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1

総

説

異種移植用遺伝子改変ブタの開発の動向と展望
東

條

英

昭

日本獣医生命科学大学客員教授・東京大学名誉教授
要約

現在，世界的に移植用臓器の不足が深刻化している。その解決策の一つとして，人工臓器や異種移植の開発研究が進められている。異種移植のドナーとしてはブタが注目されている。ブタは，生理学的にヒトに近く，また，従来から食用に利用されているため，倫理的な問題が少ない。しかし，異種移植に利用するためには，移植後に起こる超急性拒絶反応を克服する必要がある。現在，遺伝子改変技術，すなわち遺伝
子導入や遺伝子ノックアウトを利用した遺伝子改変ブタの開発研究が進められている。本総説では，遺伝子改変ブタの開発研究の動向と展望について述べる。
キーワード：異種移植，遺伝子改変ブタ，超急性拒絶反応
日獣生大研報 64，1-9，2015.

Ⅰ. は

じ

め

に

1980 年代にシスクロスポリンＡをはじめ各種の強力なと今後の展望について紹介する。

Ⅱ . 超急性拒絶反応の制御

免疫抑制剤が開発されたことから，ヒトの臓器移植の成績

異種移植では，ヒト同士の臓器移植では通常見られないは飛躍的に向上した。そのため，臓器移植手術の例数が年々

HAR が起こり，臓器移植後血栓の形成により血管が閉塞

急速に増加し，移植用臓器の必要性が益々高まった。一方，

し 24 時間内に移植臓器が拒絶される。異種移植の最大の臓器提供者の数は頭打ちの状況にあり，世界的に移植用臓課題は，移植後に起こる HAR をいかに制御するかである。

器が不足し，このような臓器不足は益々深刻な問題となっている。これを解決する手段の一つとして，これまで動物

1. 補体活性化の制御の臓器や細胞を利用した異種移植（xenograft）の研究がヒトに移植されたブタの臓器は，ヒト血液中に常在する

進められている。ヒトに最も近い霊長類の臓器を利用する

自然抗体によって認識され，補体カスケードの活性化が起ことには動物福祉，臓器の大きさが適さない，各種の人獣こる。補体活性化カスケードには，古典経路（第一経路）

共通感染症などの様々な問題があるため，異種移植用のドと第二経路とが存在し，自己の細胞（抗原）に対しても古ナーとしてはブタが利用されてきた。ブタは，食肉用に利

典経路の補体活性化反応が起こる。しかし，細胞膜上には用されているので倫理的な抵抗感が少ない。成長が早く，自己抗原に対する補体反応を特異的に抑制する制御タンパ

多胎性で繁殖が容易であり，手頃な大きさの臓器が得られ

ク 質（complement regulatory factor：CRF） が 存 在 し，易い。さらに，SPF（specific pathogen free）化が可能で自己細胞に対する反応を積極的に防いでいる。この様なヒあるため，外来の病原体を保有しない臓器を得ることがで

トの細胞膜上で発現する補体制御物質としては，シアル

きる。この様な特性からブタの臓器や細胞を移植用に利用

酸を持つ糖鎖複合，MCP（membrane cofactor protein）/

する様々な研究 21,22）が進められてきた。究極的には，同種

CD46，DAF（decay accelerating factor）/CD55，MIRL

移植と同様に移植した臓器を長期に生着させることが理想（membrane inhibitor of reactive lysis）/CD59 などが知らである。しかし，ブタの臓器や細胞をヒトに移植する異種れている 15）。そのうち CD46 は自己の細胞膜上に結合した移植を成功させるためには，超急性拒絶反応（hyperacute

活性化自己補体成分である C3b や C4b を分解し不活化す

rejection：HAR）など克服すべき多くの課題がある。

る。また，CD55 は細胞膜上に結合した補体に結合し，もHAR を制御する第一の方法は，ドナー動物にヒト補体

し，自己の細胞であれば，膜侵襲複合体の形成に関与する制御膜タンパク質遺伝子を導入し，補体活性化反応を制御

補体（C3）転換酵素の形成を妨げる。さらに，CD59 は，することである。第二の方法は，α galactose 抗原の生産

自己の補体成分である C8 や C9 の形成を防ぐことにより自を制御することである。さらには，移植後に起こる血液凝己の細胞を保護しており，これら一連の機構（補体活性化

