東京工業大學科學技術創成研究院核能先進研究所的島田幹男助教和松本義久副教授組成的研究團隊，利用源自人類皮膚的纖維母細胞製作了iPS細胞，探明瞭iPS細胞因應輻射的有關基因表現變化。
研究背景
包括人類在内的生物細胞基因體DNA經常因紫外線和放射線等來自細胞外的刺激而受損。DNA傷害會引起基因突變和細胞癌變，所以必須立即進行開墾。所以細胞都具備一套DNA開墾機制來保存DNA。
另一方面，iPS細胞具備分化成各種細胞的能力，在器官再生和疾病冶癒等臨牀應用領域備受期待。但iPS細胞可能癌變的問題一直存在，因此亟需查清癌變的機制。一般來說，細胞發生癌變的終極因數在於DNA「受損」。這種傷害通常會透過DNA開墾機制開墾，可是此前科學家們對iPS細胞的DNA開墾控制機制則一直不清楚。因此，本研究團隊嘗試搞清iPS細胞的NA開墾機制等保存DNA穩定的分子原理。
圖1：此次研究採用的細胞明視野顯微鏡影像
左圖爲源自人類皮膚的纖維母細胞，中間爲在胎鼠的纖維母細胞上培養iPS細胞時，右圖爲僅培養iPS細胞時。
研究成果
研究團隊利用人類纖維母細胞製備了iPS細胞，並解析了其與基因體穩定性有關的多基因表現。另外，還利用iPS細胞培養神經幹細胞，同時還分析了皮膚纖維母細胞→iPS細胞→神經幹細胞的分化路徑中基因表現的變化。
首先，研究團隊用5Gy的γ射線照射細胞1小時，然後提取RNA，利用二代測序儀比較了基因表現情況。分析發現，從纖維母細胞變回iPS細胞的初始化程序中，負責保持DNA開墾和細胞週期檢查點等保證遺傳基因穩定的分子表達量增加。
另外，與程式性細胞死亡有關的基因表現也有增加。由此可見，發生一定程度DNA傷害的細胞會透過細胞死亡被主動消除。頗爲有趣的是，CDKN1A基因會產生名爲p21的蛋白質，但在iPS細胞中p21的表達量則大幅下降。P21在DNA受損時會暫停細胞分裂週期，以保證DNA開墾所需的時間。P21的表達量大幅減量意味着細胞分裂週期不會停止。也就是說，對於那些無需停止細胞分裂週期也能開墾的傷害，立即就會起動開墾；如果是超過一定閾值的傷害，則透過細胞死亡直接放棄。
另外研究還應答，不論有無輻射也會有基因表現增加的現象，但這些傾向並非iPS細胞特有的，而是與普通細胞高度相似。
圖2：iPS細胞的基因體穩定性相關基因的表達變化
從經過照射1小時5Gy的γ射線（IR）的人類皮膚纖維母細胞（fibroblasts）、iPS細胞、神經幹細胞（NPCs）以及未照射（NT）放射線細胞中提取出RNA，並利用二代測序儀進行解析的結果。縱軸爲FPKM，表示相對基因表現量。圖中可見，在iPS細胞中，與DNA開墾、細胞週期檢查點和程式性細胞死亡有關基因的表達量均有增加。而分化爲神經幹細胞後，表達量則有增有減。這被認爲與神經發生有關，暗示神經系統對該基因的所需程度。
iPS細胞爲富潛能幹細胞的一種，可以分化成各種器官。作爲基因藍圖的基因體DNA必須保持穩定。此次的研究成果明確了iPS細胞可以透過控制基因表現來維持基因體DNA穩定性的保存機制，如果判斷難以維持DNA穩定性時，就立即透過程式性細胞死亡消除受損細胞。
圖3 研究結果：iPS細胞初始化後，透過增加與基因體穩定性有關的基因表現來維持基因體的穩定性
此次研究團隊透過全面解析iPS細胞的基因表現，明確了人類保存身體免受輻射和紫外線相害作用的基因調節機制。今後有望透過分子生物學方法查清各基因的功能，從而爲再生醫療和輻射防護的隊形變換做貢獻。
相關研究成果已於10月28日在Oxford Journal出版社發行的日本放射線影響學會的《Journal of Radiation Research》期刊網路版上公開。
論文資訊
題目：Reprogramming and differentiation-dependent transcriptional alteration of DNA damage response and apoptosis genes in human induced pluripotent stem cells
發表期刊：《Journal of Radiation Research》
DOI：10.1093/jrr/rrz057 outer
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
