藻類のゲノム、動物細胞内に定着
日本の研究者らは、哺乳類細胞の内部に藻類のゲノム全体を保持するハイブリッド細胞を作製し、植物の有用な能力の一部を動物細胞に持たせるという野心的な構想を実現に近づけた。大学の発表によると、細胞は150世代を超えて分裂を続けたが、光合成はできなかった。
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2026年11月12日にNature Communicationsで発表されたこの研究では、Cyanidioschyzon merolaeという小型の紅藻と、チャイニーズハムスターおよびヒトの細胞を組み合わせた。最も完全なハムスターのハイブリッドでは、シーケンス解析により藻類ゲノムの100％をカバーする遺伝物質が検出された。ただし、移入された藻類遺伝子の95％超は不活性だった。
研究チームには東京大学、東京科学大学、近畿大学の研究者が参加した。Nature Communications掲載の研究は「真核細胞におけるゲノム規模の水平遺伝子伝達を可能にするエピジェネティックなゲートキーピング」と題され、動物細胞が外来DNAに化学的な目印を付け、その働きを抑えることで、大量のDNAを受け入れられる仕組みを説明している。
この発見は、研究者が今後一体的に取り組むべき2つの課題を結び付ける。動物細胞は、繰り返し分裂しても取り込んだ遺伝情報を保持する必要がある。また、遺伝子に有用な働きをさせるには、選んだ遺伝情報を活性化する必要もある。
研究チームは、植物（plant）と動物（animal）を組み合わせ、ハイブリッド細胞を「プラニマル細胞」と呼んでいる。東京大学の松永幸大教授が2018年にこの概念を提唱した。想定される用途には、光を利用して酸素や医薬品、食品原料を生産する細胞が含まれる。今回すぐに達成されたのは、遺伝的な組み合わせの安定化だ。光合成を行う構造体である藻類の葉緑体は、細胞融合の過程で分解した。
この小さな藻類が選ばれた理由
Cyanidioschyzon merolaeは「シゾン」とも呼ばれ、イタリアの酸性温泉で発見された。細胞壁がないため、細胞膜の融合が必要な実験に適した相手となる。
シゾンはまた、光合成を行う生物としてはゲノムが非常に小さい。核DNAは約1,650万塩基対で構成される。塩基対とは、遺伝情報を記す化学文字が対になったものだ。論文で比較対象とした哺乳類のゲノムは約24億塩基対で、シゾンの約145倍にあたる。
研究者らは、チャイニーズハムスター卵巣細胞、具体的にはCHO-K1株と、ヒトHT-1080細胞を使用した。CHO細胞はすでに医薬品の製造に利用されている。HT-1080は、ヒトの結合組織のがんに由来する実験室用細胞株だ。
2種類の宿主細胞を使うことで、異なる哺乳類細胞が同じ外来遺伝物質をどう扱うかを調べられた。ハムスター細胞はヒト細胞より多くの藻類ゲノムを保持した。
細胞を融合させた方法
研究者らは、細胞膜の融合を促す化学物質であるポリエチレングリコールを使用した。実験に使った哺乳類細胞は直径約50マイクロメートルで、シゾンの約5マイクロメートルに比べて大きかった。そのため、哺乳類細胞1個に藻類細胞が2個以上融合することもあった。
藻類には人工的に組み込んだ遺伝マーカーが使われた。一部は蛍光シグナルを発し、研究者が生細胞内のDNAを追跡できるようにした。別のものは抗生物質ブラストサイジンへの耐性を与え、マーカー付き藻類DNAを取り込んだ哺乳類細胞の集団を見つけ、増殖させるのに役立った。
融合から最短で6時間後には、核の周囲を満たす細胞質に蛍光シグナルが現れた。哺乳類細胞の核内で移入されたレポーター遺伝子が働いていることを示すシグナルは、約24時間後に検出可能になった。
観察結果は次の短い経過をたどった。
- 2018年：松永教授がプラニマル細胞の概念を提唱。
- 実験的な細胞融合から6時間後：調べた19個すべての細胞の細胞質で蛍光シグナルを検出。
- 融合から24時間後：調べた21個の細胞のうち13個で核内のレポーターシグナルを検出。
