さらに好ましい実施形態では、本発明の方法及び体軸細胞は、最初の24時間誘導期後の細胞は、初期原始線条のマーカー、例えばブラキウリ(TBXT)、MIXL1、GSC、CDX1、CDX2、EOMES、及び/又はEVX1のすべて又はいくつかの細胞における誘導された発現によって特徴付けられる、という特徴のうちの1つ以上を有する。好ましくは、同時に、これらの細胞はPax6(神経外胚葉)又はSox17(内胚葉)を発現しない。さらに好ましくは、同時に、多能性遺伝子POU5F1、NANOG及びSOX2は、発現の有意な低下を示さない。さらに最も好ましくは、本発明の分化複能性体軸幹細胞は、継代9以降において、無制限の自己複製能力;上皮様形態を有する、小~中程度に密に形成されたコロニーとして増殖することができる;非催奇形性(すなわち、奇形腫を形成しない)、の特徴のうちの1つ以上を有する。
さらに好ましい実施形態では、A型の本発明の体軸幹細胞は、TBXT(ブラキウリ)及びSOX2を共発現し、好ましくはMIXL1も発現し、さらに好ましくはCDX2を発現し、さらに最も好ましくは、HOXクラスター遺伝子のほとんど(例えば、A1~D13)を発現してもよく、さらにさらに最も好ましくは、Pax6又はPOU5F1を発現せず、NANOG発現は大きく下方制御されてもよい。
さらに好ましい実施形態では、B型の本発明の体軸幹細胞は、SOX2及びHOXクラスター遺伝子のほとんど(例えば、A1~D9/A10)を発現し、好ましくはPax6を高レベルで発現し、さらに好ましくは、TBXT(ブラキウリ)、MIXL1及びCDX2を発現しない。
さらに好ましい実施形態では、C型の本発明の体軸幹細胞は、HOXクラスター遺伝子のほとんど(例えば、A1~D9/A10)を発現し、好ましくはブラキウリ(TBXT)及びSOX2を共発現し、さらに好ましくは、中程度のレベルでPax6を発現する。
さらに好ましい実施形態では、本発明の3つの体軸細胞型(A、B及びC)すべては、脊髄運動ニューロン、骨細胞及び軟骨細胞にさらに分化させることが可能である。このニューロン分化は均一であり、多能性細胞から開始する確立されたプロトコル(例えば、変換は48~72時間で観察することができる)と比較して有意に短い時間しか必要としない。
さらに好ましい実施形態では、本発明の体軸幹細胞は、神経中胚葉前駆体(NMp)ではない。
さらに好ましい実施形態では、本発明の方法及び使用は、神経中胚葉前駆体(NMp)を生成しない。
さらに好ましい実施形態では、本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキットは、本発明の方法において使用される(例えば、当該方法は、インビボ、インビトロ又はエキソビボ方法である)。
さらに好ましい実施形態では、本発明の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキット又は方法は、胚(例えば、ヒト胚)の破壊を含まず、例えば、胚(例えば、ヒト胚)の破壊なしで得ることができる。
本発明は、本明細書に記載される特定の方法論、プロトコル、及び試薬等に限定されず、従って変動し得ることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、特許請求の範囲によってのみ規定される本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
本明細書の本文を通して引用されるすべての刊行物及び特許(すべての特許、特許出願、科学刊行物、製造業者の仕様書、説明書等を含む)は、上記又は下記にかかわらず、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書のいかなる内容も、本発明が先行発明によってそのような開示に先行する権利がないということを認めるものとして解釈されるべきではない。参照により組み込まれる材料が本明細書と矛盾するか又は整合しない場合、本明細書はあらゆるそのような材料に優先する。
本発明は、以下の項目によっても特徴付けられる。
1. 体軸幹細胞(AxSC)(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法であって、
a)多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(例えば、ヒトPSC及び/又はESC及び/又はiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)又はヒトiPSC株HMGU#1)を提供する工程であって、好ましくは、上記誘導/生成の前に、上記多能性細胞は、適切な多能性細胞培地(例えば、mTESR1又はiPS-Brew等)中で維持され、さらに好ましくは、上記適切な多能性細胞培地は、上記誘導/生成のために(すなわち上記誘導/生成の前に)ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地で置き換えられる工程と、
b)上記多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞においてWnt/β-カテニンシグナル伝達経路を活性化する工程であって(例えば、GO:0016055;例えば、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路は、標的細胞の表面上のfrizzledファミリー受容体へのWntタンパク質の結合によって開始され、細胞状態の変化で終わる一連の分子シグナルである(Huelsken J、Birchmeier W. New aspects of Wnt signalling pathways in higher vertebrates. Current Opinion in Genetics & Development. 2001年10月;11(5):547-553))、好ましくは上記活性化は、GSK3bタンパク質(例えば、UniProtKB-P49841又は配列番号28)の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは上記CHIR99021阻害剤は約5μM~約10μMの濃度で使用され、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は約24時間使用される工程と、
c)工程(b)から誘導される細胞を、継代の間の上記細胞におけるWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の連続活性化の条件下で継代する工程であって、好ましくは、上記継代は少なくとも約3~9回(例えば、3回、4回、5回、6回、7回、8回、又は9回)行われ、さらに好ましくは上記継代は連続継代であり、さらに最も好ましくは、上記継代は、工程(b)から誘導される細胞を、新鮮な無血清培地(例えば、ビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地)中により低い密度で再播種すること(例えば、再播種は、単細胞又は細胞の塊へのコロニーの解離及びそれらのプレーティングである)を含み、好ましくは、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは、上記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは、上記CHIR99021阻害剤は、少なくとも約5μM(例えば、約7.5μM)の濃度で使用され、工程(c)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)を内因的に発現している工程と
を含み、
d)任意選択で、工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の上記連続活性化は、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038又は配列番号29)及び/又はTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137又は配列番号30)阻害剤の存在下で行われ、好ましくは、
(d1)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、線維芽細胞増殖因子2(例えば、UniProtKB-P09038若しくは配列番号29)及びTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137若しくは配列番号30)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは、上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、さらにさらに最も好ましくは、上記線維芽細胞増殖因子2は約20~約100ng/mlの濃度で使用され、工程(d1)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431若しくは配列番号21)、T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178若しくは配列番号24)及びホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2若しくは配列番号26)を内因的に発現しているが、ペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367若しくは配列番号27)を内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626若しくは配列番号25)さらに内因的に発現しているか、又は
(d2)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137若しくは配列番号30)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは、上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d2)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431若しくは配列番号21)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367若しくは配列番号27)を内因的に発現しているが、Tボックス転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178若しくは配列番号24)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2若しくは配列番号26)及びホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626若しくは配列番号25)を内因的に発現していないか、又は
(d3)工程(c)からのWnt/β-カテニンシグナル伝達の上記連続活性化は、約7.5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β(例えば、UniProtKB-P01137若しくは配列番号30)阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは上記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは、上記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d3)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431若しくは配列番号21)、Tボックス転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178若しくは配列番号24)、ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2若しくは配列番号26)及びペアードボックスタンパク質Pax-6(例えば、UniProtKB-P26367若しくは配列番号27)を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626若しくは配列番号25)をさらに内因的に発現している
方法。
2. 工程(d)を含む項目1に記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
3. 工程(d)を含み、工程(d1)、(d2)又は(d3)をさらに含む項目1又は項目2に記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
4. 工程(c)及び/又は工程(d)から誘導される細胞を継代する工程をさらに含む、項目1から項目3のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
5. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が、
i)転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431若しくは配列番号21)を発現する、
ii)OCT4転写因子(例えば、UniProtKB-Q01860若しくは配列番号22)を実質的に発現しない、
iii)ホメオボックスタンパク質NANOG(例えば、UniProtKB-Q9H9S0若しくは配列番号23)を実質的に発現しない、
iv)多能性ではない、
v)領域特異的分化複能性幹細胞である、
vi)多能性幹細胞、胚性幹細胞若しくは人工多能性幹細胞(例えば、ヒトPSC及び/若しくはESC及び/若しくはiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)若しくはヒトiPSC株HMGU#1)から得ることができる、
