コラム

Column

クローン動物とクローニング技術の医学・医療への利用

Medical use of cloned animals and cloning technologies

明治大学バイオリソース研究国際インスティチュート　代表　長嶋 比呂志

Hiroshi Nagashima, Representative, Meiji University International Institute of Bio-Resource Research

体細胞クローン動物作出技術の応用的意義として、(1)現存する動物個体、あるいは既に死亡した動物の複製個体の生産、(2)細胞からの無性生殖的な動物個体の生産、(3)同一遺伝子を持った動物集団の創出、(4)動物の遺伝子改変への応用、などが挙げられます。これらを総合的に組み合わせることで、クローン動物および動物クローニング技術は、医学研究や医療技術の開発に革新的な進歩をもたらすことができます。特に近年、大型動物であるブタを用いたトランスレーショナル・リサーチ（橋渡し研究）の必要性が認識されるようになったことを背景として、クローンブタの医学研究・医療への応用が活発に進められています。

The technology of producing somatic-cell cloned animals has applications of significance in a number of areas: (1) cloning currently living or already deceased animals; (2) producing animals through asexual reproduction of an animal from animal cells; (3) creating animal cohorts that have identical genes; or 　　(4) applying the technology to genetically modify animals. When these aspects are taken as a whole, we can expect that cloned animals and animal cloning technology will bring about significant innovative progress in medical research and in the development of medical technologies. In recent years, with the increase in the awareness of the necessity of developing translational research using large animals such as pigs, the use of cloned pigs in medical research and therapeutic technologies has become an area of active engagement.

クローニング技術によるsyngeneic移植系の創出

Creation of syngeneic transplantation model

齧歯類（マウス、ラットなど）実験動物には、近交系が存在します。遺伝的背景が均一化され、臓器・組織・細胞などの移植に伴う拒絶反応が起こらない近交系動物は、移植・再生医学の研究に不可欠です。一方、先端的な移植・再生医療の前臨床研究にブタが多用されることから、クローンブタの利用が注目されています。同一細胞を起源とする体細胞クローンブタ間で、輸血や臓器・組織・細胞の移植を行っても、拒絶反応は起こりません。このような、遺伝的背景の等しい個体間での移植系、すなわちsyngeneic移植系が、クローンブタの利用によって実現されます。さらに、蛍光タンパク遺伝子を発現するクローンブタを組み入れたsyngeneic移植系は、移植された組織や細胞の追跡を可能にする、非常に有力な研究ツールとなります。

Inbred strains of some experimental animals, such as rodents, now exist and these strains of animals, which have uniform genetic backgrounds and are free from the rejection reaction that occurs with transplantation of organ, tissue or cells, are indispensable for conducting transplantation and regenerative medicine research. In preclinical research for advanced transplantation and regenerative medicine, however, pigs are often used and the attention in this area is now on cloned pigs. Rejection does not occur when blood transfusion or organ, tissue or cell transplantation is conducted between somatic-cell cloned pigs originating from the same cell. Syngeneic transplantation model, i.e. a group of animals with an identical genetic background, can be produced using cloned pigs. Furthermore a set of cloned pigs expressing fluorescent protein genes and their syngeneic siblings without fluorescent expression is a highly valuable research tool for tracking transplanted tissues or cells.

病態モデル動物の作出

Producing disease model animals

医学・薬学研究において、病態モデル動物は重要な役割を果たしています。　すなわち、ヒトの疾患を動物で再現することによって、発症機構の解明や病態の詳細な解析、さらに治療法・治療薬の開発などを行うことが出来ます。これまでに、様々な疾患に対するモデル動物が、齧歯類実験動物で作られていますが、よりヒトへの外挿性が高い知見が得られるブタをベースとした病態モデルの開発が求められています。体細胞移植技術は、ブタの遺伝子改変を可能にする画期的な一面を持つので、今後は数多くの病態モデルブタが作出されて、研究開発に利用されるでしょう。我々も、変異型ヒト肝細胞核因子遺伝子を組み込んだ、遺伝子改変クローンブタの開発に成功し、糖尿病モデルブタとしての確立を進めているところです。

Disease model animals are now playing an important role in medical and pharmaceutical research by making it possible to elucidate the pathogenic mechanisms of human diseases by replicating them in animals and subsequently undertaking detailed analysis and developing therapeutic methods and drugs for treating those diseases. Disease model animals based on rodents are currently being produced for a variety of diseases, but the higher potential for extrapolation between pigs and humans has lead to the pursuit of development of disease models based on pigs. The groundbreaking nature of somatic-cell nuclear transfer technology, with its capacity for enabling inheritable genetic modification in pigs, offers the potential for producing an increasing number of disease model pigs for various research and development projects. Our endeavors in this field have led to the successful development of genetically modified cloned pigs carrying mutated human hepatocyte nuclear factor genes, and we are now conducting research to establish a diabetes model pig.