固反応を制御することが考えられている。

の古典経路）により自己細胞を異種細胞と認識されないよ

本稿では，異種移植用遺伝子改変ブタの開発研究の動向

うな仕組みになっている。一方，異種移植の場合には，異

CORE

2

日本獣医生命科学大学研究報告

第 64 号（2015）

種（ブタ）細胞の膜糖鎖抗原（αガラクトース抗原：Gal）

い発現があっても，臓器の種類によっては HAR の抑制効

が抗体を介さずに直接補体成分（C3）と結合し，第二経果に差がみられ，肺臓で抑制効果が非常に低く，ヒト血液される。この様な反応にの環流実験でわずかに抑制効果がみられている 3,20,62,64,102,104）。

より膜侵襲複合体が形成され，これが移植臓器（ブタ）の

この様にヒト CRF 遺伝子の導入だけでは，なお，ブタ臓

血管内皮細胞を傷害し，その結果，凝血系が急速に賦活さ器に対する HAR を十分に制御することはできず，さらなれて血小板凝集，血栓症の一連の反応が起こり，数分～数る工夫が必要となる。

路の補体カスケードが活性化

53）

時間で血管が閉塞し，最終的に移植臓器が急速に拒絶される 41,69,70）。異種移植では，強力な免疫抑制剤を使用した

2. α galactose 生産の制御

場合でも，移植後の血液凝固を契機として移植臓器が急

ヒ ト や 類 人 猿， 旧 世 界 ザ ル 以 外 の 動 物 に は， α1,3-。したがって，このgalactrosyltransferease（GalT）と呼ばれる糖転移酵素がHAR を克服するためには，補体の活性化 14），Gal 抗原 31,34,83）

存在しており，この酵素は，以下の反応，即ち，UDP-Gal

や抗 Gal 抗体＋ Galβ1 → 4GlcNAc-R → Galα1 → 3Galβ1 → 4GlcNAc-R

速に拒絶される HAR が起こる
28）

25,39,40,68）の制御が必要である。

第一の手段は，動物体内でヒト CRF を発現させれば，＋UDP（R：糖タンパク質または糖脂質）の反応により，できる。この目的で，αGal 分子（Gal）が動物の血管内皮細胞膜上に発現する。

種特異的なヒト CRF である CD55，CD46，CD59 などのこの糖鎖抗原がブタ細胞膜上に存在するために，レシピエが作出され，それらのントに移植されたブタ臓器は HAR によって拒絶される。

臓器を霊長類に移植する実験が実施されている。CD55 を

GalT はヒトを含む霊長類および旧世界ザルでは遺伝子変導入したブタの心臓 76,99），腎臓 16,78,106），肝臓 74） をサルに移異のため活性を示さないことが知られている 38）。この Gal植した研究では，HAR の抑制効果が認められ，数日～数分子の生産をブタ臓器において制御できれば HAR を抑え週間に渡って移植臓器が生着している。また，CD46 遺伝

ることができる。

補体活性化のカスケードを中断
遺伝子を導入したブタ

27）

1,12,13,18,28,33,42,87）

子を導入したブタの心臓をヒヒに移植した研究では，501）Gal 産生を抑制する方法～ 113 日（平均 76 日）間移植臓器が生着している 50）。のGal の生産を制御する手段の一つとして考えられたのが，心臓をヒヒに移植した実験では，通常のブタの心臓を移植

GalT と 競 合 的 に 作 用 す る α1,2-fucosyltrosyltransferease

した場合に 20 ～ 30 分間しか生着しなかったのに対し，遺（ フ コ ー ス 転 移 酵 素 ） や α2,3-fucosyltransferease/α2,6-

伝子改変ブタの心臓では 85 ～ 120 分間機能した結果 8） がsialyltransferease をブタに発現させて，Gal 抗原の生産を得られている。この様に，複数の CRF 遺伝子の導入によ

妨げることである（Fig. 1）。α1,2-fucosyltrosyltransferease

り，単独の遺伝子導入に比べ移植臓器の生着時間／期間が遺伝子を導入したマウスやブタでは，Gal 分子の生産が延長し，移植臓器における補体 C5b の生産が対照に比べ減少し，補体の活性化も抑制されている 9,52,75,80）。さらに，減少した 5,51,65）。さらに，3 種類の CRF 遺伝子を導入した

GalT 遺伝子をノックアウト（KO）し，フコース転移酵素

場合には，実際には 2 種類の CRF のみが優先して発現す遺伝子を導入したブタが作出されている 66）。

さらに，CD59 と CD55 の両遺伝子を発現するブタ14）

る傾向のあることが報告されている 14）。また，CRF の高α-galactose antigen（pig）（αガラクトース抗原「ブタ」）
GT（αGal1-3βGal1-4βGlcNAc-R）