vii)胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない、
viii)胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型(例えば、硬節、皮筋板及び末梢ニューロン)にのみ分化することができる、
ix)奇形腫を形成することができない、
x)軸領域(例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靱帯及び/若しくは骨格筋の細胞)を生じる前駆体の特性を模倣することができる、
xi)一過性細胞ではない、
xii)運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨若しくは骨の前駆体に分化することができる、
xiii)無制限に複製する幹細胞である、
xiv)クローンとして増殖することができる、
xv)神経中胚葉前駆体(NMp)ではない、並びに/又は
xvi)人工神経幹細胞(iNSC)ではない、
の特徴のうちの1つ以上を有する項目1から項目4のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
6. 上記体軸幹細胞が、胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない項目1から項目5のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
7. 上記体軸幹細胞が、胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型にのみ分化することができる項目1から項目6のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
8. 上記体軸幹細胞が奇形腫を形成することができない項目1から項目7のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
9. 上記体軸幹細胞が一過性細胞ではない項目1から項目8のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
10. 上記体軸幹細胞が無制限に複製する幹細胞である項目1から項目9のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
11. 上記体軸幹細胞がクローンとして増殖することができる項目1から項目10のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
12. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が神経中胚葉前駆体(NMp)ではない項目1から項目11のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
13. 上記体軸幹細胞が神経中胚葉前駆体(NMp)ではなく、上記体軸幹細胞が、以下のタンパク質、
i)好ましくはUniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)、
ii)好ましくはUniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)、
iii)好ましくはUniProtKB-P78415又は配列番号34を有するIroquois(イロコイ)クラスホメオドメインタンパク質IRX-3(IRX3)、
iv)好ましくはUniProtKB-O00570又は配列番号35を有する転写因子SOX-1(SOX1)、
v)好ましくはUniProtKB-O95409又は配列番号33を有するジンクフィンガータンパク質ZIC2(ZIC2)、
vi)好ましくはUniProtKB-P35716又は配列番号36を有する転写因子SOX-11(SOX11)、
のうちの1つ以上を発現し、
vii)好ましくは、上記AxSCは、(i)~(vi)に規定されるMYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現する基底状態AxSCであり、
viii)好ましくは、上記AxSCは、(i)~(vi)に規定されるMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現するプライミング状態AxSCである項目1から項目12のいずれか1つに記載の体軸幹細胞を生成する方法。
14. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が、
i)基底体軸幹細胞(例えば、本明細書では「CFS」とも呼ばれる、無制限に複製する基底体軸幹細胞)であって、この基底体軸幹細胞は、
a)転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)、
b)T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178又は配列番号24)、
c)ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626又は配列番号25)、及び
d)ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2又は配列番号26)
を発現し、
e)好ましくは、ホメオボックスタンパク質Nkx-2.1(NKX2.1)、例えばUniProtKB-P43699又は配列番号37をさらに発現し、
f)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)をさらに発現し、
g)好ましくは、例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)をさらに発現し、
h)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q2Q1W2又は配列番号38を有するE3ユビキチンタンパク質リガーゼTRIM71(TRIM71)をさらに発現し、
i)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q99853又は配列番号39を有するフォークヘッドボックスタンパク質B1(FOXB1)をさらに発現する
基底体軸幹細胞に、
ii)プライミング状態体軸幹細胞(例えば、本明細書において「CS」とも呼ばれる、無制限に複製するプライミング状態体軸幹細胞)であって、このプライミングされた体軸幹細胞は、
j)転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)、及び
k)ペアードボックスタンパク質PAX-6(例えば、UniProtKB-P26367又は配列番号27)
を発現し、
l)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)をさらに発現し、
m)好ましくは、例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)をさらに発現し、
n)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q2Q1W2又は配列番号38を有するE3ユビキチンタンパク質リガーゼTRIM71(TRIM71)をさらに発現し、
o)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q99853又は配列番号39を有するフォークヘッドボックスタンパク質B1(FOXB1)をさらに発現する
プライミング状態体軸幹細胞に
無制限に複製及び分化することができる項目1から項目13のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
15. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が、ヒト体軸幹細胞(又はヒト神経筋骨格幹細胞)である項目1から項目14のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
16. 項目1から項目15のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(若しくは誘導)する方法によって生成された体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
17. 単離体軸幹細胞(AxSC)(又は神経筋骨格幹細胞)であって、この単離体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は、転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)を発現し、OCT4転写因子(例えば、UniProtKB-Q01860又は配列番号22)を実質的に発現せず、ホメオボックスタンパク質NANOG(例えば、UniProtKB-Q9H9S0又は配列番号23)を実質的に発現せず、上記AxSC(又は神経筋骨格幹細胞)は多能性ではなく、上記AxSC(又は神経筋骨格幹細胞)は、以下の特徴、
i)領域特異的分化複能性幹細胞である、
ii)多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞(例えば、ESC及び/又はiPSC、例えば、ヒトESC株H9(WA09)又はヒトiPSC株HMGU#1)から得ることができる、
iii)胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない、
iv)胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型(例えば、硬節、皮筋板及び末梢ニューロン)にのみ分化することができる、
v)奇形腫を形成することができない、
vi)軸領域(例えば、運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靭帯及び/又は骨格筋の細胞)を生じる前駆体の特性を模倣することができる、
vii)一過性細胞ではない、
viii)運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨又は骨の前駆体に分化することができる、
ix)無制限に複製する幹細胞である、
x)クローンとして成長することができる、
xi)神経中胚葉前駆体(NMp)ではない、
xii)人工神経幹細胞(iNSC)ではない、
のうちの1つ以上をさらに有する単離体軸幹細胞(AxSC)(又は神経筋骨格幹細胞)。
18. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は、胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない項目17に記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
19. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は、胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型にのみ分化することができる項目17又は項目18に記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
20. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は奇形腫を形成することができない項目17から項目19のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
21. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は一過性細胞ではない項目1から項目20のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
22. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は、無制限に複製する幹細胞である項目17から項目21のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
23. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)はクローンとして増殖することができる項目17から項目22のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
24. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は神経中胚葉前駆体(NMp)ではない項目17から項目23のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
25. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は神経中胚葉前駆体(NMp)ではなく、上記体軸幹細胞は、以下のタンパク質、
i)好ましくはUniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)、
ii)好ましくはUniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)、
iii)好ましくはUniProtKB-P78415又は配列番号34を有するIroquoisクラスホメオドメインタンパク質IRX-3(IRX3)、
iv)好ましくはUniProtKB-O00570又は配列番号35を有する転写因子SOX-1(SOX1)、
v)好ましくはUniProtKB-O95409又は配列番号33を有するジンクフィンガータンパク質ZIC2(ZIC2)、
vi)好ましくはUniProtKB-P35716又は配列番号36を有する転写因子SOX-11(SOX11)
のうちの1つ以上を発現し、
