不死DNA鎖仮説
生物学における仮説

不死DNA鎖仮説は、成体幹細胞がゲノムの変異を最小限に抑えるためにDNAを非対称に複製するという仮説です。[1]この仮説は、がんの発生率を低下させることで生物に利益をもたらすメカニズムとして、 1975年にジョン・ケアンズによって提唱されました。しかし、数十年にわたり、この仮説を裏付ける証拠は乏しく、矛盾が多く、決定的なものではありませんでした。[2]

2010 年代以降、マウス、ハエ、ヒトなどさまざまな種からの証拠は、幹細胞内で DNA がランダムに分離していることを強く示唆しており、不死鎖仮説は反証されています。[3] [4] [5] [6]代わりに、突然変異を最小限に抑えるための複数のプロセス (異物代謝、排出、DNA 修復、静止) が実施されており、有害な突然変異は負に選択され、場合によっては、ドライバー突然変異を持つ細胞は直接的な競争によって他の細胞によって抑制されます。[7]体細胞突然変異が広範であり、エラーが加齢とともに蓄積するという事実にもかかわらず、これらのメカニズムにより、ヒトの癌発生率は低く抑えられています。 [8]食道[9]や造血幹細胞[10] [11]などの一部の幹細胞コンパートメントでは、高齢者のほとんどの細胞でドライバー突然変異が見つかります。

不滅の糸

ケアンズ氏によると、成体幹細胞は、有糸分裂中にDNAをランダムに分離するのではなく、非対称にDNAを分裂させることができる。このようにして、幹細胞は分裂のたびに異なる鋳型DNA鎖（親DNA鎖）を保持する。同じ鋳型DNA鎖を保持することで、成体幹細胞はDNA複製エラーによって生じる変異を、間もなく終末分化（有糸分裂を終了し、機能細胞となる）する非幹細胞の娘細胞に伝える。これらの複製エラーの伝達により、成体幹細胞は癌などの深刻な遺伝性疾患につながる可能性のある変異の蓄積率を低減することができる。

ケアンズが不死DNA鎖機構を初めて提唱して以来、この理論は幾度かの改良を経てきた。2002年には、不死DNA鎖機構を用いてDNAを分離するだけでなく、成体幹細胞の不死DNA鎖が損傷を受けた場合、非幹細胞で通常用いられるDNA修復機構ではなく、死（アポトーシス）を選択するという説を提唱した。[12]

エマニュエル・デイヴィッド・タンネンバウムとジェームズ・シャーリーは、成体幹細胞における点変異の修復がどのように異なるかを記述する定量モデルを開発した。 [13]彼らは、成体幹細胞において、DNAを分離する際にランダムな分離機構ではなく、不死化DNA鎖機構を用いた場合に修復が最も効率的であることを発見した。この方法は、両方のDNA鎖におけるDNA変異の誤った修復と、その変異の伝播を回避するため、有益であると考えられる。

概念の完全な証明には、一般的に、その効果を媒介する妥当なメカニズムが必要です。議論の余地はあるものの、ダイニンモーターがこれを提供できる可能性が示唆されています。[14] この論文には、知見と背景を要約したコメントが添付されています。[15]しかし、この研究には、同じ著者による2006年の論文に対するさらなるコメントに見られるように、非常に尊敬されている生物学者からも批判の声が上がっています。 [16] 著者らは、この批判に反論しています。[17]

仮説の検証

次世代シーケンシング、高度な系統追跡、質量分析イメージングなどの技術が開発される前は、不死化 DNA 鎖分離を検出するために、ラベル保持アッセイとラベル解放パルス/チェイスアッセイという 2 つの主なアッセイが使用されていました。

