遺伝子編集された脳オルガノイドが自閉症の謎を解き明かす

2022年2月21日午前7時

ハーバード大学の研究者らは、実験室で培養されたオルガノイドと呼ばれるニューロンの塊を使用し、自閉症に関連する3つの遺伝子が脳の発達のタイミングにどのように影響するかを明らかにした。

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自閉スペクトラム症（ASD）は、世界中で数千万人の行動、社会性の発達、コミュニケーションに影響を与える複雑な疾患であり、その原因は数百もの遺伝子に及んでいることが知られています。しかし、これらの遺伝子がASDにどのような影響を与え、どのように関連しているかを正確に解明することは、非常に困難でした。「発達中の人間の脳を実際に研究できる人はいません」と、ハーバード大学の幹細胞・再生生物学教授であるパオラ・アロッタ氏は言います。しかし、研究室で脳細胞の塊を培養するという新たなアプローチが、今、有望な結果をもたらしています。

アーロッタ氏とハーバード大学、そしてハーバード大学とMITのブロード研究所の同僚たちは、幹細胞から培養された脳組織の三次元的な塊であるオルガノイド（通常はわずか数ミリメートルの大きさ）を用いて研究を行ってきた。オルガノイドを成長させると、様々な種類の脳細胞が発達し始め、人間の脳の構造を部分的に模倣した原始的なネットワークを形成し始める。ただし、その構造は必ずしも人間の脳の全体ではない。

自閉症スペクトラム障害（ASD）患者から提供された幹細胞から培養されたオルガノイドは、過去にもこの疾患の研究に用いられてきました。しかし、アルロッタ氏と彼女のチームは、最近Nature誌に掲載された論文で述べているように、さらに一歩進んだ研究を行いました。彼らは、自閉症に関連すると考えられる3つの遺伝子のうち1つに変異を持たせた、遺伝子改変されたヒト大脳皮質オルガノイドを作製しました。

目的は、これらのDNAの違いが、自閉症の特徴である脳の構造と行動の変化にどのように寄与するのかを正確に解明することだった。アルロッタ氏と共同研究者たちはCHD8と呼ばれる遺伝子から研究を始め、予想よりも早く違いが見られた。「フラスコを外側から見るだけで、『変異』したオルガノイドの方が大きいことがはっきりと分かりました」とアルロッタ氏は言う。これは、自閉症スペクトラム障害（ASD）の患者の一部が大頭症（脳の容積が大きい状態）を呈するという、これまでの研究結果と一致する。

オルガノイドを培養した後、分析の第一段階では、オルガノイド内で培養されたニューロンのRNAを配列決定し、同じ幹細胞から培養された非改変オルガノイドの細胞のRNAと比較しました。（RNAはDNAからの指示を、その指示を実行する細胞の各部位に伝えるメッセンジャー分子です。）RNAの配列決定とオルガノイドによって形成されるタンパク質の種類に関する情報を組み合わせることで、研究者たちは、どのような種類の脳細胞が発達し、それらの細胞がどの程度成熟しているかを判断することができました。

すぐに、アルロッタ氏と同僚たちは何かが違うことに気づいた。改変されたオルガノイドの細胞発達のタイミングは、「正常」な遺伝子を持つオルガノイドと比べてずれているようだったのだ。「最初の遺伝子を解析した時、私たちはひらめきを得ました。細胞の他の部分と比べて、発達が早すぎるか遅すぎるか、間違ったタイミングで発達しているニューロン集団が2つあることを発見したのです」とアルロッタ氏は言う。

こうした細胞の混合（ある細胞は本来よりも成熟していたり、成熟していなかったりする）は、後に細胞がネットワークを「繋ぎ合わせ」ようとする際に、脳の発達に大きな違いをもたらす可能性があります。「ニューロンが成熟しすぎると問題になるのは、ニューロン同士の足並みが揃わなくなることです」と、ケンブリッジ大学で幹細胞を用いて自閉症と脳の発達を研究している研究員ディープ・アディヤ氏は説明します。「ニューロンの発達が足並みを揃えなければ、脳の発達も異なってきます。」