vii)好ましくは、上記AxSCは、(i)~(vi)に規定されるMYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現する基底状態AxSCであり、
viii)好ましくは、上記AxSCは、(i)~(vi)に規定されるMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現するプライミング状態AxSCである
項目17から項目24のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
26. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)は、自身を無制限に複製することができ、
i)基底体軸幹細胞(例えば、本明細書では「CFS」とも呼ばれる、無制限に複製する基底体軸幹細胞)であって、この基底体軸幹細胞は、
a)転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)、
b)T-box転写因子T(例えば、UniProtKB-O15178又は配列番号24)、
c)ホメオボックスタンパク質CDX-2(例えば、UniProtKB-Q99626又は配列番号25)、及び
d)ホメオボックスタンパク質MIXL1(例えば、UniProtKB-Q9H2W2又は配列番号26)
を発現し、
e)好ましくは、ホメオボックスタンパク質Nkx-2.1(NKX2.1)、例えばUniProtKB-P43699又は配列番号37をさらに発現し、
f)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)をさらに発現し、
g)好ましくは、例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)をさらに発現し、
h)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q2Q1W2又は配列番号38を有するE3ユビキチンタンパク質リガーゼTRIM71(TRIM71)をさらに発現し、
i)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q99853又は配列番号39を有するフォークヘッドボックスタンパク質B1(FOXB1)をさらに発現する
基底体軸幹細胞に、
ii)プライミング状態体軸幹細胞(例えば、本明細書において「CS」とも呼ばれる、無制限に複製するプライミング状態体軸幹細胞)であって、このプライミングされた体軸幹細胞は、
j)転写因子SOX-2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21)、及び
k)ペアードボックスタンパク質PAX-6(例えば、UniProtKB-P26367又は配列番号27)
を発現し、
l)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)をさらに発現し、
m)好ましくは、例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)をさらに発現し、
n)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q2Q1W2又は配列番号38を有するE3ユビキチンタンパク質リガーゼTRIM71(TRIM71)をさらに発現し、
o)好ましくは、例えば、UniProtKB-Q99853又は配列番号39を有するフォークヘッドボックスタンパク質B1(FOXB1)をさらに発現する
プライミング状態体軸幹細胞に
分化することができる項目17から項目25のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
27. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が、ヒト体軸幹細胞(又はヒト神経筋骨格幹細胞)である項目17から項目26のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)。
28. 上記体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)が、項目1から項目27のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(又は神経筋骨格幹細胞)である項目1から項目27のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を生成(又は誘導)する方法。
29. 項目16から項目27のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)を含む組成物、調製物又はキット。
30. 上記組成物、調製物又はキットは、医薬及び/又は診断用の組成物、調製物又はキットである項目29に記載の組成物、調製物又はキット。
31. 医薬として使用するための、項目16から項目27及び項目29から項目30のいずれか1つに記載の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキット。
32. i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法、
iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法、
v)疾患(例えば、末梢神経系の疾患若しくは体軸幹細胞に関連する疾患、例えば筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連(例えば、変性)疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて候補化合物をスクリーニングする方法、
vi)体軸幹細胞に関連する疾患、例えば筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連(例えば、変性)疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
vii)インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である(i)~(vi)のいずれか
のうちの1つ以上において使用するための項目16から項目27及び項目29から項目31のいずれか1つに記載の体軸幹細胞(若しくは神経筋骨格幹細胞)、組成物、調製物又はキット。
33. 必要とする試料又は対象の状態を改善する方法であって、この方法は、以下の、
i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法、
iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法、
v)疾患(例えば、末梢神経系の疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて、候補化合物をスクリーニングする方法、
のうちの1つ以上であり、
当該方法は、
a)項目16から項目27及び項目29から項目32のいずれか1つに記載の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキットを上記試料又は対象に提供する工程と、
b)治療有効量の上記体軸幹細胞、組成物、調製物又はキットを上記試料又は対象に投与する工程と
を含む方法。
34. 上記方法が、インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である項目33に記載の方法。
35. 以下の、
i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断、
ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断、
iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断、
iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療、
v)疾患(例えば、末梢神経系の疾患)に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて候補化合物をスクリーニングすること、
vi)インビトロ、エキソビボ又はインビボでの使用である(i)~(v)のいずれか、
のうちの1つ以上のための項目16から項目27及び項目29から項目32のいずれか1つに記載の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットの使用。
本発明は、以下の実施例によってさらに例証されるが、しかしながら、実施例に限定されず、又は実施例の任意の特定の実施形態によって限定されない。
本発明の実施例
材料及び方法
細胞培養
ヒトESC株H9(WA09)及びヒトiPSC株HMGU#1(Kunzeら、2018)は、mTesR1(Stem Cell Technologies(ステムセル・テクノロジーズ))又はiPS Brew XP(Miltenyi Biotech(ミルテニーバイオテク))培地のいずれかにおいて、マトリゲル(Matrigel)コーティング(BD Corning(ビーディー・コーニング))プレート上で増殖させた。コンフルエンス>70%のときに、Passaging solution XF(Miltenyi Biotech)を用いて1:10の比で細胞を分割した。H9細胞は42~65継代、HMGU#1は21~34継代で使用した。すべての実験において、新鮮な培地を毎日適用し、細胞を5%CO2で培養した。
時間経過実験では、Accutase(Sigma)を用いて細胞を解離させ、10μM Y-27632(R&D)を補充したmTesR1培地中、ウェルあたり2.5×105細胞で12ウェルプレートに播種した。24時間後、培地を分化培地、L-グルタミンを含み、10μM CHIR99021(Tocris(トクリス))を含有するインスリンを含まない1×B-27サプリメントを含むRPMI-1640と交換した。β-カテニン過剰発現の場合、CHIR99021を1μg/mlのドキシサイクリン(Clontech(クロンテック))に置き換えた以外は、手順は同じであった。すべての細胞培養培地成分は、特段の記載がない限り、Life Technologies(ライフ・テクノロジーズ)から入手した。
体軸幹細胞誘導
細胞を上記のように播種し、10μM CHIRで24時間処理した。その後、細胞を、維持培地(L-グルタミン、1×非必須アミノ酸、ビタミンAを含まない1×B-27サプリメント、及びそれぞれのリガンド(表1参照)を補充したRPMI-1640)を含有するマトリゲルコーティングした6ウェルプレートに1:20~1:30の比で分割し、培養物を、それらがコンフルエントになるまでインキュベートした。継代9で定義される樹立期の終わりまで、コンフルエントな培養物を1:10~1:20の比で常法により分割した。分割は、Passaging solution XF又はVersene(Life Technologies)のいずれかを用いて行った。FGF2含有培地を毎週新たに調製し、FGF2を含まない培地を少なくとも2週間毎に調製した。分化した細胞の手動のコロニー採取又は掻き取りは、細胞株の樹立中のいずれの段階でも採用しなかった。
Figure 2023528309000004
ΔN90 β-カテニンhESC株
構成的に活性なβ-カテニン(N末端からの最初の90アミノ酸の欠失を含む)のテトラサイクリン誘導性過剰発現を生成するために、H9細胞を、P3初代細胞4Dヌクレオフェクターキット(Lonza(ロンザ))を使用して、PB-GFP-P2A-ΔNβCATプラスミド及びPiggybacトランスポザーゼコードプラスミドでヌクレオフェクト(nucleofect)した。48時間後、細胞を10cm皿に分割し、50μg/mlハイグロマイシンB(Life Technologies)を用いて2週間選択した。その後、25μg/mlのハイグロマイシンBの存在下で親H9株と同じ方法でポリクローナル安定株を増殖させた。
方向づけられた分化
運動ニューロン分化:AxSC株をAccutaseで解離し、1.5×105細胞を、10μM Y-27632を補充したそれぞれの維持培地を含有するマトリゲルでコーティングした12ウェルプレートの1つのウェルに播種した。翌日、培地をニューロン分化培地、1×B-27サプリメント、1×N2サプリメント、0.1μM レチノイン酸(Sigma)、100ng/ml組換えソニックヘッジホッグ(R&D)、10ng/ml BDNF(R&D)、10ng/ml GDNF(R&D)、10ng/ml IGF-1(Peprotech(ぺプロテック))、0.1μMの化合物E(Merck(メルク))及び100μMのcAMP(Sigma)を含む1:1比のDMEM/F12及びNeurobasal培地A、に交換した。最初の5日間は培地を毎日交換し、その後隔日に交換した。
骨細胞分化:AxSC株を上記のように播種したが、より高い密度で、12ウェルプレートの1ウェルあたり2.5×105細胞を播種した。翌日、培地を、L-グルタミンを含み、300nM SAG(Sigma)及び20ng/ml FGF2(Peprotech)を補充したビタミンAを含まない1×B-27サプリメントを含むRPMI-1640に交換した。2日後、分化の残りのために培地をOsteoDiff StemMACS培地(Miltenyi Biotech)に交換した。最初の5日間は培地を毎日交換し、その後隔日に交換した。
軟骨細胞分化:軟骨細胞は、分化培地がChondroDiff StemMACS(Miltenyi Biotech)であったことを除き、骨細胞と同じ手順を用いてAxCS株から分化させた。
定量的PCR