Precursor（前駆物質）
N-acetyllactosamine

FT（N-アセチルラクトサミン）

H-antigen（human）（H 抗原「ヒト」）（αFucl-2βGal1-4βGlcNAc-R）（βGal1-4βGLcNAc-R）ST
sialyl-N-acetyllactosamine（human, pig）（シリアル N-アセチルラク
トサミン「ヒト，ブタ」）（αNeuAc2-3βGal1-4βGlcNAc-R，αNeuAc2-6βGal1-4βGlcNAc-R）
Fig. 1. Biosynthetic pathway of carbohydrate antigens expressing in vascular endothelial cells of humanand porcine.
GT:α1,3-galactrosyltransferease, FT:α1,2-fucosyltrosyltransferease/α2,3-fucosyltransferease, ST:
2,6-sialyltransferease, R: glycoprotein/glycolipid

3

異種移植用遺伝子改変ブタの開発
2）GalT 遺伝子を KO する方法

Ⅲ . 複数遺伝子改変ブタ開発の展望

第 二 の 方 法 は， マ ウ ス で 開 発 さ れ た 遺 伝 子 タ ー ゲ
テ ィ ン グ ／ 遺 伝 子 KO 91,92） を 利 用 し て， ブ タ の 1,3-

GalT-KO ブ タ と GalT-KO＋CD46 遺 伝 子 改 変 ブ タ の 心galactrosyltransferease（GalT） 遺 伝 子 を KO し た 遺 伝

臓，腎臓，肝臓をそれぞれヒヒに移植した研究では，前子改変ブタ 19,26）を作出することである。マウスでの遺伝子者では，3 日以内に移植臓器の拒絶される割合が 44％でKO が可能 91） になったにもかかわらず，GalT を KO したあったのに対し，後者では 7% であったと報告 2） してい（GalT-KO）ブタが作製されるまでには，10 年以上の年月

る。GalT-KO ブタの腎臓を移植し，免疫抑制剤投与下でを要した。それは，遺伝子ターゲティング技術をブタに応

70 時間安定した機能を示したのに対し，GalT-KO＋CD55

用するためには，ブタの胚性幹（ES）細胞の樹立が必要＋CD59＋H-transferasse 遺伝子改変ブタの腎臓移植では，であるが，これまでのところ，キメラ形成能を持つ ES 様

90 時 間 ま で 延 長 し た 73）。GalT-KO＋CD55＋CD59＋CD39

されているが，真の ES 細胞が樹立されて＋H-transferasse 遺伝子改変ブタの腎臓をヒヒへ移植し，いなかったためである 。ところが，ヒツジでのクローン

免疫抑制剤を投与した実験では，移植臓器が 15 日間生着作出の成功 4） と体細胞核移植による遺伝子改変が成功 100）

し，カニクイザルへの移植では 22 日間生着している 17）。

したことから，体細胞における遺伝子ターゲティングと体また，GalT-KO ブタの心臓移植では 16% が生着したのに細胞核移植とを組み合わせた方法によりブタの GalT-KO

対し，Ga-lKO＋CD55 遺伝子改変ブタの心臓移植では 50%

細胞は報告

61,81）

24）が可能となったであったと報告 49）されている。

。

56,91,93）

これまでに，GalT-KO ブタの心臓や腎臓をサルに移植

以上の様に，異種移植時に起こる HAR を制御するたにした研究が報告 31,34,83）されている。GalT-KO ブタの心臓をは，さらに複数の遺伝子を導入あるいは KO すれば，単独

サルへ移植した場合には，CRF 遺伝子導入ブタの心臓移の因子の導入や KO に比べ，移植臓器の生着率や期間が向植に比べ生着期間が延長し，6 か月の生着が報告 6） されて上することが証明されている。一方，拒絶反応を抑える手いる。

段 と し て，GalT-KO＋CD55＋CD59＋H-transferase 遺 伝

ところで，Gal は細胞の機能に不可欠な分子であるとの

子改変ブタのサルへの臓器移植の際にサルへ移植した実験があるが，これまで GalT-KO マウスやブタでは，では，様々な免疫抑制分子を投与する研究 72） も進められ