ラベル保持アッセイでは、トリチウム標識チミジンやブロモデオキシウリジン(BrdU) などの DNA ラベルを使用して、「不死」または親 DNA 鎖をマークすることが目的です。これらのタイプの DNA ラベルは、S 期に分裂細胞の新しく合成された DNA に組み込まれます。成体幹細胞には、まだ不死 DNA 鎖が定義されていない条件下で DNA ラベルのパルスが与えられます。これらの条件下では、成体幹細胞は対称的に分裂しているか(したがって、分裂ごとに新しい「不死」鎖が決定され、少なくとも 1 つの幹細胞で不死 DNA 鎖が DNA ラベルでマークされます)、または成体幹細胞がまだ決定されていません(したがって、その前駆細胞は対称的に分裂しており、成体幹細胞に分化して「不死」鎖を選択すると、その「不死」鎖はすでにマークされています)。実験的には、成体幹細胞は成長中および創傷治癒後に対称分裂を起こしており、新生児段階ではまだ決定されていません。不死化DNA鎖が標識され、成体幹細胞が非対称分裂を開始または再開すると、DNA標識は追い出されます。対称分裂（ほとんどの有糸分裂細胞）では、DNAはランダムに分離し、DNA標識は5回の分裂後に検出レベル以下に希釈されます。ただし、細胞が不死化DNA鎖メカニズムを使用している場合、標識されたDNAはすべて成体幹細胞と共分離し続け、5回（またはそれ以上）の分裂後も成体幹細胞内で検出されます。これらの細胞は、標識保持細胞（LRC）と呼ばれることがあります。

ラベル放出アッセイの目的は、通常は娘細胞（非幹細胞）に受け継がれる新しく合成されたDNAを標識することです。成体幹細胞が非対称分裂している条件下で、DNAラベルのパルスが与えられます。恒常性条件下では、成体幹細胞は非対称分裂し、組織区画内の成体幹細胞の数が一定に保たれます。新しく複製されたDNAをすべて標識するのに十分な時間パルスを与えた後、DNAラベルは追い出され（各DNA複製にラベルのないヌクレオチドが組み込まれる）、成体幹細胞は2回の細胞分裂後にDNAラベルの損失についてアッセイされます。細胞がランダム分離メカニズムを使用している場合、検出されるのに十分なDNAラベルが細胞内に残っているはずです。しかし、成体幹細胞が不死DNA鎖メカニズムを使用している場合、ラベルのない「不死」DNAを保持する義務があり、新しく合成されたラベル付きDNAをすべて、2回の分裂で分化中の娘細胞に放出します。

一部の科学者は、この2つのアプローチを組み合わせています[18] [19]。まず、あるDNA標識を用いて不死化DNA鎖を標識し、成体幹細胞が非対称に分裂を開始できるようにします。次に、別のDNA標識を用いて新たに合成されたDNAを標識します。こうすることで、成体幹細胞は2回の分裂で一方のDNA標識を保持し、もう一方のDNA標識を放出します。

初期の証拠

カール・ラークらによる初期の研究の一つは、植物の根端細胞におけるDNAの共分離を実証した[20] 。トリチウムチミジンで標識された植物の根端は、標識DNAを同じ娘細胞に分離する傾向があった。標識DNAの全てが同じ娘細胞に分離したわけではないが、標識DNAの少ない娘細胞に見られるチミジン標識DNAの量は、姉妹染色分体交換によって生じたであろう量と一致していた[20] 。その後、クリストファー・ポッテンら（2002） [18]は、トリチウムチミジンを用いたパルスチェイス実験により、新生仔マウスの小腸陰窩に長期標識保持細胞が存在することを明らかにした。これらの研究者は、新生児マウスの小腸が未発達であるため、トリチウム標識チミジンが長期にわたって取り込まれるという仮説を立て、マウスの出生直後にトリチウム標識チミジンをパルス投与することで、成体幹細胞の「不死化」DNAが形成中に標識されるようになったとしました。これらの長期細胞は、BrdUの取り込みと放出によって活発に細胞分裂を繰り返していることが示されました。[18]

これらの細胞は分裂を繰り返しながらもDNAにBrdU標識を保持し続けていたため、研究者たちは、これらの細胞が不死DNA鎖機構を用いてDNAを分離しているに違いないと推論しました。ジェームズ・シャーリー研究室のジョシュア・メロックらは、非対称分裂を制御する誘導性p53遺伝子を用いて哺乳類細胞を改変しました。[21]これらの細胞を用いたBrdUパルス/チェイス実験では、成体幹細胞のように非対称分裂を誘導した場合にのみ、染色体がランダムに分離しないことが示されました。これらの非対称分裂細胞は、不死DNA鎖機構の実証と研究のためのin vitroモデルとなります。