異種移植臓器ドナーブタの開発

Development of organ/tissue donor pigs for xenotransplantation

臓器移植におけるドナー（臓器提供者）不足の解決策の一つとして、ブタの臓器を用いる異種移植が提唱されていますが、異種移植実現への関門の一つは、拒絶反応です。拒絶反応への対策として、ドナーであるブタに遺伝子改変を施し、ヒトの免疫反応に対抗する戦略がとられています。異種移植に伴う超急性拒絶反応と、補体系の拒絶反応を抑制することを目的として、我々は、補体調節因子（decay-accelerating factor : DAF）遺伝子とN-アセチルグルコサミニルトランスフェラーゼ（Gnt-III）遺伝子を組み込み、さらにα１，３−ガラクトシルトランスフェラーゼ（Gal-T）遺伝子をノックアウト（破壊）したブタを、体細胞クローニング技術を駆使して作出しました。異種移植のコンセプトは、必ずしも心臓や腎臓などの臓器全体の（丸ごとの）移植ではありません。例えば、糖尿病治療を目的とする、ブタの膵臓ランゲルハンス島の移植は、現在異種移植の応用として最も期待されていることの一つです。

One solution being advocated to the lack of organ/tissue transplant donors is xenotransplantation using pig organs, but before that can be realized the barrier of immunological rejection has to be overcome. The strategy now being worked on as a measure to overcome this problem is to counteract the human immune response by genetically modifying donor pigs. Taking advantage of the strengths of somatic-cell cloning technology, we have produced a pig in which the decay-accelerating factor (DAF) gene and the N-acetylglucosaminyl-transferase III (Gnt-III) gene have been introduced while also knocking out the α-1,3-galactosyl-transferase (Gal-T) gene with the objective of suppressing hyperacute rejection and complement system reaction.

The xenotransplantation concept does not necessarily entail the transplantation of an entire organ (such as heart or kidney); one of most anticipated areas of application is the transplantation of Islets of Langerhans from porcine pancreas as a treatment for diabetes.

バイオスキャフォルドとしてのクローンブタ

Cloned pigs as bio-scaffold

遺伝子改変動物の乳汁中に生理活性タンパク質などの有用物質を生産させ、それを薬剤原料に利用する、いわゆる「動物工場」は、ヒツジ、ヤギ、ウシなどの乳用家畜で先行して開発されました。ブタでも、乳汁、血液、精液、体組織などの中に有用物質を生産させることは可能です。一方で、近年注目されているのは、ブタの体内環境をヒト臓器の生産に利用する試みです。iPS細胞やES細胞などの多能性幹細胞からの臓器再生が期待されていますが、非常に複雑な構造と機能を持った臓器の発生を、人工的な培養環境で再現するのは不可能に近いとの見方もあります。そこで、人工的培養に頼るのではなく、ブタの体内環境を利用する構想が提唱されました。動物の体内、特に胎仔の体内には、臓器を発生させる環境や機構が備わっているので、その体内環境を利用して、ヒトの多能性幹細胞や臓器の原器から、完成した臓器を作り出そうというのが、ブタを用いた「（ヒト臓器製造）動物工場」のコンセプトです。その実現のために、我々はヒト臓器や組織の発生に好適な体内環境を持った特殊な遺伝子改変ブタを、体細胞クローニング技術によって作出する研究を進めています。

医学・医療への応用を目的とした体細胞クローンブタの研究は、動物のクローニング技術や遺伝子改変技術を進歩させる推進力となっています。医学・医療への応用や貢献という取り組みの中で培われた技術や知見は、将来様々な形で家畜の改良や生産の効率化にもフィードバックされるでしょう。さらには、地球規模の人類の課題、例えば環境問題、食糧供給の安定化、インフルエンザの世界的流行などに対する解決策も、動物クローニング技術の今後の発展の中に秘められていると言って過言ではありません。

Animal production, or the technology of producing physiologically active proteins and other useful substances in the milk of genetically modified animals to be used as pharmaceutical ingredients, has already been developed using domestic dairy animals such as sheep, goat and cattle. It is also now possible to produce useful substances in porcine milk, blood, semen and tissues. Another area attracting much attention in recent years is the regeneration of human organs using pigs as a bio-scaffold. While high expectations have been held for regeneration of human organs using pluripotent stem cells, including iPS cells and ES cells, there is also a view that it is almost impossible to even attempt to reproduce the development of organs with very complex structure and functions in an artificial environment. The concept of using pigs as a bio-scaffold rather than relying on in vitro culture arose in response to this. The concept entails the production of human organs within pigs: cultivating a fully developed organ from human pluriopotent stem cells or organ primordia taking advantage of the physiological environment of pigs, considering that the in vivo environment, particularly the fetal environment, has the physiological characteristics and functions that allow organs grow. To make this a reality, we are applying somatic-cell cloning technology to research into producing special types of genetically modified pigs with a physiological environment suitable for developing human organs and tissues.

Research on somatic-cell cloned pigs for medical use is a driving force in progress in animal cloning and genetic modification technology. The technology and knowledge accumulated in the process of applying and contributing to medical studies and therapeutic activities will also feed back into improvements in livestock breeding and production efficiency. It is not an overstatement to add that solutions to global issues such as environmental protection, stabilization of food supply and prevention of influenza pandemics may be found in future developments in animal cloning technology.