2014年03月12日

◆ STAP細胞の原理 3

 STAP細胞の原理について、新たな仮説を提出する。「損傷した細胞が集合することで初期化する」という仮説だ。(損傷集合説) ──

 STAP細胞の原理については、これまで何度か述べた。ざっと整理してみよう。

 (1) 初期化の原理は、DNA がほぐれることだ。( → STAP 細胞の原理は?
 (2) 細胞分裂した娘細胞において、DNA がほぐれたあとで、固まるまでの過程が不十分になると、機能の特定化が失われる。つまり、多能性をもつようになる。( → STAP細胞と細胞分裂 (原理・再現性)
 (3) 細胞に多能性があるというのは、細胞が新しい機能を獲得したことではなく、細胞が単能性を喪失したことである。( → STAP細胞の再現性が低いわけ
  STAP細胞とは、「新たな機能を獲得した細胞」ではなくて、「単能性を失った細胞」であり、「壊れかけた細胞」である。( → STAP細胞は修正された

 以上のように原理を推察したあとで、その原理をもたらす条件を考えた。
 (i) STAP細胞ができる条件は? たぶん、温度管理だろう。( → STAP細胞の再現性
 (ii) STAP細胞ができる条件は? たぶん、圧力だろう。( → STAP細胞は真実らしい


 ここまでが、すでに述べた話だ。

 ──

 一方、前項では専門家から、次の指摘が来た。圧力よりも別の理由の方がたしからしい、という指摘。
 それでは、パスツール細管を通過させる効果は何でしょうか。論文でも記しているように、trituration でしょう。和訳すれば「粉砕」ですが、「細胞部位の外科的切除」ということでしょうか、多分。分裂する細胞は、通常、細胞分裂後にすみやかに分裂前と同等の細胞に復帰しようとします。この復帰反応の多くは細胞質で進行しているはずです。trituration は、この反応部位を破り取ってしまう操作です。細管通過により剪断力で引きちぎられるようなイメージです。乱暴な操作ですが、細胞の一部を瞬時に切離するには効果的です。細管はパスツールを引き延ばして作製しており、確か内径50ミクロン位だったと思います。このサイズなら細胞数個が十分通過できる太さですが、ある程度の長さの狭い空間を素早く通過させれば、細胞をちぎるだけの剪断力を及ぼすことは十分できるのではないでしょうか。この「細胞手術」によって、元の細胞に復帰できなくなった細胞は、自死もできず(自死装置も破棄されて)、死にきれない/虫の息状態と言えるのかもしれません。強いて言えば、それがSTAPのきっかけなのではないでしょうか。
( → 前項(読者コメント)

 これはごもっとも。そもそも、先に示した画像を参照。
  → 山梨大学のページ

 この画像では、STAP細胞は(血球らしい)球形ではなくて、崩れた形をしている。そのことが不思議だ、と論じた。
  → STAP細胞からキメラマウスを作る方法 [ 付記2 ]

 しかしながら、上記のコメントのような方法で細胞が損傷を受けたとすれば、細胞が球形でなくなる理由もわかる。

 なお、このような損傷については、論文でも指摘されている。
 A remaining question is whether cellular reprogramming is initiated specifically by the low-pH treatment or also by some other types of sublethal stress such as physical damage, plasma membrane perforation, osmotic pressure shock, growth-factor deprivation, heat shock or high Ca2+ exposure. At least some of these stressors, particularly physical damage by rigorous trituration and membrane perforation by streptolysin O, induced the generation of Oct4-GFP+ cells from CD45+ cells (Extended Data Fig. 9a ; see Methods). These findings raise the possibility that certain common regulatory modules, lying downstream of these distantly related sublethal stresses, act as a key for releasing somatic cells from the tightly locked epigenetic state of differentiation, leading to a global change in epigenetic regulation. In other words, unknown cellula