科学者たちは、この不死化DNA鎖機構が他の種類の成体幹細胞にも生体内に存在することを実証しようと努めてきました。1996年、ニック・ゼップスはマウス乳腺に標識保持細胞が存在することを示す最初の論文を発表しました[22]。これは2005年にギルバート・スミスによって確認され、スミスもまた、マウス乳腺上皮細胞のサブセットが不死化DNA鎖機構と一致する方法でDNA標識を保持および放出できるという証拠を発表しました[19] 。その後まもなく、デレク・ファン・デル・クーイ研究室の科学者たちは、マウスがBrdUを保持し、有糸分裂活性を維持する神経幹細胞を持つことを示しました[23] 。培養細胞のリアルタイムイメージングを用いて、DNAの非対称分離が示されました。 2006年、シャフラギム・タジバクシュ研究室の科学者たちは、骨格筋の成体幹細胞と考えられている筋サテライト細胞が培養時にBrdU標識DNAの非対称な分離を示すという証拠を発表しました。彼らはまた、幼若マウスと凍結によって筋再生を誘導したマウスを用いて、不死化DNA鎖機構と一致するBrdU放出速度が生体内で機能していることを実証しました。 [24]

しかし、不死鎖仮説を支持するこれらの実験は決定的なものではない。ラーク実験では共分離が実証されたが、共分離はトリチウムからの放射線によるアーティファクトであった可能性がある。ポッテンは染色体を染色体で維持し標識を保持する細胞を成体幹細胞と特定したが、これらの細胞を成体幹細胞として明確に特定することは困難である。遺伝子操作された細胞は染色体の共分離の優れたモデルとなるが、これらの細胞の研究は遺伝子操作された細胞を用いて試験管内で行われた。そのため、一部の特徴は体内では存在しないか、試験管内では存在しない可能性がある。2007年5月、マイケル・コンボイら[25]は、比較的短期間に膨大な細胞分裂が起こる組織再生中の筋幹/衛星細胞モデルを用いて、不死DNA鎖理論を支持する証拠を発見した。 2つのBrdU類似体を用いて鋳型DNA鎖と新たに合成されたDNA鎖を標識したところ、再生中の筋肉において分裂中の細胞の約半数が、古い「不死」DNAを一方の娘細胞に、若いDNAをもう一方の娘細胞に振り分けることを明らかにした。幹細胞仮説と一致して、より未分化な娘細胞は典型的には古いDNAを含む染色分体を受け継ぎ、より分化した娘細胞は若いDNAを受け継いだ。

不死鎖仮説を否定する初期の実験的証拠も同様に乏しく、当時の技術によって制限されていた。[2]ある研究では、研究者らは分裂中のマウス表皮基底細胞にトリチウム標識チミジンを組み込んだ。[26]さまざまな追跡期間後のトリチウム標識チミジンの放出を追跡したが、放出パターンは不死鎖仮説と一致しなかった。標識保持細胞は見つかったが、それらは推定上の幹細胞区画内にはなかった。追跡期間が長くなるにつれて、これらの標識保持細胞は推定上の幹細胞区画から遠くに位置するようになり、これは標識保持細胞が移動したことを示唆していた。DNAテンプレート鎖の分離は発生中のゼブラフィッシュで研究された。[27]幼生発生中に、網膜、脳、腸の幹細胞ニッチ から古いDNAテンプレート鎖が急速に枯渇した。[27] 高解像度顕微鏡を用いた観察では、非対称鋳型鎖分離の証拠は（100以上の細胞対において）発見されなかったため、ゼブラフィッシュの発達において、不死鎖仮説が提唱するように、非対称DNA分離が変異の負担を回避する可能性は低い。[27]

参照

参考文献

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