RNeasyミニキット(Qiagen(キアゲン))を用いて全RNAを単離した。cDNAを、0.2~1μgの全RNA(各実験内の試料間で正規化した量)から、Verso cDNA合成キット(Thermo Scientific(サーモ・サイエンティフィック))を製造業者の指示に従って使用して合成した。1μlのcDNA(1:5希釈物)を、10μlのqPCR反応において鋳型として使用した。PCRは、Taqman Gene Expression Master Mixと共に予め設計されたTaqman Gene Expression Assays(両方ともThermo Scientific製)、又はPower SYBR Green master mix(Thermo Scientific)と共にカスタム設計されたプライマーのいずれかを使用して設定した。すべてのプライマー及びTaqmanプローブの詳細は、例えば、表2に列挙されている。反応におけるプライマー濃度は、すべてのプライマーについて250nMであった。PCRは、QuantStudio 12K Flex Real-Time PCR System(Thermo Scientific)で、予め規定されたサイクリングパラメータを用いて行った。各反応について2つの技術的反復を実施した。使用したTaqmanアッセイ及びプライマーを、例えば、表2に列挙する。GAPDHは、すべての実験においてハウスキーピング遺伝子として機能した。遺伝子発現における相対的倍率変化(FC)を、ΔΔCt法(Livak及びSchmittgen、2001)を用いて計算した。結果は、特段の記載がない限り、生物学的反復間の平均ΔΔCt±平均の標準誤差として提示する。プロットは、Rバージョン3.5.1(R Core Team、2018)を実行するRStudioソフトウェア中のggplot2パッケージ(Wickham、2009)を使用して作成した。
Figure 2023528309000005
免疫蛍光分析
免疫蛍光分析のために、細胞を、マトリゲルコーティングガラスカバースリップ又はマトリゲルコーティング4ウェルμ-スライド(Ibidi(イビディ))のいずれかに播種した。分化した運動ニューロン上のIFについては、AxCS株をカバースリップ上で直接分化させた。PBS中4%のメタノール不含ホルムアルデヒド(Thermo Scientific)で、室温(RT)で15分間固定した後、細胞を0.2%Triton X-100(Sigma-Aldrich)で10分間透過処理し、続いてPBS/0.05%Triton-X100中の5%ヤギ血清(Sigma-Aldrich)を用いてRTで40分間ブロックした。ブロッキング緩衝液中の一次抗体希釈物(例えば、表3)を添加し、4℃で一晩インキュベートした。翌日、細胞をPBSで3回洗浄し、PBSに希釈した二次抗体と共にRTで1時間インキュベートした。カバースリップを、DAPIを含むProLong Goldマウント試薬を用いてマウントした。画像は、Apotome.2及びZenソフトウェアを備えたZeiss Axio Observer.ZI落射蛍光顕微鏡(Zeiss(ツァイス))を用いて63倍の倍率で得た。
Figure 2023528309000006
骨細胞及び軟骨細胞の染色
分化した細胞をPBSで2回洗浄し、4%ホルムアルデヒドで、室温で30分間固定した。蒸留水で3回洗浄した後、骨細胞を40mMアリザリンレッド溶液(Sigma-Aldrich)で30分間染色した。軟骨細胞は、3%酢酸、pH2.5中の1%アルシアンブルー溶液で、室温で1時間染色した。アルシアンブルーを3%酢酸で1回洗浄し、続いて蒸留水で3回洗浄し、各洗浄を15分間行った。アリザリンレッド洗浄物を蒸留水で洗浄し、各洗浄を15分間行った。Leica ICC50HDカラーカメラを用いて10倍の倍率でウェルの画像を取得した。
RNA配列決定
3μgの全RNAをTURBO DNase(Life Technologies)で処理し、RNeasy Minelute RNAクリーンアップキット(Qiagen)を用いて精製した。RNA品質を、RNA Pico 6000キット(Agilent(アジレント))を用いたAgilent 2100 Bioanalyzerでのマイクロキャピラリー電気泳動を使用して評価し、RIN値>8のRNAのみをさらに処理した。RNA-seqライブラリーごとに、1μgのDNAse処理RNAをRiboZero Gold(Human/Mouse/Rat)キット(Illumina(イルミナ))で処理してrRNAを除去し、その後、RNeasy Minelute RNAクリーンアップキットを用いてRNAクリーンアップを行った。配列決定ライブラリーを、TruSeq Stranded total RNA LTキット(Illumina)を製造業者の指示に従って使用し、11サイクルの濃縮PCRを使用して等量のrRNA枯渇RNAから調製した。ライブラリーの品質は、DNA 1000キット(Agilent)を用いてAgilent 2100 Bioanalyzerを用いて評価した。Qubit dsDNA HS Assay Kit(Life Technologies)を用いてライブラリー濃度を測定した。製造業者の指示に従ってライブラリーの多重化を実施した。CHIR時間経過実験からの多重化ライブラリーを、NextSeq 500(Illumina)を使用して配列決定して、75ntシングルエンドリード(読み取り)を生成した。配列決定の深さ(シークエンシング深度)は、ライブラリーあたり20~40Mioリードであった。樹立されたAxCS株由来のライブラリーをHiSeq2500装置で配列決定して、50bpのシングルエンドリードを生成した。配列決定の深さは、試料あたり12~14Mioリードであった。
RNA配列決定データ分析
CHIR時間経過実験のために、リードを、kallisto(バージョン0.43.0_3)(Brayら、2016)を使用して、ヒトトランスクリプトーム(EnsemblバージョンGRChg38.86)に疑似整列させた。得られた推定転写物レベルの存在量を遺伝子あたりのカウントに集計し、Tximport(バージョン1.10.1)パイプライン(Sonesonら、2015)を使用してエクスポートした。RのDESeq2パッケージ(バージョン1.22.2)(Loveら、2014)を使用して、各刺激時間点における遺伝子発現を未分化親細胞株と比較することによって、差異的遺伝子発現分析を行った。正規化カウントをDESeq2オブジェクトから抽出した。PCAプロットを、rlog変換された生のカウントから構築した。
AxCS株RNA配列決定のために、ゲノムアラインメント及びリードカウント工程を、Galaxyプラットフォーム(Afganら、2018)を使用して行った。簡潔には、リードを、デフォルトパラメーターを用いてTrimmomatic(Bolgerら、2014)を用いてトリミングし、HiSAT2(Kimら、2015)を使用してhg38ヒトゲノムにアラインメントした。リードを、featureCounts(Liaoら、2014)を使用してbamファイルからカウントした。RのDESeq2パッケージ(バージョン1.22.2)を使用して、AxCS株を未分化親細胞株と比較することによって、差異的遺伝子発現分析を達成した。各株から差異的に発現された遺伝子を、「biological process(生物学的プロセス)」カテゴリーからのGOオントロジー項の過剰表現について、topGOパッケージ(Alexa及びRahnenfuhrer、2018)を使用して分析し、正規化された遺伝子カウントに対するフィッシャーの正確確率検定(Fisher’s Exact Test)からp値を報告した。
過剰発現経路の分析は、Genomatixソフトウェアスイート(http://www.genomatix.de)からのGenomatix Pathway System(GePS)ツールを使用して、各時間点からの有意に上方調節された遺伝子及び入力としての刺激を提供することによって実施した。
Enrichrツール(Kuleshovら、2016)及びJENSEN組織発現データベース(https://tissues.jensenlab.org)を使用して、組織及び細胞型の関連性を分析した。選択した細胞型に関連する遺伝子リストを抽出し、それらの正規化された発現値(DESeq2分析から)を使用して、図1Eのヒートマップを構築した。
実施例1:hESCの継代された子孫におけるTBXT及びSOX2の発現の維持
ヒト胚軸様前駆体をインビトロで永続的に捕捉するために、本発明者らはまず、SOX2、TBXT/BRA発現のそれらの特徴に似ている状態を樹立しようとした。SOX2は未分化hESCにおいて既に高度に発現されているので、本発明者らは、初期原始線条においてこの遺伝子を調節するWnt/β-カテニンシグナル伝達(Arnoldら、2000)の活性化によって、最も高い可能性のある内因性TBXT発現を誘導することに焦点を当てた。本発明者らは、この経路のアゴニストとしてCHIR99021を使用して、Wnt/β-カテニンの連続活性化を、外側中胚葉の前駆体を作り出す24時間(h)の一過性活性化(Lianら、2012)と比較した。本発明者らは、連続的な10μM処理が高レベルのTBXTを維持した(例えば、図1A)ことに注目した。連続的なWNT活性化下での分化段階を特徴付けるために、本発明者らは、時系列RNA配列決定を行った(例えば、図1B)。本発明者らは、原始線条において発現される遺伝子(TBXT、MIXL1、GSC、EVX1)並びに神経遺伝子(ZIC1、CDH2、GBX2)及び伸長軸に特徴的な遺伝子(HOX遺伝子クラスターの初期及び中期のメンバー)の48~72時間以内にプラトーになった上方制御の急激な傾向(例えば、図1C~E)に注目した。遺伝子オントロジー分析により、トランスクリプトームと中胚葉、外胚葉及び神経の発生との関連性が、連続CHIR99021処理の72時間時点で確認された(例えば、図1D、E)。これは、体軸前駆体及びそれらの自律的調節が、hESCにおけるGSK-3βの連続的阻害によって形成し始めることを示す。
この軸性遺伝子シグネチャーがWnt/β-カテニンの直接活性化を表すことを確認するために、本発明者らは、テトラサイクリン制御転写活性化の調節下でβ-カテニンの構成的に活性な変異体をhESCのゲノムに組み込んだ。構成的に活性なβ-カテニンは全体的により広い遺伝子コホートの誘導及びより高い発現をもたらすにもかかわらず、この株をドキシサイクリンで継続的に処理すると、軸性中胚葉遺伝子及び軸性神経遺伝子の上方制御の同様の傾向が明らかになり、この経路のより強い誘導が示唆された(例えば、図1D、E)。まとめると、これは、Wnt/β-カテニン経路の連続活性化が、軸様の性状を有する前駆体を生成することを示し、これは、沿軸中胚葉系譜及び末梢神経子孫を包含する発生可能性を有するとするのが妥当である。
本発明者らの次の目標は、継代時に培養物中の軸様細胞の複製を促進する条件を定義することであった。複製及び分化に重要でありうるシグナル伝達カスケードを調査するために、本発明者らは経路分析を行い、これにより、外部から活性化されたWnt/β-カテニン経路に加えて、内因性FGF、TGF-β、及びより少ない程度でBMPシグナル伝達を明らかにした(例えば、図1F)。塩基性FGF(FGF2)は、神経前駆体(Kitchensら、1994)、及び中胚葉の広がり(Wilsonら、2005)の強力なマイトジェンであるため、本発明者らは、FGF2を用いた及び用いないCHIR99021処理による軸様前駆体の複製を促進しようとした。軸性マーカーの誘導が24時間後にピークレベルに達しなかったとしても(例えば、図1C)、本発明者らは、SOX2のレベルが未分化状態と同等であったため(例えば、図1G)、この時間点で細胞の継代を開始した。驚くべきことに、本発明者らは、CHIR99021の存在下で24時間で始まる継代キャンペーンが、多能性状態に排他的なマーカーであるNANOG及びOCT4のそれぞれ軽度及び強力な下方制御に付随して、未分化hESCに匹敵するレベルでSOX2を安定的に発現する子孫を生成することを見出した(例えば、図1H)。驚くべきことに、TBXTはβ-カテニンの直接的な標的であるが、これらの実験では、その持続的発現はFGF2の存在を必要とした(例えば、図1H)。まとめて解釈すると、これらの結果は、hESCにおけるWnt/β-カテニンの永続的な活性化及び24時間で始まる継代が、軸性マーカーTBXT及びSOX2を共発現するが、初期の発生段階に必須である重要な多能性再プログラミング因子NANOG及びOCT4のいずれも発現しない細胞の複製を促進することを示す。驚くべきことに、定常的なWnt/β-カテニン活性化のみは、SOX2のみを維持する細胞の状態を持続した。
実施例2:軸性状態の特徴を有する幹細胞株の誘導
次に、本発明者らは、2つの軸性状態を表す幹細胞様株の誘導を試験した。Wnt/β-カテニン及びFGFシグナル伝達によるSOX2及びTBXT状態の維持、又はWnt/β-カテニン単独によるSOX2状態の維持に従って、本発明者らは、FGF2、並びにTGF-β及びBMPシグナル伝達のリガンド並びに阻害剤の添加を伴う又は伴わない、CHIR99021の濃度範囲をスクリーニングした(例えば、図4)。本発明者らは、24時間のCHIR99021処理及び連続継代後にこれらの条件を適用することにより、数ヶ月の培養にわたって表現型的に安定な株を樹立することができるかどうかを調べた(例えば、図2A)。
出発集団としてhESCを用いた3つの独立した連続継代キャンペーンの結果は、5μM又は7.5μMのCHIR99021での処理が、FGF2の存在下又は不存在下でコンパクトな幹細胞コロニー形態を示す株の誘導を可能にすることを明らかにした(例えば、図2C、F)。さらに、TGF-β阻害剤SB-431542の適用は、よりコンパクトな細胞及びより高密度のコロニーを生成した(例えば、図2C、Fの挿入図)。対照的に、BMP4又はTGF-βの添加は、安定な系譜の逸脱を完全に禁止した(例えば、図4)。最後に、5μMより低いCHIR99021の濃度は細胞株の形成を促進せず、10μM処理は、hESC変換に対して毒性であったが、iPSCに対しては毒性ではなかった(例えば、図2B、図4及び図5)。本発明者らがhESCから誘導した代表的な株は、増殖速度、生存率、又は上皮形態に明白な変化を示さず、少なくとも40回継代され、合計8ヶ月以上の連続培養が行われた(例えば、図2C)。このように、本発明者らは、FGF2を伴う又は伴わないWnt/β-カテニンの永続的な活性化によって自己複製細胞株を誘導することができた。