 《 機械翻訳 》

 残りの問題は、細胞の再プログラミングは、低pH処理によって、またはそのような物理的損傷、原形質膜の穿孔、浸透圧ショック、増殖因子欠乏、熱ショックまたは高のCa 2 +のような亜致死ストレスのいくつかの他の型によって特異的に開始されるかどうかである暴露。 CD45 +細胞からのOct4-GFP +細胞の生成を誘導したOはストレプトによる厳格なチュレーションと膜穿孔によるこれらのストレス要因のうちの少なくともいくつかは、特に物理的な損傷、( 。拡張データ図9(a)は 、メソッドも参照)。 これらの知見は、これらの遠縁の亜致死的ストレスの下流に位置する特定の共通の規制のモジュールは、エピジェネティック制御における地球変動につながる分化のしっかりとロックされたエピジェネティックな状態から体細胞を解除するためのキーとして機能している可能性を提起する。 換言すれば、未知の細胞機能は、致死量以下の刺激により活性化、ナイーブ細胞状態を回復するために、現在のコミットメントを含まない体細胞を設定してもよい。
( → Nature論文 HTML

 ──

 以上の話を読んだあとで、私は次のアイデアを思い浮かべた。
 「外形部分を損傷した細胞は、いわば剥き出しのようなものであり、生存しにくい。しかしながら、そういう細胞が集団化すれば、内側にある細胞は、外側にある細胞に守られる。外側にある細胞は短期間で死滅するだろうが、内側にある細胞は死滅しないで徐々に再生していく。このとき、死にかけた細胞は生まれ変わる」


 これはちょうど、不老不死のベニクラゲに似ている。
  → 不老不死のベニクラゲ
  → ベニクラゲの生活史

 ベニクラゲの一部は、老化したあとで、いったん肉団子状になってから、新たに若い個体となって生まれ変わる。有性生殖で誕生するのではなく、無性生殖の形で分裂するのでもなく、自分自身の遺伝子で肉団子状のものから新たな個体が誕生する。このとき、同じ遺伝子を使いながら、生まれ変わるのだ。(この場合、同じ遺伝子を使うが、同じ個体ではないから、「不老不死」という概念は不適切だろう。「自己クローン型再生」とでも言うべきものだ。)

 STAP細胞も同じような状況にある、と私は推定する。つまり、同じ遺伝子と同じ細胞を使いながら、新たな細胞として生まれ変わるのだ。そこでは、細胞はいったん「死」と同様の状況に陥りながら、その細胞とは別の細胞の形で生まれ変わる。……ただし、同じ細胞を使っているので、「死んだ細胞」と「生まれ変わってできた細胞」とが別々のものであることに気がつかないのだ。
 そして、こういうことが起こるのは、細胞が集団状になっているときに限られる。(前述の通り。)
 仮に細胞が集団状になっていなければ、死にかけた細胞はどんどん衰弱して死んでしまうだけだ。

 以上を、新たな仮説とする。これを「損傷集合説」と称する。

( ※ このとき DNA はどうなるか? たぶんこのとき、DNA はほぐれて、新たに再構成されるのだろう。それはちょうどベニクラゲの場合と同様だ。自己クローンに近い。)



 [ 付記1 ]
 「集団で存在することが大切だ」
 という点については、次のことが理由となる。(前出の再掲)
 キメラマウスを作るには、マウスの胚に候補の細胞を注入して育てる。ES細胞などでは、細胞の塊を酵素処理し、ばらばらにして使うのが普通だが、その手法では STAP細胞はさっぱり胎児にならない。失敗続きだった。
 共同研究を始めて1年半たったころ、手法を変えた。細胞の大きな塊を単細胞にばらさず、20〜30個程度の小さな塊にして注入する方法だ。刃渡り1ミリの極小メスを顕微鏡で見ながら操作して切り分ける。細胞工学初期の60年代の技術だが、切り分けるのも注入も難しい。僕はその技を身につけていたからできた。
 すると、いきなり成功。体に取り込まれた STAP細胞が緑色に光るマウスの胎児を見ても、すぐには信じられなかった。
( → 朝日新聞 2014年2月6日