これは、自閉症の人々に見られる認知機能の違いに関する一つの理論です。「ボトムアップの感覚とトップダウンの調節のバランスが変化している可能性を示唆する兆候があります」と、バンガロールのCom DEALL Trustとノッティンガム・トレント大学で自閉症の神経生理学と行動を研究しているマシュー・ベルモンテ氏は述べています。言い換えれば、自閉症の人の中には、入ってくる情報を選別することが難しい人がいる可能性があり、これはアルロッタ氏がオルガノイドで観察したような脳構造の根本的な違いによって引き起こされている可能性があります。

CHD8の研究に続いて、アルロッタ氏とチームはさらに2種類のオルガノイドを培養しました。今回は、この疾患と関連付けられていた別の2つの遺伝子、ARID1BとSUV420H1に焦点を当てました。これらの遺伝子はそれぞれ異なる働きをしますが、アルロッタ氏が「収束的」と呼ぶ脳の発達への影響がありました。CHD8と同様に、これらの遺伝子の変異もオルガノイドにおける細胞発達のタイミングを変え、興奮性ニューロンと抑制性ニューロンのバランスに影響を与えました。「最終的に疾患を引き起こす多くの遺伝子は、それぞれ異なる方法で作用する可能性があります。収束するのは、利用する遺伝子ではなく、影響を与える経路です」と彼女は言います。

さらに事態を複雑にしたのは、アルロッタ氏と彼女のチームが遺伝的背景を変えたとき、つまり異なるドナーから採取した幹細胞に同じ遺伝子変異を導入したとき、脳の発達に異なる影響が生じたことだ。「強さは背景によって変化するのです」と彼女は言う。「重要なのはゲノム全体なのです。」

自閉症は、多様かつ重なり合う特性のスペクトラムであり、今回の研究は、その遺伝的要因もスペクトラムである可能性を裏付けるものである。つまり、異なる遺伝子が様々な形で重なり合い、個人の遺伝子プロファイルの他の部分と相互作用することで、様々な程度や種類の変化を引き起こすのである。広範な遺伝子変異が脳機能に限られた範囲の変化をもたらし、それが幅広い影響を及ぼす。そして、その収束を探ることによってのみ、答えが得られるとベルモンテ氏は主張する。「物事を遺伝的に定義しようとすると、実際には根っこを掘り下げているのと同じであり、狭く定義された表現型を見るということは、枝葉を掘り下げているのと同じだ」と彼は言う。

アルロッタ氏は、オルガノイドを用いた研究が、科学者がASDの根底にあるプロセスをより深く理解する助けとなり、その範囲をより少数の「バケット」に分割し、治療法や療法に役立てたり、あるいは自閉症全般への理解を深めたりするのに役立つことを期待しています。この研究で注目された3つの遺伝子は、いずれも興奮性ニューロンと抑制性ニューロンのバランスに変化をもたらしました。これは画期的な発見であり、製薬会社が重症例におけるこのバランスに対処する薬を開発することを可能にする可能性があります。「ある遺伝子はあるプロセスに集中し、ある遺伝子は別のプロセスに集中しているのかもしれません」とアルロッタ氏は言います。「しかし、この非常に複雑な疾患をいくつかのタイプに絞り込むことができれば、治療にとって素晴らしい成果となるでしょう。」

この研究は、オルガノイドが実験プラットフォームとしての価値も証明していると、アルロッタ氏は言う。彼女はオルガノイドを「ヒトの脳の成長を研究するための新たな発見の場」と表現し、ニューロンの成長と接続におけるタイミングの重要性をこの研究が浮き彫りにしていると述べた。「発達は交響曲です」とアルロッタ氏は言う。「コンサートに行って、突然バイオリンの音が他の楽器と比べてずれてしまうようなものです。最後に聴こえる音楽は全く違うものになるのです。」

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