継代キャンペーンの継続期間中、軸性中胚葉及び神経マーカーの発現をモニターし、これにより集合的に、推定体軸幹細胞株の2つの主要な状態を定義した。FGF2を伴う5μM CHIR99021の処理によって誘導された細胞株は、高レベルのSOX2、TBXT、CDX2、MIXL1、EOMES及び非常に低いレベルのPAX6又はPAX6なしを示した(例えば、図2C~E)。逆に、5μM CHIR99021単独での処理は、PAX6と共に高レベルのSOX2を示すが、T、CDX2、MIXL1又はEOMESを示さない細胞株の形成をもたらした(例えば、図2C~E)。免疫細胞化学の使用により、本発明者らは、SOX2/TBXT/CDX2及びSOX2/PAX6が、それぞれFGF2あり又はなしで樹立された細胞株において共発現されることを確認した(例えば、図2C)。特に、FGF2なしで生成された細胞株におけるTBXTの初期発現を除いて、TGF-βが阻害された場合に非常に類似した表現型を有する細胞株が形成され(例えば、図2D、E)、中間軸性状態細胞株も誘導することができるということが示された。実際、本発明者らが7.5μM CHIR99021による処理によって細胞株を誘導した場合、本発明者らは、中間レベルのTXBT及びPAX6を特徴とする安定な表現型を認めた(例えば、図2F、G)。まとめると、これは、本発明者らがインビトロで再生した体軸幹細胞状態の末端が、TBXT及びPAX6の相互排他的発現によって特徴付けられることを示す。重要なことに、同じ条件下でヒトiPSCに由来する細胞株状態の最初の特徴付けは、同様の表現型を明らかにした。これは、10μM CHIR99021におけるTGF-βの阻害がSOX2/TXBT体軸細胞株の誘導に許容されたにもかかわらず、である(例えば、図6)。最後に、NANOGの下方制御及びOCT4の遮断がすべてのクローンにおいて観察され、これはそれらの発現の線条前の段階への制限と一致している。さらに、本発明者らは、長期の継代にわたるSOX2の増加に注目した(例えば、図2E)。
重要なことに、本発明者らは、SOX2/TXBT体軸細胞株のいくつかがCDX2の異種発現を示し、いくつかのコロニーは一様に陽性であり、他のコロニーは陰性であることに注目した。CDX2陽性及び陰性細胞の特徴をさらに定義するために、本発明者らは、単細胞からクローンを作製した。本発明者らは、このクローンがCDX2陰性であるか、又は混合集団を含有したかのいずれかであること、並びに高いCDX2発現が高いTBXT及びMIXL1発現と相関すること(例えば、図5)に注目した。興味深いことに、1つのクローンがPAX6のみを発現した。まとめて解釈すると、これらの結果は、細胞株によって捕捉された軸性状態の階層における初期段階がSOX2、TBXT、CDX2及びMIXL1の発現を示すが、最後期の段階はSOX2及びPAX6の発現によって特徴付けられることを示す。本発明者らは、これらのそれぞれの状態を、それぞれ基底状態及びプライミング状態と名付けた。注目すべきことに、両方の状態は、基底状態の最後期のHOX遺伝子のいくつかを含んだHOXクラスター由来の遺伝子の広いレパートリーを発現した。
実施例3:体軸幹細胞は階層的であり、末梢ニューロン、硬節及び皮筋板に分化する
推定体軸幹細胞株を特徴付けるために、本発明者らはまず、FGF2処理をするしないで切り替えることによってそれらの階層を分析した。本発明者らは、FGF2の不存在下で、基底様体軸細胞株がTBXT/CDX2を下方制御し、PAX6を上方制御したが、SOX2及びPAX6の発現は、SOX2/PAX6体軸細胞株へのFGF2の添加後に変化しなかったこと(例えば、図3A)に注目した。これは、SOX2/TBXT体軸細胞株がSOX2/PAX6段階の前駆体を表すという前提を実証した。次に、本発明者らは、網羅的トランスクリプトームによって基底の、中間の及びプライミングされた体軸幹細胞状態を分析した。興味深いことに、それぞれ基底状態及びプライミング状態でのT/CDX2及びPAX6の相互排他的発現にもかかわらず、本発明者らは、プライミング状態の上方制御された遺伝子のコホートが、ほぼ完全に(約90%)基底状態に含まれることを見出した(例えば、図3B)。これは、初期軸性状態の調節が、おそらくTBXT/CDX2/MIXL1及び/又はFGFシグナル伝達によって媒介される遺伝子のより大きいコホートの発現を伴うことを示す。さらに、本発明者らは、中間状態が、他の状態と重複しなかった遺伝子の約10%を含むユニークなコホートの上方制御を示すことを見出した。これらの相違にもかかわらず、濃縮された組織カテゴリーの分析は、基底状態、プライミング状態、及び中間状態の発生上の対応が類似しており、ニューロン系及び骨格系に分化する潜在能力を有することを示した(例えば、図3C)。
体軸幹細胞は原始線条の誘導を過ぎた発生段階を表すので、基底細胞株及びプライミング細胞株のニューロン潜在能力にアクセスするために、本発明者らは、デュアルSmad阻害を含む多能性の段階からニューロン分化を誘導するために通常使用されるシグナルの第1のセットをスキップした。注目すべきことに、RA、SHH、BDNF及びGDNFを含む運動ニューロン成熟培地によってこれらの細胞株を直接処理した場合、形態学的形質転換は急速であり、細胞は、基底状態の場合に4日以内に、プライミング状態の場合に2日以内にニューロン細胞形態を発生した。15日以内に、TUJ1陽性ニューロンの精巧なネットワークが容易に明らかになり(例えば、図3D)、運動ニューロン前駆体マーカーOLIG2が高度に発現された(例えば、図3E)。その後、OLIG2は下方制御され、ISL1及びHB9並びにコリンアセチルトランスフェラーゼ(ChAT)及びペリフェリン(PRPH)を含む最終分化(高分化)した運動ニューロンによって発現される転写因子は上方制御された(例えば、図3E)。加えて、感覚ニューロンの共通マーカーであるBRN3A(POU4F1)は、基底体軸細胞株及びプライミングされた体軸細胞株の両方に由来する分化したニューロンにおいて、分析の最後期の時点で上方制御された(例えば、図3E)。全体として、これらのデータは、体軸幹細胞株の状態に依らず、体軸幹細胞株が成熟末梢ニューロンに分化すること、並びに基底状態及びプライミング状態が、それぞれ感覚ニューロン及び運動ニューロンに分化する異なる傾向を有しうることを示す。これは、形成されたニューロンネットワークの異なる形態によって支持された。
同じ前提によれば、多能性状態からの誘導の初期段階をスキップすることは、体軸幹細胞株が硬節系譜に分化することを可能にするはずである。実際、本発明者らは、ソニックヘッジホッグ経路の活性化因子並びに骨細胞及び軟骨細胞の成熟を促進する培地によって基底状態及びプライミング状態の体軸幹細胞を処理したところ、両方の状態に由来する分化細胞がそれぞれの細胞型の決定的特徴を示すことを見出した。これは、骨芽細胞系譜の特定化に必要とされる主要な転写因子であるRUNX2(Komori、2010)、並びに骨細胞に特異的なその標的遺伝子 - オステオカルシン(BGLAP)、オステオポンチン(SPP1)及びコラーゲン1a1(COL1A1) - の上方制御を含んでいた(例えば、図3F)。同様に、本発明者らは、軟骨組織において発現される遺伝子を活性化する転写因子であるNKX3-2(オリゴマー基質タンパク質(COMP)及びアグリカン(ACAN)を含む)を含む軟骨細胞マーカーの上方制御(例えば、図3G)に注目した。注目すべきことに、この上方制御は、基底状態株から分化した細胞についてより強く、軟骨を産生する傾向が基底状態体軸幹細胞株においてより高いことを示す。最後に、アリザリンレッドによるカルシウム沈着物の染色及びアルシアンブルーによる硫酸プロテオグリカンの染色は、骨細胞及び軟骨細胞の分化を確認した(例えば、図3H~I)。それゆえ、本発明者らは、体軸幹細胞の上記2つの状態は、硬節を産生することができるが、分化の傾向は発生段階に応じて異なると結論付ける。
皮筋板分化骨格筋を誘導するために、本発明者らは、最近開発された感覚運動オルガノイドのプロトコル(Pereiraら、2019、CellPress SneakPeek)を適用し、基底及びプライミング状態の体軸細胞株を用いてプロセスを開始した。16日目に、本発明者らは、骨格筋形成を示すPAX3、PAX7及びMYOD1の有意な上方制御を認めた。
最後に、本発明者らは、基底状態及びプライミング状態の体軸幹細胞株を免疫不全マウスに移植し、未分化hESCとは対照的に、移植事例の100%において、本発明者らはいかなる奇形腫形成も検出しなかった。合わせて考慮すると、奇形腫へではなく、末梢ニューロン、硬節及び皮筋板への分化の証拠が、軸様の基底細胞株及びプライミング状態細胞株の、ヒト胚軸領域前駆体との等価物としての分類を支持する。
考察
SOX2は、胚性幹細胞及び神経幹細胞(NSC)の維持において重要な役割を有し(Boyerら、2005;Avilionら、2003;Grahamら、2003;Pevny及びNicolis、2010)、NSB、CLE及びCNHに存在する末梢神経系の分化複能性前駆体、例えば、体軸前駆体において(Henriqueら、2015)、又は神経堤由来感覚ニューロン前駆体において(Cimadamoreら、2011)も発現される。本発明者らは、本実施例で、経路の活性化の24時間後に始まる細胞継代と併せてWnt/β-カテニン経路を絶えず活性化することによって、ヒトESCにおけるようにSOX2の発現を高く保つことができることを示す。これにより、体軸前駆体分化におけるSOX2、PAX6及びTBXTの調節におけるWnt/β-カテニン及びFGFの役割を解くことが可能になった。TBXTは、体軸前駆体を樹立及び維持するために必要であるWnt/β-カテニンとFGFシグナル伝達との間の正のフィードバックループを形成すると考えられている(Garriockら、2015;Goutiら、2014;Kochら、2017;Turnerら、2014;Martin及びKimelman、2010)にもかかわらず、本発明者らの結果は、Wnt/β-カテニン単独で、体軸前駆体におけるSOX2の発現を維持するのに充分であることを示す。代わりに、FGF及びWnt/β-カテニンシグナル伝達はともに、TBXT及びSOX2を共発現する体軸前駆体の状態を樹立及び維持するために必要である。それにもかかわらず、TBXTは、Wnt/β-カテニンの活性化及び継代後に一過性に発現され、FGFは、内因的に産生されることが可能であるようであり(例えば、図1F)、これは、TBXT及びFGFが、すべての形態の体軸前駆体の樹立に一過性に関与することを示す。これは、Wnt/β-カテニン単独によるSOX2、TBXT→SOX2、PAX6軸性状態の一方向変換によって支持される。重要なことに、hPSCがWnt/β-カテニン刺激後に継代されない場合、SOX2は急速に下方制御され、これは体軸前駆体の誘導を完全に妨げる。従って、本発明者らは、Wnt/β-カテニン及び継代が、bFGFの存在下でTBXT及びSOX2の軸性基底状態を、又はWnt/β-カテニンシグナル伝達のみが活性であるときにSOX2及びPAX6を共発現するプライミング状態(例えば、図3K)を促進すると結論付ける。
PAX6は、Sox1が最も初期のマーカーであるマウス神経外胚葉(Zhangら、2010)と並置されるように、ヒト胎児及びヒトPSCの神経外胚葉分化に必須であることが以前に示されている。体軸前駆体分化に基づいて、本発明者らの結果は、PAX6がヒト末梢神経系分化の前駆体における最も初期の神経因子であることを示す。重要なことに、FGF2は、ヒトPSCのニューロンへの分化中にPAX6を抑制することが以前に示されている(Greberら、2011)。さらに、MEK-ERKシグナル伝達は、中胚葉分化及びTBXTの発現に関与している(Yaoら、2003)。これは、FGF2が、プライミング状態へのヒト体軸前駆体分化の阻害において二重の役割を有することを示す(例えば、図3K)。この機構の一部は、SOX2において調節されるエンハンサーを、未分化ESCにおけるN1から、軸性状態におけるWnt/FGF依存性N2エンハンサーに切り替えることを含んでもよい(Takemotoら、2006;Kondoh及びTakemoto、2012)。
初期分化のメカニズム以外に、本発明者らは、初めて、hESC及びiPSC株の両方から、それぞれの段階の体軸前駆体、つまり基底状態及びプライミング状態、に対応する自己複製性幹細胞株を誘導した。これらの幹細胞株は、多数の継代について安定な未分化表現型を示し、本発明者らは、SB-431542によるTGF-β阻害が自発的分化を減少させ、よりコンパクトなコロニーとして株を維持したことに注目した。重要なことに、SB-431542によって処理された基底状態AxSC株の単細胞クローニングは、混合クローン又はCDX2クローンを生成し、これは、根状態において、AxSCがCDX2を発現することを示す。CDX2のクローンパターンは、CDX2を負に調節することが公知である(Youngら、2009;Aminら、2016)後期HOX遺伝子HOXD13の発現における不均質性に起因するという可能性がある。最後に、FGF8がAxSC株の誘導においてFGF2に置き換わる可能性がある(Lippmannら、2015)。まとめて解釈すると、SOX2の発現がFGF2を伴う又は伴わないWnt/β-カテニンの活性化後にTBXTと一致する場合にヒト体軸前駆細胞を継代することによって、ヒト体軸前駆細胞の分化を調節する経路を利用して、基底状態及びプライミング状態のAxSC株を作製することができる。