 [ 付記2 ]
 本項の仮説によれば、原理について、重大な変更が生じる。
 「 STAP細胞が多能性をもつのは、多くの細胞を集団で胚に移植した後である。それより前では、Oct4 発光はあっても、まだ多能性をもたない。(多能性マーカーは発現しても、実際には多能性を発揮していない。)」

 ついでだが、特許についても、重大な変更を必要とする。
 「集団で移植することにより」
 という一文が必須だからだ。これを含んでいない特許は、実質的に無効となる。(本項の仮説が正しければ。)
 
 [ 付記3 ]
 本項の仮説が正しいかどうかは、このあとさらにいろいろと研究を進める必要がある。現状のように「論文の撤回」なんてことを騒いでいる限りは、研究はまったく進まない。
 


 【 追記 】
 DNA がどういうふうにほぐれるか……という点については、エピジェネティックスの概念が参考になる。朝日新聞の解説から引用しよう。
 ヒトの体には、DNAの塩基配列は同じなのに、皮膚や神経など異なる細胞がある。DNA上の遺伝子約2万個のうち、働いている遺伝子の組み合わせが細胞ごとに異なるからだ。DNAはヒストンというたんぱく質に巻き付いている。DNAとヒストンがしっかり結びついて密集していると遺伝子は働かず、その構造がゆるむと働く。アリス教授は、酵素の働きで、ヒストンにアセチル基という分子が着脱する「化学修飾」によって、DNAとヒストンの構造が変わり、遺伝子の働きが調節される「エピジェネティクス」のしくみを見つけた。
( → 朝日新聞 2014年3月13日

 下記の画像を参照。
   → エピジェネティクスの画像
 



 【 参考 】
 次の読者コメントが寄せられた。
 研和から面白い現象が幾例か出たようですが、

1)DNAがほぐれることと、pHとは深い関係があるだろうと考えています。ヒストンは塩基性タンパクですし、精子の頭部内ではDNAはスペルミン、スペルミジンなどのポリアミンと共に存在します。好酸好熱古細菌もボリアミンを持っており、中には第四級アンモニウムイオンまで作る種もいます。
2)温度はDNAのほぐれ具合ではなく、細胞膜の硬さを規定するうえで決定的な要素になると考えています。細胞骨格をSEMやAFMなどで見る際に細胞膜を界面活性剤で洗い落とすという手法があるのですが、細胞膜を洗い落として細胞骨格の形状まで壊さないようにするためには、それこそ自分でも気づかないような微妙なさじ加減が必要でした(私の学部の卒研での感想)。
3)細胞死の過程や修復の過程で何が起きているのか

という地味な研究成果を今後待ちたいと思います。

Posted by Jackopoid at 2014年04月11日 04:56
posted by 管理人 at 20:08| Comment(14) |  STAP細胞 | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
管理人さん

一言言わせていただきます。管理人さんの仮説は面白い仮説であるのは認めますが、どうも「刺激により初期化する、リプログラミングする」というのを前提としているようで、すごい疑問を感じます。現状で、細胞が「初期化する」するかどうかについて何か肯定的な証拠があるんでしょうか?若山さんだってテラトーマの画像だけでなく、TCRの結果を見て、「信じ続けるのが難しくなった」と言っているわけです。

私のmuse細胞が選別・増殖されたっていう仮説は無視ですか。違うと思っているのであれば是非とも反論してほしいです。パスツールの部分だって、muse細胞を複合組織化から選別する効果とみなせなくもないでしょう。以前の項にはSTAP細胞はmuse細胞かっていう議論の項があったのに、なぜ簡単にその可能性を捨ててしまうのですか。