- 融合から48時間後：この時点で調べた19個すべての細胞で、明瞭な核内レポーターシグナルを確認。
- 2026年11月12日：研究論文と大学の発表を公表。
藻類の取り込みより細胞融合がはるかに有効
研究チームは、貪食と呼ばれる過程で哺乳類細胞が藻類を丸ごと取り込み、藻類のDNAを獲得できるかも検証した。簡単に言えば、受け手の細胞が外部の物質を包み込む過程だ。
どちらの方法でもブラストサイジン耐性を持つ細胞集団が得られたが、収率には大きな差があった。細胞1,200万個あたり、取り込みでは耐性細胞集団が平均3.7個だったのに対し、細胞融合では3,098.7個だった。この数値から、融合では耐性細胞集団が約837倍多く得られたことになる。
そのため研究者らは、以降の詳細な実験には融合を用いた。取り込みの結果も科学的に有用だった。別の細胞に取り込まれた生物のDNAが、どのように受け手の細胞に受け継がれるかを調べる実験方法になりうるからだ。
核への移動も重要だった。研究者らが、細胞内の通路に沿って物質を運ぶモータータンパク質「ダイニン」を阻害すると、蛍光物質は48時間後も細胞質にとどまり、核内のレポーターシグナルは現れなかった。この結果は、受け手の細胞の輸送機構が外来DNAを核へ運ぶのを助けていることを示唆する。
藻類のDNAはどれだけ残ったのか
研究者らは、ハムスター細胞由来の安定細胞株を18株、ヒト細胞由来を13株作製した。細胞株とは、実験室で維持・研究できる細胞から増殖した集団だ。ヒト細胞株は細胞融合で得られた一方、ハムスター細胞株には融合実験と取り込み実験の両方で得られたものが含まれる。
20世代目にゲノムシーケンスを行うと、方法と宿主による大きな違いが見られた。取り込みで得たハムスター細胞株では藻類ゲノムの最大48.9％が残り、平均は30.2％だった。融合で得たハムスター細胞株では最大100％、平均55.8％が残った。
融合で得たヒト細胞株では、藻類ゲノムの最大66％、平均14.9％が残った。したがって、ゲノム全体を保持した結果が得られたのは、CHO-Cm7と名付けられた特定のハムスター細胞株だった。
CHO-Cm7を詳しく再構築したところ、藻類由来の塩基配列1,630万塩基対が得られた。これは参照ゲノムの98.76％にあたり、注釈が付された藻類遺伝子は5,345個だった。100％という数値は、シーケンスの読み取り配列を参照ゲノムに照合した際のカバー率を示す。一方、98.76％は再構築したゲノムで回収された配列の割合を示す。
外来染色体が細胞内に長期定着
移入されたDNAには、大きな染色体領域と、完全な形を保った藻類染色体が含まれていた。染色体は細胞が分裂する際に複製し、分配するDNAのまとまりだ。詳しく再構築したハムスターのゲノムでは、藻類の染色体6本が分断されず、連続した領域として残っていた。
顕微鏡観察では、藻類DNAの多くがハムスターのX染色体の短腕の末端近くに位置していた。さらに解析すると、染色体末端にある反復DNA配列「テロメア」を介して、藻類染色体が連結していることが分かった。ヒトのハイブリッド細胞株では、複数のシーケンス手法を使い、藻類DNAとヒト染色体がつながる接合部を確認した。
近畿大学の研究発表によると、ハイブリッド細胞は藻類DNAを保ちながら150世代を超えて分裂した。論文では、抗生物質による選択を行わなくても95世代にわたりDNAが維持されたことも報告されている。この実験では、細胞が抗生物質への耐性マーカーを使わなくなった後も、外来DNAが残るかを検証した。
研究者らが数える世代とは、培養容器間で移し替えた回数ではなく、細胞分裂の回数だ。この持続性が重要なのは、有用な改変細胞が増殖する際に、新たな遺伝物質を娘細胞に受け渡す必要があるためだ。
遺伝子の不活性化が外来DNAの定着を助けた
大学の発表によると、ハイブリッド細胞内では藻類遺伝子の95％超が不活性だった。受け手の哺乳類細胞は、取り込んだDNAに化学的な目印を付け、遺伝子の働きが低下する状態に凝縮した。