基底状態及びプライミング状態のAxSC株の分化能の今回の評価は、両方のタイプが、わずか48時間以内に、ニューロンの複雑なネットワークに急速に分化することを示した。それゆえ、AxSCが高レベルの末梢ニューロンマーカー及び運動ニューロンマーカーを発現するために約10日を要したにもかかわらず、神経関与はAxSCについての分化のデフォルト経路を表し、これは、末梢ニューロンの成熟及び多様化がさらなるシグナルを伴いうることを示す。興味深いことに、ニューラルネットワーク(神経回路網)の形態は、基底状態AxSC株とプライミング状態AxSC株とで異なっていた。基底状態AxSCに由来するニューロンにおけるPRPHのより高い発現は、同じくより速く高密度ニューロンネットワークを生じたプライミング状態AxSCと比較して感覚ニューロンを生成するより高い傾向を示している可能性がある。ニューロン分化がAxSCのデフォルト経路であるという考えは、その細胞が、それぞれ、硬節細胞、すなわち軟骨細胞及び骨細胞、並びに皮筋板、すなわち筋線維になるために、15日及び15~30日のプロトコルが必要とされるという事実によって支持される。運動ニューロンへのヒトNMP前駆体の分化について以前に報告された他の研究(Goutiら、2014;Lippmannら、2015;Denhamら、2015;Verrierら、2018)及び初期筋細胞の分化を報告した1つの研究(Goutiら、2014)にもかかわらず、本発明者らの知る限り、AxSCは、硬節、皮筋板及び末梢ニューロンを生じることができる最初で唯一のタイプの分化複能性クローン細胞株を表す。
マウス胚における体軸に沿ったHOX遺伝子の発現の順序付け及び無脊椎動物の体分節における特定のHOX遺伝子の領域的活性化は、同様に哺乳動物におけるHOX遺伝子活性化の決定論的様式を反映すると考えられている。注目すべきことに、本発明者らは、AxSC株によって発現されるHOX遺伝子のレパートリーが非常に広く、基底状態において最後期の後側HOX遺伝子のいくつかを含むことを見出した。これは、最初にAxSCにおけるHOXパラログ遺伝子のすべて又は大部分を並行して活性化し、後に二次シグナルによってそれらの位置的同一性を固定することによって作用する、哺乳動物における体軸に沿ったHOX遺伝子の順序付けの許容モードを示す可能性がある。この説明に沿って、マウス胚由来の一過性NMPにおける後側HOX遺伝子の進行性活性化に注目したGoutiら、及びレチノイン酸がNMPの子孫の位置的同一性を固定することを示したLippmannらによって最近なされた知見がある。基底状態AxSCから単一クローンを作製する能力、及び後期HOX遺伝子を発現しないプライミング状態AxSCへのそれらの分化は、哺乳動物におけるHOX遺伝子パターンの位置精度の根底にある機構を調べるための重要なプラットフォームを提供する。
ヒトAxSC株の生成は、研究及び医学における適用に非常に有利である可能性がある。第一に、そのような株又はそれらの子孫の適用は、細胞不純物のリスクを回避することによって、末梢神経系、骨格筋又は骨格組織における細胞療法の安全性を増加させる可能性がある。これらは、奇形腫腫瘍(Drukker、2012)又は他の組織の分化細胞型及び中間細胞型を形成するリスクを有する残留未分化PSCでありうる。重要なことに、本発明者らは、基底状態又はプライミング状態のAxSCが奇形腫を生じることができるという証拠を発見しなかった。第二に、AxSCの先験的な発生制限は、運動ニューロン等の関心対象の特定のタイプの細胞の誘導を、よりコヒーレント(理路整然としたもの)で、均一かつより速いものにし、その結果、治療用細胞の製造用にあまり費用がかからず、より単純にすることができよう。それゆえ、AxSCは、筋萎縮性側索硬化症(ALS)等の末梢神経系に影響を及ぼす疾患の細胞モデルを作成するため、並びにAxSCの子孫を用いた薬物開発及び毒性試験のための扱いやすいツールとなることもできる。第三に、AxSCは、ヒト末梢神経系及び軸領域で生まれるさらなる細胞型の発達、機能及び進化の調節を理解するためのベンチマークとなることもできよう。これに関して、本発明者らは、誘導された(人工)AxSC(iAxSC)が、誘導された(人工)ニューロン及びiPSCの場合とまったく同様に、本明細書に記載される重要な転写因子の過剰発現によって体細胞から直接誘導されることが可能であろうと予想する。
結び
胚及びESCからのNSCの誘導は、中枢神経系の研究及び治療における新しい時代の開始を告げた。AxSC株の誘導は、ALS及び筋ジストロフィーを含む、感覚及び運動末梢神経系並びに骨格筋に影響を及ぼす疾患及び外傷のための治療を研究及び創出するためのシステムを提供することによって、これらの重要な知見を補完する。
実施例4:軸性状態の特徴を有する幹細胞株の誘導
CHIR+TGFi及びCHIR+FGF2+TGFi処理は、安定な細胞株の誘導を可能にしたので、それゆえ、樹立プロセスの間の最初の継代において上述のマーカー遺伝子の発現傾向をチェックするためにこれらの条件を使用することによって、さらなる誘導を実施した。継代5、9及び26についての以前の結果と同様に、体軸前駆体マーカー(SOX2、TBXT及びCDX2)は、CHIR+FGF2+TGFi(CFS)処理によって最初の継代において高レベルで検出されたが(図8A)、CHIR+TGFi(CS)処理は、徐々に増加したPAX6とは逆に、体軸前駆体マーカーの段階的な減少をもたらした(図8B)。いずれの株も、中胚葉マーカーを発現しなかったか、又は非常に低いレベルで発現した。
体軸幹細胞株を正確に転写的に特徴付けるために、本発明者らは、H9、HUES6及びHMGU1由来の体軸幹細胞の単細胞配列決定を実施した(図9A)。体軸前駆体マーカーは、H9に由来する株を除き、CFS株において異種発現されるものとして検出された(図9B)。CFS_HMGU株では、SOX2の発現はCDX2と重複する。しかしながら、CFS_HUES6株では、CDX2-細胞及びCDX2+細胞の両方がSOX2を発現する。低いTBXT発現の検出は、その発現が配列決定された試料においてqPCRによって検出されるため、技術的限界に関連している可能性がある。いずれのCS株においても、TBXT及びCDX2は発現されず、これは以前の結果を確認し、SOX2はPAX6と重複する。次に、本発明者らは、多能性マーカー、神経中胚葉(体軸前駆体)マーカー及び系譜特異的マーカーの発現を分析し(図9D)、CFS株が実質的に神経中胚葉遺伝子を発現するが、CS株は神経外胚葉遺伝子を発現することを見出した。
RNA配列決定からの結果(図14B)に加えて、本発明者らは、単細胞レベルでHOX遺伝子の発現を分析し、CFS株が前側から後側までHOX遺伝子の広範囲の発現を有するが、CS株はHOX1-4等の前側HOX遺伝子によって区切られること(図9D)に注目した。本発明者らは、すべての株において、軸伸長に重要な鍵となるシグナル伝達経路を調べた(図9E~J)。WNT遺伝子及びWNT受容体遺伝子の発現は細胞株において異なるが、WNTシグナル伝達経路の下流遺伝子であるCTNNB1(Β-カテニン)は、すべての株において高度に発現される(図9E)。CFS株は、主にFGF17及びFGFR1を発現するものとして検出されるが、CS株も、FGF13及びFGFR1の低い発現を有する(図9F)。本発明者らは、TGFb(図9G)及びNOTCH(図9H)シグナル伝達経路のメンバーは、CS株においてより高いことが見出されたNOTCHリガンド(図9H)を除いて、同様の様式ですべての株において活性化されるが、レチノイン酸(図9I)及びBMP(図9J)シグナル伝達は、CFS株にとってより重要である可能性があることに注目した。
次に、本発明者らは、CFS及びCS株の両方のクラスターを分析して(図10、図11)、SOX2、CDX2及びPAX6における不均質性が、体軸幹細胞の系列決定(lineage-committed)細胞への分化の結果であるかどうかを評価した。8つのCSクラスターのうち、SOX2発現が比較的低い(図9、図10B)CS、4(図10A)は、未成熟ニューロンマーカーであるDCXを高度に発現し、神経系譜への分化の指標となり得る。CFSクラスター(図11A)において、本発明者らは、中間中胚葉マーカーのいくつかがわずかに上方制御されるSOX2+CDX2-(CFS、5)として1つのクラスターを見出した。本発明者らは、神経堤マーカーが上方制御されるCFS、9を除いて、SOX2+CDX2+クラスターとSOX2-CDX2-クラスターとの間の系譜特異的マーカーのいかなる明確なパターンも検出しなかった(図11B)。
実施例5:体軸幹細胞は階層的であり、末梢ニューロン、硬節及び皮筋板に分化する
本発明者らは、体軸幹細胞が末梢ニューロンを生成する能力を調査しようとし、それゆえ、本発明者らは、文献に基づいて脊髄発生及び脊髄ニューロン特定化を模倣するためのサイトカイン群を含む培地を用いて(図12A)運動ニューロン分化を実施した。分化の際の細胞形態に基づいて、本発明者らは、体軸幹細胞の2つの状態がCSについては2日及び少なくともCFS細胞については7日と、神経形態を発生させる異なる速度を示すということを認めた(図12B)。本発明者らは、16日目以降のCFS分化における細胞不均質性に注目した。遺伝子発現分析に基づいて、ペリフェリン(末梢ニューロンマーカー)、ISL1及びCHAT(成熟ニューロンマーカー)は、すべての実験において上方調節されたが、OLIG2(運動ニューロン前駆体マーカー)は、いかなるものにおいても検出されなかった(図12C~D)。驚くべきことに、CFS及びCS分化は、それぞれ運動ニューロンマーカー及び感覚ニューロンマーカーであるMNX1及びPOU4F1の発現について異なるパターンを示した。両方の転写因子は、CFS誘導物由来の28日目分化細胞において検出されたが(図12C~E)、CS由来細胞は、14日目でMNX1を発現するが(図12F)、CFS分化物と同様に両方の転写因子の発現を示すCS-1誘導物由来の分化細胞(図12D)を除き、後の時間点(28日目)ではMNX1又はPOU4F1のいずれかを発現する。
本発明者らは、骨格筋分化を誘導することによって体軸幹細胞の皮筋板子孫を調べた。本発明者らは、Choiら、2019のプロトコルを改変し、4つの分化様式を適用して(図13A)効率を比較した。CFS由来細胞を40日目で収集したが(図13B)、CS由来細胞は厳密な神経形態を示し(図13C)、8日目まで安定に維持することができなかった。分化した子孫の分析のために、本発明者らは、文献に公開されたステージ特異的マーカーを使用した。これらのマーカーは、沿軸中胚葉に由来する骨格筋細胞の生成中に発現される。TBXTは初期中胚葉前駆体において発現され、その下方制御に続いて、TBX6及びMSGN1は上方制御されて前体節中胚葉形成を示す。その後、PAX3は皮筋板前駆体の出現を示し、その後MYODが続く。後者は、筋芽細胞前駆体及び筋芽細胞の両方において発現される。PAX7の発現は、筋芽細胞及び衛星様細胞の状態を識別するのに役立つ。PAX7とMYODとの共発現は筋芽細胞に特徴的であるが、PAX7のみは衛星様細胞において発現される。MYOGは、筋細胞の指標として使用されるが、MYH3及びTTNは、成熟/融合筋線維において発現される。CDH15は、筋芽細胞、筋細胞及び成熟筋線維において発現される。遺伝子発現分析(図13D~G)及び免疫染色結果(図13H~J)に基づくと、MYOD及びMYOG転写因子並びに筋肉特異的MyHC及びM-カドヘリン細胞骨格タンパク質の高い上方制御が検出されたので、CFS細胞は、筋芽細胞及び筋細胞様細胞を生成することができる。
本発明者らはさらに、オルガノイドを生成することによってCFS株の骨格筋子孫を分析した。本発明者らは、2D分化の同様のプロトコルを3D培養物に適用し(図14A)、オルガノイドを40日目に分析した(図14B)。MyHC及びACTA1(筋肉特異的アクチン)の免疫染色により、骨格筋子孫が確認された(図14D)。本発明者らは、MNX1、ISL1及びOLIG2の免疫染色によって神経子孫もチェックした。本発明者らはそれらの発現を検出した(図14F)ので、それゆえ、本発明者らは上記オルガノイドを神経筋オルガノイドと命名した。
本発明者らは、最後に、GFP(緑色蛍光タンパク質)タグ付きCFS細胞をHH17ニワトリ胚の脊索-神経管尾端境界に注入することによって、後で皮筋板及び硬節を形成する神経管及び体節へのCFS株の寄与を調べた(図15A)。胚発生をHH23~24期で停止させた(図15B)。GFP染色は、CFS細胞が神経管及び体節に位置することを示した(図15C)。
実施例4~5の考察
SOX2は、多能性幹細胞(Avilionら、2003、Boyerら、2005)だけでなく系譜特異的幹細胞(Grahamら、2003、Favaroら、2009)においても自己複製の主要制御因子(マスターレギュレーター)として公知である。T発現は、初期中胚葉前駆体の顕著な特徴である(Showellら、2004、Tosicら、2019)。これらの2つの重要な転写因子の共発現は、神経中胚葉前駆体(NMP)を特定するために使用されている。NMPは、マウス、ニワトリ及びヒトの胚において特定されている。初期発生の現在の科学的理解により、WNT及びFGFシグナル伝達経路を操作して、インビトロで一過性にNMPを生成することが可能である。これまでのところ、NMPの長期インビトロ維持が実証されている研究はない。一般に記載されるNMP集団(Henriqueら、2015、Wymeerschら、2019)は一過性かつ不等質であり、これは、疾患モデリング又は細胞療法産物の製造のためのこの発生前駆体の使用に課題を提起する。