あと本題の仮説ですが、外形損傷する前の細胞が2次細胞であったら、普通にTCR再構築が起こるべきではないでしょうか?
また、細胞が外的刺激で壊れかけて単能性を失うということですが、その場合がDNAが、元の状態にもどれないほどの損傷を受けているということになります。細管を通すせん断力で細胞が外科的に損傷する可能性はありえそうな気がしますが、DNAがそこまで損傷するのでしょうか?
一方で、今回行われた酸処理のような化学処理を行えばDNAがかなりの損傷を受ける可能性はあるように思えます。損傷を受けた細胞が、再生する際に万能性を獲得するということのようですが、その時に一番気になるのは、再生前の遺伝情報(損傷を受けていない部分)が残ってしまうんではないかと思います。果たしてそのような細胞を注入して作ったマウスは正常に育つのでしょうか?(奇形種みたいなのが得られるのでは?)それが一番の疑問です。
一応、論文では正常なマウスが得られ,奇形種みたいなのは得られないというような記述があったように思えます。


また、「付記3」の研究を続けることに関してですが、こういった研究を続けるのは恐ろしく金がかかります。価値のある研究にお金を使うのは良いですが、STAP細胞が単なる捏造や誤認であったり、muse細胞であったならそこに金をどんどんつぎ込んで研究を継続させるのは果たしてよいのでしょうか。私は、一旦論文を撤回し、騒動を収めた後、当事者から事情を聴いて、実験や真偽を確かめるのが先だと思います。その後、研究を継続する価値があるかどうかを議論すればよいのです。当事者が一番真実に近い情報を持っているわけですから、事情を聴いた時点でおおよその答えが出てしまうかもしれませんし。
Posted by 通りすがりの化学者 at 2014年03月12日 22:00
> DNAがそこまで損傷するのでしょうか?

 DNAは損傷しないでしょう。論文に寄れば、エピジェネティック的な機構が推定されています。何らかの機構がありそうです。

> こういった研究を続けるのは恐ろしく金がかかります。

 キメラマウスの存在を確認するぐらいなら、たいして金はかかりません。

> 私のmuse細胞が選別・増殖されたっていう仮説

 どちらも仮説なんだから、実験で決めるしかないでしょう。だからこそ私は「実験しろ」と言っている。なのに、そのあなたが「実験反対」だったら、自己矛盾でしょ。
Posted by 管理人 at 2014年03月12日 22:13
>DNAは損傷しないでしょう。論文に寄れば、エピジェネティック的な機構が推定されています。何らかの機構がありそうです。

DNAが損傷してないとすると、再生する時に元の細胞に戻るものが圧倒的に多いんではないでしょうか。すると、どんなキメラマウスができるんでしょうか? そうでないとすると、元の細胞に戻らない理由を考察してみたくなりますね。

>そのあなたが「実験反対」だったら、自己矛盾でしょ。

私は実験反対なのではなく、当事者と調査委員会の間で研究を継続する価値があるかを議論するのが「先」だと言っているのです。
議論の結果継続する価値があると判断されるのであれば、実験すればいいのです。
ただ、まだ捏造や誤認の可能性も消えていないので、それを確認するのが先でしょう。
論文撤回=実験継続の破棄ではないでしょう。実際、若山さんは論文撤回した上で実験継続して再投稿を目指しているようですし。
Posted by 通すがりの化学者 at 2014年03月12日 23:02
> 再生する時に元の細胞に戻る

 元の細胞が壊れてしまっていたら、戻れないでしょう。
Posted by 管理人 at 2014年03月12日 23:20
>元の細胞が壊れてしまっていたら、戻れないでしょう。

DNAが損傷していないなら、新しくできた細胞に元のDNAが存在するよね。同じDNAは持つけど、違う機能を持つ細胞ですか。すごいね。
Posted by 通りすがりの化学者 at 2014年03月12日 23:27
戻るの意味が食い違っているみたいですね。私は状態のことなんだけど、そちらは場所のことを言っているの? 場所は何も変わりませんよ。DNAは核から出て行くことはありません。