報告

90）

ている。

特に生理的異常は観察されていない 。
93）

Ⅳ . 国内における研究3. レシピエント（ヒト）における血液凝固の制御
ヒト CRF 導入ブタや GalT-KO ブタの臓器をサルに移植

国内での異種移植関係に関する研究は，古くから医学系

36,37,39,84,97）。

研究者を中心に進められていたが，1997 年に日本異種移また，3 種類のヒト CRF を導入したブタの臓器をサルに植研究会が設立され，医学系研究者をはじめ畜産学，理移植した場合でも血管内凝集が起こっている 。臓器移植学，工学系の研究者らが加わり，研究成果が発表されてい後に起こる血液凝固に至るカスケードには様々な因子が関る。研究の多くはマウスやミニブタなどの実験動物を利用した場合には，最初に微小血管に血栓症が見られる
14）

与している 。そこで，これらの因子を遺伝子改変ブタのした基礎研究が中心であるが，名古屋大学医学部のグルー細胞膜上で過剰発現させて血栓性微小血管症を抑制する試

プが，国内で最初に遺伝子改変ブタの開発研究をスタート

95）。異種移植時に起こる再潅流傷害をさせた。その後，名古屋大学医学部，鹿児島大学医学部，

軽減させる目的で，ヒト endothelial protein C receptor

明治大学農学部，（独）農業生物資源研究所，民間研究所（EPCR）や thrombomodulin（スロンボモジュリン）遺伝などの研究機関が，それぞれ共同して遺伝子改変ブタを作されている。しかし，ヒト

出 55,79,82,103）している。特に，鹿児島大医学部のグループは，凝固抑制因子を発現するドナーの臓器をサルに移植した研GalT-KO ミニブタ 82）の作出に成功している。その他にも，究例はない。異種移植時には，血管内皮に発現している

有用な遺伝子改変ブタ 88,98）が作出されている。

みがなされている

11,71）

子を導入したブタが作出

7,32,36,54）

thromninbin，adhensin diphosphate，thromboxane，抗体，
補体，糖タンパク受容体反応などを介して血小板活性化がおこることが知られている。また，細胞膜上で発現し10,41）

Ⅴ . 遺伝子改変ブタ作出の課題と展望
1. 技術的課題ているブタ糖タンパク質レセプターは，コラーゲン，フィ

ブタでは，胚の体外培養，体外受精，配偶子の凍結保存，

ビリノーゲン等に結合して血小板活性化を促進することが胚移植技術などの様々な周辺技術が未だ十分に確立されて知られており 47,77,85,107），血栓の生じるメカニズムを探る研

おらず，遺伝子改変ブタを作出する際の大きな課題となっ究 30,35,89）が進められている。

ている 94,96）。したがって，マウスなどの実験動物での遺伝

そ の 他 に も， 虚 血 再 潅 流 傷 害 を 抑 制 す る 手 段 と し て
A20，SOD，カタラーゼなどを過剰発現する遺伝子改変ブタが作出 59）されている。

子改変動物の作出に比べ，家畜では様々な課題があり，最大の課題は，膨大な経費，時間，労力を要する。
これまでの研究から，現在，ウシやブタでは，屠場から
屠畜卵巣を研究室に持ち帰り，卵巣から未受精卵子を抜き

4

日本獣医生命科学大学研究報告

第 64 号（2015）

取り，体外で成熟，受精ならびに発生させることができる

イムノブロット法による解析から，PERV からの遺伝子ようになった。培養液の組成をはじめとする種々な条件が発現は全く検出されなかったと報告 60）されている。また，検討されてきた結果，ウシでは，卵子の体外成熟，体外受末梢血液から採取した単核球 DNA の PCR による解析か

精，体外発生の成績が飛躍的に向上した。また，体外受精

らも PERV のゲノムは検出されていない。ただし，23 名の際に必要な精液の凍結保存法も古くから確立されて，さの患者では，PERV の一部 DNA が患者のゲノムに挿入さらには，胚の凍結保存ついても良好な結果が得られつつあれていた 60）。一方，ブタの膵島細胞とヒト腎臓細胞（U293）

る。さらに，子宮頚を経由する非外科的な胚移植技術も確とを共培養すると，PERV がヒト細胞へ感染すること，ま立されており，これまでに，胚移植技術により国内外で多た，ブタ膵島細胞を SCID マウス（免疫不全マウス）の

くの仔ウシが生産されている。

腎臓の被膜下に移植すると，SCID マウスの複数の組織にこれに対して，ブタの場合は，未成熟卵子の体外成熟において PERV からの複製が確認されている 43）。ヒト細胞