本発明者らは、本明細書において、Wnt/β-カテニンの活性化及びFGFシグナル伝達の活性化を伴う又は伴わないTGFbシグナル伝達経路の阻害によってhESC又はhiPSCから誘導することができる新規タイプの局所幹細胞、すなわち体軸幹細胞(AxSC)を導入する。FGFシグナル伝達経路の活性化に基づいて、本発明者らは、2つの発生状態を表し、SOX2/T又はSOX2/PAX6の発現によって特定することができた2つのAxSC型を誘導した。本発明者らは、SOX2/T発現細胞をCFSと名付け、SOX2/PAX6発現細胞をCSと名付けた。PAX6発現は、最も初期の特定可能なマーカーの1つとして、神経外胚葉系譜形成の重要な決定因子であることが示されている(Zhangら、2010)。単細胞配列決定分析によって、本発明者らは、神経外胚葉細胞をマークするための重要な転写因子でもあるSOX1に加えて、CS細胞において高いPAX6発現を検出したが(Zhangら、2010)、NMPマーカーの発現は、SOX2を除いて検出されなかった。その結果、本発明者らは、CS細胞の転写プロファイルが神経バイアスを示すと結論付けることができる。さらには、CS細胞の群におけるDCXの発現は、この集団内の自発的分化が未成熟ニューロンとして特定されることが可能であることを示した。他方で、CFS細胞は、SOX2+CDX2-細胞を除いて、いかなる系譜への関与(決定)も示さなかった。CFS細胞のこのサブグループは、中間中胚葉マーカーの明らかな上方制御及び神経中胚葉マーカーの下方制御を示し、このサブグループにおける自発的分化を示した。その結果、本発明者らは、CDX2発現がCFS細胞におけるあまりプライミングされていない状態の維持に必須であると結論付けることができる。特に、CDX2の下方制御は、SOX2発現とは無関係にSALL4の下方制御と同時に起こり、SALL4がAxSCの自己複製において役割を有することができるということをうかがわせる。SALL4がヒト多能性幹細胞の自己複製に必須の遺伝子であることが文献に示されている(Yilmazら、2018)。CFS細胞の大部分はSOX2+CDX2+細胞にクラスター化され、これは、系譜特異的マーカーが検出されなかったので、CFS細胞の非関与状態を表す。これらの結果に基づいて、CFS細胞は、AxSCのより不均質で偏りのない状態を表すと結論付けることができる。それゆえ、本発明者らは、それぞれの転写プロファイルに基づいて、CS細胞をプライミングされたAxSC状態として、CFS細胞をAxSCの基底状態として記述することができる。本発明者らは、神経系譜及び皮筋板系譜に対するAxSCの発生潜在能力を調査した。まず、本発明者らは、AxSCからの運動ニューロン分化を行うことによって神経系譜を調査することに着手した。文献に基づいて、本発明者らは、脊髄発生及び付随する運動ニューロン特定化に関与する経路(Stifani、2014)を調節した。驚くべきことに、神経形態は、CFS細胞よりも速くCS細胞において観察された。形態の急速な変化は、強い神経バイアスがCS細胞に存在するという本発明者らの仮説を支持する。CFS細胞は感覚ニューロンと運動ニューロンとの混合物を生成することができるが、CS細胞は、感覚ニューロンバイアス又は運動ニューロンバイアスのいずれかを有する均質な分化培養物を生成するためのより高い傾向を有するので、分化した培養物における不均質性は、神経子孫に関してCFS細胞のより大きい発生傾向を示していた。加えて、本発明者らは、AxSCがヒト多能性幹細胞よりもはるかに速く成熟ニューロンに分化することができることを実証し、これは、AxSCを細胞療法に基づく治療のためのかなりの進歩として可能にする。CFS細胞の皮筋板子孫を確認するために、本発明者らは、AxSCを骨格筋細胞に分化させることに成功した。本発明者らが行った分化プロトコルとは無関係に、筋芽細胞前駆体又は筋芽細胞の生成に関して明らかな差異はなかったが、筋細胞様形態に基づいて、本発明者らは、cAMP及びビタミンCが筋芽細胞の成熟を促進すると結論付けた。本発明者らが同じ実験条件をCS細胞に適用した場合、CS細胞は明確な神経形態を示し、安定な培養物を生成しなかった。
結論として、本発明者らは、CFS株がインビトロで神経子孫及び皮筋板子孫の両方を生成する能力、並びにインビボでの神経管及び体節へのその潜在的寄与を実証した。本発明者らは、CS細胞が子孫に関して神経系譜に制限され、いかなる皮筋板子孫も生じ得ないことを確認した。これにより、上述の結論に基づいて、AxSCの基底/プライミング状態の仮定されたAxSC階層は、それらの転写状態に基づいてだけでなく、各AxSC集団から得られた子孫にも基づいて証明される。本発明者らのAxSCの発生潜在能力に基づくと、本研究は、インビボNMPを代表する幹細胞集団のインビトロ単離を示す、その種類の最初の研究である。本発明者らは、AxSCが、脊髄性筋萎縮症及び筋萎縮性側索硬化症等の末梢神経系変性疾患の幹細胞補充療法のための潜在能力のある細胞療法産物の開発研究及び製造のための有望なツールとして役立ちうると考える。
実施例6:体軸幹細胞(AxSC)は神経中胚葉前駆体(NMP)ではない
本発明の体軸幹細胞(AxSC)は神経中胚葉前駆体(NMP)ではない。これは、NMPは一過性であり、これはNMPは増殖できないということを意味するが、AxSCは一過性細胞ではなく、増殖することができ無制限に複製されることが可能であるというのが主たる理由である。
しかしながら、本発明のAxSCと公知のNMPとの間の差異にさらに対処するために、本発明者らは、NMPによって発現されないが、AxSCによって発現される「幹細胞性」遺伝子を調べた。自己複製性幹細胞(例えば、胚において見出すことができるもの)は、特定の遺伝子を発現する傾向を有し、それら遺伝子のうちのいくつかは、いわゆる「山中因子」である。それゆえ、遺伝子発現レベルにおけるAxSCとNMPとの間の差異に対処するために、本発明者らは、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹細胞(ESC)、まとめて多能性幹細胞(PSC)に必須である遺伝子を分析した。本発明者らのデータは、山中遺伝子のうち3つ(それらはhPSCに必須である)、すなわちLIN28B(例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB)、MYCN(例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質)及びSOX2(例えば、UniProtKB-P48431又は配列番号21を有する転写因子SOX-2)、がAxSCによって一緒に発現されることを示す。注目すべきことに、LIN28及びMYCは、インビボでのNMPの文脈においては以前に言及されていない。典型的には、山中遺伝子は、LIN28A(例えば、UniProtKB-Q9H9Z2を有するタンパク質lin-28ホモログA)及びc-MYC(例えば、UniProtKB-P01106を有するMyc癌原遺伝子タンパク質)を含むのに対して、本発明者らは、AxSCにおけるLIN28B及びMYCNの発現を見出したが、それらは、LIN28A及びc-MYCと機能的に非常に類似している。従って、この知見は、本発明のAxSCが公知のNMPとは非常に異なるという考えを強く支持する(図16、A~B)。
本発明者らはさらに、本発明者らのRNAseqデータをインビボでマウスNMPと比較することによって、AxSCを独自に定義する遺伝子を調べた。図16から分かるように、本発明者らは、AxSCによって顕著に発現されるが、ヒトES細胞由来のヒトNMP(Verrierら、2018 Development)又は胚由来のマウスNMP(Goutiら、Dev Cell. 2017)によっては発現しない遺伝子を含む遺伝子のパネル、すなわち、MYCN(例えば、UniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質)、LIN28B(例えば、UniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB)、IRX3(例えば、UniProtKB-P78415又は配列番号34を有するIroquoisクラスホメオドメインタンパク質IRX-3)、SOX1(例えば、UniProtKB-O00570又は配列番号35を有する転写因子SOX-1)、ZIC2(例えば、UniProtKB-O95409又は配列番号33を有するジンクフィンガータンパク質ZIC2)、SOX11(例えば、UniProtKB-P35716又は配列番号36を有する転写因子SOX-11)を特定した(図16。基底状態のAxSC(右のCFS)は、主にMYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現し、プライミング状態のAxSC(左のCS)は、主にMYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現する)。
最後に、本発明者らは、本発明のAxSCがiPSCからも生成することができ、従ってヒト胚の破壊の方法を伴わないことを示した。これは、ヒトiPSC株HMGU#1に関する本発明者らの最初のファイリングをさらに確認する。
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Claims (20)

  1. 体軸幹細胞(AxSC)を生成する方法であって、
    a)多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞を提供する工程であって、好ましくは前記生成の前に、前記多能性細胞は、適切な多能性細胞培地中で維持され、さらに好ましくは、前記適切な多能性細胞培地は、前記生成のためにビタミンAを含む又は含まないB27サプリメントを補充したRPMI1640培地で置き換えられる工程と、
    b)前記多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞においてWnt/β-カテニンシグナル伝達経路を活性化する工程であって、好ましくは、前記活性化は、GSK3bタンパク質の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは、前記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは前記CHIR99021阻害剤は約5μM~約10μMの濃度で使用され、さらに最も好ましくは前記CHIR99021阻害剤は約24時間使用される工程と、
    c)工程(b)から誘導される細胞を、継代の間の前記細胞における前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の連続活性化の条件下で継代する工程であって、好ましくは、前記継代は少なくとも約3~9回行われ、さらに好ましくは前記継代は連続継代であり、さらに最も好ましくは前記継代は、工程(b)から誘導される細胞を、新鮮な無血清培地中により低い密度で再播種することを含み、好ましくは、前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の前記連続活性化は、前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の阻害剤を使用することによって行われ、さらに好ましくは、前記阻害剤はCHIR99021であり、さらに最も好ましくは前記CHIR99021阻害剤は少なくとも約5μMの濃度で使用され、工程(c)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2を内因的に発現している工程と
    を含み、
    d)任意選択で、工程(c)からの前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路の前記連続活性化は、線維芽細胞増殖因子2及び/又はTGF-β阻害剤の存在下で行われ、好ましくは、
    d1)工程(c)からの前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達の前記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、線維芽細胞増殖因子2及びTGF-β阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、前記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは、前記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、さらにさらに最も好ましくは前記線維芽細胞増殖因子2は約20~約100ng/mlの濃度で使用され、工程(d1)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2、T-box転写因子T及びホメオボックスタンパク質MIXL1を内因的に発現しているが、ペアードボックスタンパク質Pax-6内因的に発現しておらず、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2をさらに内因的に発現しているか、又は
    d2)工程(c)からの前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達の前記連続活性化は、約5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、前記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは前記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d2)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2及びペアードボックスタンパク質Pax-6を内因的に発現しているが、T-box転写因子T、ホメオボックスタンパク質MIXL1及びホメオボックスタンパク質CDX-2を内因的に発現していないか、又は
    d3)工程(c)からの前記Wnt/β-カテニンシグナル伝達の前記連続活性化は、約7.5μMの濃度のCHIR99021阻害剤を用いて、好ましくはTGF-β阻害剤の存在下で行われ、さらに好ましくは、前記TGF-β阻害剤はSB-431542であり、さらに最も好ましくは前記SB-431542阻害剤は約10μMの濃度で使用され、工程(d3)から誘導される細胞は、転写因子SOX-2、T-box転写因子T、ホメオボックスタンパク質MIXL1及びペアードボックスタンパク質Pax-6を内因的に発現しており、任意選択で、ホメオボックスタンパク質CDX-2をさらに内因的に発現している、体軸幹細胞を生成する方法。
  2. 前記工程(c)及び/又は工程(d)に由来する前記細胞を継代する工程をさらに含む請求項1に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  3. 工程(d)を含み、工程(d1)、(d2)又は(d3)をさらに含む請求項1又は請求項2に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  4. 前記体軸幹細胞が、以下の特徴、
