哺乳動物同士を比べると、発生に要する時間は大きく異なっている。脳発達を考えると、大きくなればなるほど細胞も必要だし、構造化にも時間がかかるのは当然だが、iPS 細胞や ES 細胞からの分化の速度を見ても、極めて大きな差があることから、この時間差の多くの要因は、神経細胞の分化速度自体にあると考えられる。その結果、オルガノイドを用いた試験管内での脳研究は、培養だけで何ヶ月も時間がかかることになる。

今日紹介するベルギーのルーベンカトリック大学からの論文は、神経分化、特に成熟過程でのミトコンドリア活性が分化速度の違いの要因の一つであることを明らかにした研究で、２月１０日号 Science に掲載された。タイトルは「Mitochondria metabolism sets the species-specific tempo of neuronal development（ミトコンドリア代謝が神経発生の種特異的テンポを決めている）」だ。

試験管内で ES 細胞から神経分化を誘導すると、前駆細胞の増殖が続く中で、順々に神経細胞の成熟が進む。すなわち、分化のスタートが同期していない。これは、例えば中胚葉系の分化を研究する時と大きく異なっており、細胞レベルの発生時間を特定することが難しい。

この問題を解決するため、培養のある時点で神経成熟を開始している NeuroD1 陽性細胞をタモキシフェン誘導による遺伝子スイッチにより標識する方法を開発し、分化を始めた細胞だけに焦点を当てて成熟にかかる時間を測定している。この手間をかけたことが、この研究のハイライトになる。

この方法で、NeuroD1 を発現して以降、成熟に必要な時間を調べると、マウスとヒトでは大きく異なるが、同時にミトコンドリアのサイズや活性を調べると、分化速度の違いに比例し、マウスではミトコンドリア活性が１ヶ月以内にピークに達するのに、ヒトでは２ヶ月経っても活性がようやく５０％に到達できる程度であることがわかった。特に、ミトコンドリアの酸化リン酸化活性および、その結果 TCAサイクルの活性の成熟にヒトでは時間がかかることを確認している。

では、ミトコンドリアの成熟が早まれば、それにつれて神経分化の速度が早まるのか？この点を調べるため、ミトコンドリアの TCA サイクルから酸化リン酸化システムを高めることで、分化速度を速められるか検討している。方法だが、TCA サイクルへの原料となるアセチル CoA を増やすため、一つはピルビン酸から乳酸への経路をブロックする阻害剤、もう一つは脂肪酸からアセチル CoA の生産を高める薬剤を用いて分化を調べると、１ヶ月で見た時完全ではないが、かなりマウスの分化速度に追いつけることを、分化マーカー、細胞学的形態、そして神経興奮機能の観点から確認している。さらに、この分化速度を高める操作が、マウスに移植したヒトiPS細胞でも有効であることを示している。

以上が結果で、１００％ミトコンドリアが決めている訳ではなく、エピジェネティックなど他の要因の関与は明らかだが、ミトコンドリア活性操作で分化速度を倍に早めることができれば、随分培養は楽になるだろうと思う。