DNAメチル化は、そうした目印を付ける仕組みの一つだ。遺伝文字の並びを変えずに、DNAに小さな化学基を付加する。この目印によって、遺伝子の指示が利用されるかどうかが制御されることがある。
凝縮したDNAは、ヘテロクロマチンと呼ばれる、DNAと関連タンパク質が密に詰まった構造を形成した。多くのページを閉じたまま保管した説明書の束に例えられる。情報は残っているが、アクセスが制限されている状態だ。
研究チームが、新たなメチル化の目印を付ける酵素を欠くハムスター細胞を使うと、安定したハイブリッド細胞ができる効率が低下し、移入された藻類DNAも失われやすくなった。研究者らは、外来DNAを受け入れつつ抑制するこの過程を「エピジェネティックなゲートキーピング」と呼ぶ。これが研究の中心的な発見を示している。外来遺伝子の働きを抑える仕組みが、それらを細胞内に保つ助けにもなっているのだ。
光合成はなぜまだ実現していないのか
ハイブリッド細胞は藻類の遺伝情報を保持したが、葉緑体は細胞融合の過程で分解した。光合成には機能する葉緑体と、それを支える遺伝子の協調した働きが必要だ。新しい細胞では葉緑体が失われ、藻類遺伝子の大半も不活性なままだった。
葉緑体は光を利用して反応を起こし、水から酸素を放出するとともに、糖などの炭水化物への二酸化炭素の変換を助ける。こうした炭水化物は、細胞が利用できるエネルギーを蓄える。
松永教授のチームは以前、特殊な培養条件のもとで、シゾンの葉緑体をハムスター細胞に導入していた。初期の光合成反応は検出されたものの、細胞分裂を繰り返した後も仕組みを維持するのは難しかった。この経験が、藻類のゲノムも移入する試みにつながった。
東京大学大学院新領域創成科学研究科の松永教授は、次の目標について、日本語のコメントを英訳すると次のように述べた。
次は葉緑体を導入し、シゾンの遺伝子も働かせて、光合成によって酸素を生み出したい
大学の発表によると、研究者らは光合成や有用物質の生産に関わる遺伝子を選択的に活性化する方法の開発を計画している。技術的な課題は、遺伝子抑制によって得られた安定性を保ちながら、選んだ機能を働かせることだ。
食品や医薬品にどのような変化をもたらすか
培養肉は、用途の一つとして考えられている。食品用に培養する動物細胞には栄養と酸素が必要だ。光合成を持続的に行えるようにできれば、細胞自身が有用物質や酸素の一部を生産し、培養を維持するために必要な供給物の一部を減らせる可能性がある。
医薬品の製造も、提案されている用途の一つだ。CHO細胞はすでに医薬品や有用タンパク質の製造に使われている。大学の発表では、酸素が乏しい環境で酸素を生産する治療用ヒト細胞や、二酸化炭素を取り込む動物細胞の可能性も挙げられている。
こうした用途の実現には、さらなる実験が必要だ。持続的な光合成の達成や、食品の生産、治療法の開発について、具体的な時期は示されていない。この研究が報告したのは、DNAの移入と保持、制御だ。生産面での利点は、今後の研究で目指す目標にとどまる。
この研究は、細胞工学に別のアプローチも示している。選んだ遺伝子を一つずつ導入する代わりに、まず大量の遺伝情報を移入し、必要な機能を後から活性化できる可能性がある。当面の課題は、ハイブリッド細胞の安定した増殖を保ちながら、どの藻類遺伝子を働かせられるかを明らかにすることだ。
要点
- 日本の研究チームは紅藻をハムスターおよびヒトの実験用細胞と融合させ、藻類DNAを大量に保持するハイブリッド細胞を作製した。
- ハムスターの細胞株1株では藻類ゲノム全体をカバーする遺伝物質が残り、ヒト細胞株では最大66％が残った。
- 大学の発表によると、細胞は150世代を超えて分裂した。論文では、抗生物質による選択を行わずに95世代にわたりDNAが維持されたことも報告している。
- 藻類遺伝子の95％超は不活性で、DNAメチル化が細胞による外来遺伝物質の受け入れを助けた。
- 葉緑体が分解し、藻類遺伝子の大半が不活性なままだったため、ハイブリッド細胞は光合成できなかった。
- 酸素生産、培養肉、医薬品製造などが用途として提案されているが、開発時期は示されていない。