    i)好ましくはUniProtKB-P48431若しくは配列番号21を有する転写因子SOX-2を発現する、
    ii)好ましくはUniProtKB-Q01860若しくは配列番号22を有するOCT4転写因子を実質的に発現しない、
    iii)好ましくはUniProtKB-Q9H9S0若しくは配列番号23を有するホメオボックスタンパク質NANOGを実質的に発現しない、
    iv)多能性ではない、
    v)領域特異的分化複能性幹細胞である、
    vi)多能性幹細胞、胚性幹細胞若しくは人工多能性幹細胞から得ることができる、
    vii)胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない、
    viii)胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型、好ましくは硬節、皮筋板及び末梢ニューロンにのみ分化することができる、
    ix)奇形種を形成することができない、
    x)軸領域、好ましくは運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靱帯及び/若しくは骨格筋の細胞を生じる前駆体の特性を模倣することができる、
    xi)一過性細胞ではない、
    xii)運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨若しくは骨の前駆体に分化することができる、
    xiii)無制限に複製する幹細胞である、
    xiv)クローンとして増殖することができる、
    xv)神経中胚葉前駆体(NMp)ではない、並びに/又は
    xvi)人工神経幹細胞(iNSC)ではない
    のうちの1つ以上を有する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  5. 前記体軸幹細胞が神経中胚葉前駆体(NMp)ではなく、前記体軸幹細胞が、以下のタンパク質、
    i)好ましくはUniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)、
    ii)好ましくはUniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)、
    iii)好ましくはUniProtKB-P78415又は配列番号34を有するIroquoisクラスホメオドメインタンパク質IRX-3(IRX3)、
    iv)好ましくはUniProtKB-O00570又は配列番号35を有する転写因子SOX-1(SOX1)、
    v)好ましくはUniProtKB-O95409又は配列番号33を有するジンクフィンガータンパク質ZIC2(ZIC2)、
    vi)好ましくはUniProtKB-P35716又は配列番号36を有する転写因子SOX-11(SOX11)、
    のうちの1つ以上を発現し、
    vii)好ましくは、前記AxSCは、MYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現する基底状態AxSCであり、
    viii)好ましくは、前記AxSCは、MYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現するであるプライミング状態AxSCである
    請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  6. 前記体軸幹細胞が、
    i)基底体軸幹細胞であって、好ましくは、前記基底体軸幹細胞は無制限に複製する基底体軸幹細胞であり、前記基底体軸幹細胞は、
    a)好ましくはUniProtKB-P48431又は配列番号21を有する転写因子SOX-2、
    b)好ましくはUniProtKB-O15178又は配列番号24を有するT-box転写因子T、
    c)好ましくはUniProtKB-Q99626又は配列番号25を有するホメオボックスタンパク質CDX-2、及び
    d)好ましくはUniProtKB-Q9H2W2又は配列番号26を有するホメオボックスタンパク質MIXL1
    を発現する基底体軸幹細胞に、
    ii)プライミング状態体軸幹細胞であって、好ましくは、前記プライミング状態体軸幹細胞は無制限に複製するプライミング状態体軸幹細胞であり、前記プライミングされた体軸幹細胞は、
    e)好ましくはUniProtKB-P48431又は配列番号21を有する転写因子SOX-2、及び
    f)好ましくはUniProtKB-P26367又は配列番号27を有するペアードボックスタンパク質PAX-6
    を発現するプライミング状態体軸幹細胞に
    無制限に複製及び分化することができる請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  7. 前記体軸幹細胞がヒト体軸幹細胞である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法によって生成される体軸幹細胞。
  9. 単離された体軸幹細胞(AxSC)であって、前記体軸幹細胞は、転写因子SOX-2を発現し、OCT4転写因子を実質的に発現せず、ホメオボックスタンパク質NANOGを実質的に発現せず、前記AxSCは多能性ではなく、前記AxSCは、以下の特徴、
    i)領域特異的分化複能性幹細胞である、
    ii)多能性幹細胞、胚性幹細胞又は人工多能性幹細胞から得ることができる、
    iii)胚のすべての組織の細胞型に分化することができるわけではない、
    iv)胚発生中に中心体軸の領域から出現する細胞型、好ましくは硬節、皮筋板及び末梢ニューロンにのみ分化することができる、
    v)奇形種を形成することができない、
    vi)軸領域、好ましくは運動ニューロン、末梢ニューロン、末梢神経系ニューロン、感覚ニューロン、骨、軟骨、腱、靱帯及び/又は骨格筋の細胞を生じる前駆体の特性を模倣することができる、
    vii)一過性細胞ではない、
    viii)運動ニューロン、末梢ニューロン、筋肉、軟骨又は骨の前駆体に分化することができる、
    ix)無制限に複製する幹細胞である、
    x)クローンとして増殖することができる、
    xi)神経中胚葉前駆体(NMp)ではない、
    xii)人工神経幹細胞(iNSC)ではない
    のうちの1つ以上さらに有する体軸幹細胞。
  10. 前記体軸幹細胞が神経中胚葉前駆体(NMp)ではなく、前記体軸幹細胞が、以下のタンパク質、
    i)好ましくはUniProtKB-P04198又は配列番号32を有するN-myc癌原遺伝子タンパク質(MYCN)、
    ii)好ましくはUniProtKB-Q6ZN17又は配列番号31を有するタンパク質lin-28ホモログB(LIN28B)、
    iii)好ましくはUniProtKB-P78415又は配列番号34を有するIroquoisクラスホメオドメインタンパク質IRX-3(IRX3)、
    iv)好ましくはUniProtKB-O00570又は配列番号35を有する転写因子SOX-1(SOX1)、
    v)好ましくはUniProtKB-O95409又は配列番号33を有するジンクフィンガータンパク質ZIC2(ZIC2)、
    vi)好ましくはUniProtKB-P35716又は配列番号36を有する転写因子SOX-11(SOX11)
    のうちの1つ以上を発現し、
    vii)好ましくは、前記AxSCは、MYCN、LIN28B、ZIC2及びSOX11を発現する基底状態AxSCであり、
    viii)好ましくは、前記AxSCは、MYCN、LIN28B、IRX3、SOX1、ZIC2及びSOX11を発現するプライミング状態AxSCである
    請求項9に記載の体軸幹細胞。
  11. 前記体軸幹細胞が、自身を無制限に複製することができ、
    i)基底体軸幹細胞であって、前記基底体軸幹細胞は、
    a)好ましくはUniProtKB-P48431又は配列番号21を有する転写因子SOX-2、
    b)好ましくはUniProtKB-O15178又は配列番号24を有するT-box転写因子T、
    c)好ましくはUniProtKB-Q99626又は配列番号25を有するホメオボックスタンパク質CDX-2、及び
    d)好ましくはUniProtKB-Q9H2W2又は配列番号26を有するホメオボックスタンパク質MIXL1
    を発現する基底体軸幹細胞に、
    ii)プライミング状態体軸幹細胞であって、前記プライミングされた体軸幹細胞は、
    e)好ましくはUniProtKB-P48431又は配列番号21を有する転写因子SOX-2、及び
    f)好ましくはUniProtKB-P26367又は配列番号27を有するペアードボックスタンパク質PAX-6
    を発現するプライミング状態体軸幹細胞に
    分化することができる請求項9又は請求項10に記載の体軸幹細胞。
  12. 前記体軸幹細胞がヒト体軸幹細胞である請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の体軸幹細胞。
  13. 前記体軸幹細胞が、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の体軸幹細胞である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を生成する方法。
  14. 請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の体軸幹細胞を含む組成物、調製物又はキット。
  15. 前記組成物、調製物又はキットが、医薬及び/又は診断用の組成物、調製物又はキットである請求項14に記載の組成物、調製物又はキット。
  16. 医薬として使用するための、請求項8から請求項12及び請求項14から請求項15のいずれか1項に記載の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキット。
  17. i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
    ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法、
    iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
    iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法、
    v)疾患、好ましくは末梢神経系の疾患、又は体軸幹細胞に関連する疾患、好ましくは筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連の疾患に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて候補化合物をスクリーニングする方法、
    vi)体軸幹細胞に関連する疾患、好ましくは筋肉関連、運動ニューロン関連、末梢ニューロン関連、感覚ニューロン関連、軟骨関連、腱関連の疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
    vii)インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である(i)~(vi)のいずれか
    のうちの1つ以上において使用するための請求項8から請求項12及び請求項14から請求項16のいずれか1項に記載の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキット。
  18. 必要とする試料又は対象の状態を改善する方法であって、前記方法は、以下の、
    i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
    ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断の方法、
    iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断の方法、
    iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療の方法、
    v)疾患、好ましくは末梢神経系の疾患に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて、候補化合物をスクリーニングする方法
    のうちの1つ以上であり、
    前記方法は、
    a)請求項8から請求項12及び請求項14から請求項17のいずれか1項に記載の体軸幹細胞、組成物、調製物又はキットを前記試料又は対象に提供する工程と、
    b)治療有効量の前記体軸幹細胞、組成物、調製物又はキットを前記試料又は対象に投与する工程と
    を含む方法。
  19. 前記方法が、インビトロ、エキソビボ又はインビボでの方法である請求項18に記載の方法。
  20. i)神経変性疾患の治療、低減、予防及び/又は診断、
    ii)骨及び/若しくは軟骨の障害の治療、低減、予防並びに/又は診断、
    iii)筋障害の治療、低減、予防及び/又は診断、
    iv)細胞、組織、器官及び/又は身体の再生治療、
    v)疾患、好ましくは末梢神経系の疾患に対する活性について、及び/又は神経毒性スクリーニングについて、候補化合物をスクリーニングすること、
    vi)インビトロ、エキソビボ又はインビボでの使用である(i)~(v)のいずれか、
    のうちの1つ以上のための、請求項8から請求項12及び請求項14から請求項17のいずれか1項に記載の体軸幹細胞、組成物、調製物及び/又はキットの使用。
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