 図で示そうかと思ったけど、図は、最初から最後までずっと同じです。単に細胞がたくさんあるだけの図です。変化はありません。しいて言えば、外側の細胞から死滅していくだけです。DNAの場所も終始同じです。ただ、ほぐれて、再構成される。
 あと、遺伝子は再構成されるけど、細胞そのものが新たに誕生するわけではありません。細胞は修復されるだけです。
 いわば、自動車が故障してから修復されるだけです。バラバラに分解されてから新たに1台の自動車が組み立てられる、ということではありません。ただしエンジンだけは、バラバラにされてから再組み立てされます。これが初期化です。自動車の全体は、バラバラにはされません。
Posted by 管理人 at 2014年03月12日 23:39
私は場所の事を言っているのではなくて、
「同じ細胞」=「同じDNAを持つ」は同値だと言っているまで。DNAは損傷しないのに新しい細胞ができるのは変だと思ったから突っ込んだまで。

>DNAの場所も終止同じです。ただ、ほぐれて、再構成される。

なぜ、ほぐれて再構築するんですか?
また、何によってDNAがほぐれるのですか?

そもそも管理人さんは、以前は刺激の意味を「DNAをほぐす」目的と解釈していたはず。(圧力説など)
それが今では、「刺激」は「細胞を外的に壊す」目的と解釈しているという違いがある。

外傷を治すだけなら DNAが損傷を受けていないわけだから、DNAをわざわざ再構築するのではなく、そのDNAを複製して、同じ細胞を作るのが一番簡単でしょう。
Posted by 通りすがりの化学者 at 2014年03月13日 00:06
私が、小保方さんをすごい人と感じた原点は次の記事を読んだからでした。

「細いガラス管に通して小さい細胞を選別する実験をしていた。

 内径0.03〜0.05ミリのガラス管を通すと、確かに幹細胞のような細胞が出てきた。ところが、ガラス管を通す前の細胞の中には、幹細胞はまったく見つからなかった。

 ふつうなら、あるはずなのに見つけられないだけ、と考える。だが、小保方さんは違った。幹細胞が「より分けられている」のではなく、細いガラス管の中に押し込められるという刺激によって、幹細胞のような細胞が「作られている」のではないか」http://apital.asahi.com/article/story/2014013000017.html

まさに、STAP細胞の原点・出発点は此処にあると思います。
パスツール細管の扱い方は手技の要素が大きく再現性を損なってしまうポイントにもなっていると思います。

管理人さんの「集団で存在することが大切だ」←さすがです。私は、剥き出しの細胞では生きてられないだろうからと考えて細胞膜を壊してるという考えを捨ててましたから。
Posted by ムギ at 2014年03月13日 05:23
そもそも、万能細胞のスタンダードは受精卵である。
受精卵になる前の親遺伝子は万能細胞ではない。
ならば、受精卵になった時点でどの様なメカニズムで万能化するのか?
単細胞の時は万能化もへったくれもない。
多細胞になった時点で身につけたメカニズムである。
DNAの再構築と万能化は関係有ることは直感で分かる。でもメカニズムは何なのか?
そのヒントはSTAP細胞にあるのか?
Posted by 大太郎 at 2014年03月13日 08:23
0.05ミリ=50ミクロン
50ミクロン=ヒトの髪の毛の太さ=マウスの赤血球の10倍
細胞壊れるか?
Posted by もうよいのでは… at 2014年03月13日 18:12
0.05ミリは50ミクロンであり、50ミクロンならヒトの髪の毛の太さほどもあり、マウスの赤血球の10倍もあり、決して極細でない。

細胞こわれますか?
Posted by マイクロピペット at 2014年03月13日 18:23
武田邦彦さんが以下のように擁護してますよ

http://d.hatena.ne.jp/benitomoro33/20140313
Posted by セントラルドグマ at 2014年03月14日 01:36
武田邦彦はアホ
そんな言い訳が通るなら全ての研究者が画像を加工し出して、何が真実なのかわからなくなるぞ。

論文にも最低限のルールは存在する。
そのルールを守らなかった時点で撤回されても文句は言えない。自業自得。
Posted by 通りすがりの化学者 at 2014年03月14日 02:30
最後に読者コメント( by Jackopoid )を転載しました。
Posted by 管理人 at 2014年04月11日 06:41
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