ついては，良好な成績が得られているものの，体外受精やに感染する能力を持つ PERV を生産しないミニブタが報

体外発生の成績が悪く，大きな課題であり，ブタ精液の凍

告 57） されており，今後は，遺伝子改変ブタと PERV（－）

結保存についても有効な方法が確立されていない。特に，

ミニブタとの交配により，より安全な遺伝子改変ミニブタ

ブタの体外受精では，多精子侵入の割合が異常に高い。まの開発が可能となろう。近年，活性型の PERV と不活性

た，ブタのクローン作出の際に，胚移植により妊娠させる型の PERV とをスクリーニングできる方法 23,101,102） が開発には多数の胚の移植が必要である。また，核移植胚の活性されており，微生物学的により安全な遺伝子改変ブタの造化が早いため，クローニング効率が非常に低い。その対策成が可能となろう。

として，核移植を繰り返すことによりクローンの作出効率

Ⅵ. おを上げている 63）。さらに，ES 細胞を利用したクローンマ

わ

り

に

ウスの作出に比べ，体細胞では遺伝子相同組換えの効率が

遺伝子改変ブタの臓器や細胞をヒトへの移植に利用する

著しく低いが，ブタでは胎児線維芽細胞を用いることによに当たっては，克服すべき多くの課題がある。しかし，遺り効率を上げている 48,86）。

伝子改変ブタの開発研究は，移植用臓器不足を少なからず

さらに，ブタでは，ウシの様な非外科的胚移植が容易で解消する対策の一つとして必要である。現在，GalT-KOない。その理由は，ブタの子宮は他の家畜に比べ長く，また，ブタをベースとして HAR を制御するための様々な遺伝子

多数のヒダが互いに噛み合う構造をしているため，子宮頸が導入あるいは KO された遺伝子改変ブタが開発されていを経由する非外科的移植が困難である。この様な理由かる。我が国は，世界に先駆けて体細胞核移植によるクロー

ら，これまで遺伝子操作ブタの作出には，外科的手術によンブタの作出 58） に成功しており，ブタの胚操作技術は世り卵管内胚移植法が用いられている。今後，よりヒトの臓界的にも高い水準にあることから，この分野での今後の成器に近い臓器を持つ遺伝子改変ブタを開発するためには，果が大いに期待される。そのためにも，医学，獣医学，応複数の遺伝子の導入や遺伝子の KO が必要となる。その用動物科学，実験動物科学領域の研究者らの更なる連携がためには，遺伝子改変技術の更なる発展が必要で，遺伝子必要である。

導入用ベクターとして，picornavirus

44）の利用が検討されている。さらには，最近，人工ヌクレアーゼ（zinc finger
nuclease）を利用した遺伝子 KO 法 29,45,46,67,105）が開発されている。これは，遺伝子 KO 用に構築した人工 RNA を受精
卵の細胞質内へ顕微注入する方法であるため，体細胞でのDNA 相同組換えと体細胞核移植とを組み合わせた従来の遺伝子 KO 法に比べ，家畜での遺伝子 KO が格段に容易となる。
2. ブタ内在レトロウイルス
ブタの臓器を異種移植用臓器あるいは細胞として利用する際に，ブタに内在するレトロウイルス（ブタ内在レ
トロウイルス：porcine endogenous retrovirus「PERV」）の ヒ ト へ の 感 染 が 問 題 と な る。 こ の PERV は， ブ タ ゲ
ノ ム 内 に 挿 入 さ れ て い る C 型 レ ト ロ ウ イ ル ス（C-type
retrovirus）で，ブタにおける悪性の造血系細胞腫の原因
ウイルスと考えられている。これまでの研究では，ブタの肝臓，腎臓，脾臓，皮膚などの細胞を移植した患者 160 名（最長 12 年間）から採取した血清について，RT-PCR 法や

Ⅶ. 引

用

文

献

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Current Status and Prospects for Exploitationof the Genetically Modified Pigs for Xenograft
Hideaki TOJO
Visiting Professor of Nippon Veterinary and Life Science University andProfessor Emeritus of University of Tokyo
Abstract
Lack of donated human organs for transplantation is serious problem for the patients suffering fromcomplete organ disorder. For alternatives to the use of human organs for transplantation, artificial organs
and organs from other species, i.e. xenograft, have been developed. The pig is generally acceptable asdonor species for xenograft, because of its physiological similarity with humans and the animal that isalready a food source to humans. However, for the use of pig organs in human xenograft, it is necessary
to make genetic modifications to the pig genome, which control the superacute rejection of transplanted
pig tissues. We can now genetically modify pig genome by using the transgenic manipulation, i.e. genetransfer and gene targeting. This review article describes progress and prospects for exploitation of thegenetically modified pigs for xenograft.
Key words : xenograft, genetically modified pigs, superacute rejection
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