がん細胞の確率論的形質遷移とマルコフモデル（がん幹細胞とは？）

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文９）FACSでの各細胞の分離の純度は平均96％であった。6日間分離してから培養したが、急速に分布は元に戻った。一方で、各分画の増殖速度はそう変わらなかった。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１０）そこで各増殖サイクルにおいて確率的に状態が遷移すると仮定してモデルを作成した。この際、状態の遷移確率はその細胞の現在の状態にのみ依存して決定され、以前の状態には左右されないと仮定した。 以下、各細胞の「様」の字を略する。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１１）計算すると基底細胞が主であるSUM159の幹細胞は分裂後に基底細胞になる確率が0.35で、管腔細胞になる確率は0.07であった。一方管腔細胞が主であるSUM149の幹細胞が管腔細胞になる確率は0.30であるのに対し基底細胞になる確率は0.09であった。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１２）このモデルは意外な予測を立てることができた。まず、基底細胞が多いSUM159の幹細胞を培養した場合、単純量的モデルでは想定できない管腔細胞の培養1日目の上昇（理論値では最大7.3％、実測6.5％）を予測した。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１３）第二に、基底細胞も、管腔細胞も幹細胞様細胞になる確率がゼロではないというものである。正常組織における通常の「幹細胞」は幹細胞から分化した細胞は幹細胞にもどることはないとされている点で異なる。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１４）さらにこれらの確率の決定因子の一つとして、TBX3遺伝子を同定した。shRNA実験によってTBX3は基底細胞への分化の確率が上昇した、基底細胞への分化誘導に貢献していることが分かった。　

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１５）この分布の平衡化現象は非幹細胞様細胞が組織中である程度生き続けられる実験条件においては移植マウスにおいても同様に認められた。通常の移植条件においては予想通り幹細胞様細胞のみが生き残った。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１６）がん幹細胞の議論のポイントである薬剤感受性の変化についてもマルコフ過程によるモデルで説明できることも示した。薬剤存在下での各細胞の各状態における遷移確率、生存率がそれぞれ一定であるという条件でシミュレーションすると、実際に得られる細胞分布をよく反映した。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１７）今回の研究で最もインパクトがあるのは、培養細胞が時間経過とともに分化状態が平衡状態に達するという現象は、数学の基本的な定理である、有限状態マルコフ連鎖についてのペロン‐フロベニウスの定理で説明できることを示した点である。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１８）このペロン‐フロベニウスの定理とは「時間が経つにつれてマルコフ連鎖は、初期分布に関わりなく、定常分布に収束する」というもので、その前提条件から、今回の実験では各細胞の各状態の遷移確率が不変であり、細胞間の相互作用によるものではないと考えられる。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文１９）正常組織中では幹細胞はニッチという微小環境からシグナルを受取り、その機能を維持するが、がん細胞では内部ゲノムの障害のせいで確率論的に幹細胞性を獲得しうると解釈できる。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２０）論文によれば今回のケースのような、細胞の分化状態の遷移は正常組織でも観察されている。ここで面白いのは一切iPS関連の論文を引用せず、全く別個のタイプの実験のみを引用していることだ。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２１）さらに、正常細胞でも条件によっては他の細胞に遷移しうることを考えると、がん幹細胞の概念が正常の幹細胞と極端に異なるとは言えない、とある。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２２）がん幹細胞を治療標的として考えた場合、この遷移を抑制するような治療と併用すれば効果があるだろうとも指摘している。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２３）今回のマルコフモデルはがん細胞の薬剤感受性など、確率論的な遷移を伴う多くの系に適用できる。逆にそのような実験系ではマルコフモデルによる遷移率の推定を行う必要がある、としている。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２４）数学に弱い研究者としての感想、コメントであるが、まずは単なる観察に終ってきた培養細胞の平衡の問題が比較的簡単な数学モデルで説明できる、というのは大変面白かった。しかし、何回の細胞分裂で観察上平衡に達するか、について議論がなかったように思う。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２５）まずTBX3のshRNAの実験に見られるように、各細胞の遷移の確率を決定している因子はなにかを探る実験が興味深い。論文中にもあったが、細胞分裂時に転写因子などが姉妹細胞間で不均等分布する効果などもあるだろう。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２６）全体としてのインパクトだが、例えばシャーガフ則（生物のDNAのGとC、AとTはそれぞれほぼ同じ比率で存在する）の説明としてDNA2重らせん構造の解明があったわけだが、とてもそこまでは行かない感じ。例えば非幹様細胞から幹様細胞が出来るということ自体は既報。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２７）がん幹細胞という概念に対して、ある程度擁護的というか、治療標的として研究している科学者に配慮している様子がありありとうかがえる。自分たちの論文をがん幹細胞研究の攻撃材料にしてほしくない、という感じ。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

（Lander論文２８）前にもつぶやいたが、実は意外に応用できる実験は少なそうに思う。また、本文では触れられていないが、細胞周期ごとに使われたマーカーが各細胞ごとに一定という保証は全くない。系を下手に選ぶと細胞周期ごとに細胞を分画しているだけになってしまう可能性もある。

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

facebookの私のページのノートに上記まとめの抜粋を掲載し、さらに一部追加コメントを致しましたので、見てみてください。http://t.co/YbAjKWL http://t.co/9bPMKSN

【非公式】ひろ@猫もふ欠乏症 @hiro_h

@jyasuda1 各細胞状態は、分裂なしに遷移しない、というのが前提になっているように見受けられますが、この点は正しいのでしょうか…?

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

@hiro_h それはいい質問だと思います。私もよくわからなかったので、論文を見たのですが、per divisionで確率計算をしています。変な話ですが、ニワトリと卵の議論に似ているのではないかと。

【非公式】ひろ@猫もふ欠乏症 @hiro_h

@jyasuda1 なるほど、むしろ実験or観察で確かめるのが良さそうですね…!

Ｊｕｎ　Ｙａｓｕｄａ @jyasuda1

@hiro_h 数千個の細胞をtime-laspで見ないといけないので今の技術では面倒くさすぎると思う。