幹細胞は絶えず再生し、1つ以上の特定の種類の細胞に変化することができます。幹細胞は成体のあらゆる種類の細胞を変えることができるという“能力”から、ヒトの組織や臓器を置き換えるための絶え間ない“倉庫”になることが期待されています。
幹細胞がなぜこのような“変化”を起こすのかを理解するには、細胞の違いを見る必要があります。人体には、脳の神経細胞、肝臓の肝細胞、心臓の心筋細胞、血液中の白血球など、さまざまな細胞があります。機能が異なるだけでなく、外見も異なります。細胞の中を“ドリル”して“見る”と、細胞によってタンパク質の種類が異なることがわかります。すべての生命活動はタンパク質によって具体的に“実行”されているため、各細胞内のタンパク質の種類は細胞の構造だけでなく機能も決定します。
タンパク質を電報に例えると、DNAは電報の内容を決定する秘密のコードです。細胞によってタンパク質が異なるので、DNAも異なるのでしょうか。答えは驚くかもしれません。すべての異なる種類の細胞では、DNAの組成は同じです。つまり、各細胞は完全な“秘密の電気コード”を持っています。すべての細胞があらゆる種類のタンパク質の遺伝子コードを持っているのに、なぜこれほど多くのタンパク質を持つ細胞が存在するのでしょうか。
秘密は、すべてのパスワードを使用できる細胞はありませんが、あなたはこの部分を使用し、私は別の部分を使用します。使用されるコードが異なるため、合成されるタンパク質は異なり、これらのタンパク質を含む細胞はもちろん異なります。理論的には2種類の細胞が使うコードを逆転させることができれば一方の細胞が他方の細胞になることができますこれらの細胞とは対照的に、幹細胞は“待機”状態にある細胞です。必要に応じて特定の種類の細胞に変更することができます。同種の細胞から2種類以上の細胞になることを分化といい、例えば受精卵が肝細胞、心筋細胞などになることを分化という。
細胞はレストランのようなものであり、細胞内のタンパク質はレストランで作られた料理のようなものであり、DNAはレシピです。すべての生物の細胞には、すべての料理のレシピがありますが、それらはほんの一部の料理になり、ほとんどの料理が開発されています。幹細胞は、必要に応じていつでも新しい料理にすることができます。
ヒトの体内では、幹細胞は正常な状態では損傷または死んだ細胞を置き換えることができず、多くの疾患では“足を縮小”し、修復機能を十分に発揮できません。また、人体には細胞の分業に関する厳格な規則があり、各細胞は割り当てられた仕事しかできず、他の細胞の仕事に“干渉”することはできません。人間の耳には数千の聴覚細胞しかありません。それらのいくつかが損傷すると、周囲には何万もの他の細胞がありますが、聴覚細胞の仕事を引き継ぐことができず、人の聴力が低下します。幹細胞技術は、細胞間のかけがえのない限界を破り、幹細胞をあらゆる種類の損傷細胞や死んだ細胞を置き換えることができる“オールラウンドアスリート”にすることです。
一つの方法は、既製の幹細胞を抽出し、人工培養条件下で増殖させ、さまざまな培養条件を使って必要な細胞に“誘導”することです。ヒトの幹細胞は、初期の胚、羊水、臍帯血、骨髄、胸腺、皮膚、小腸、脳、目、膵臓、肝臓、脂肪、筋肉などからすでに入手可能である。しかし、利用可能な幹細胞の数は限られており、単離は困難です。
これらの困難を克服するために、科学者たちは分化した細胞から幹細胞を“作る”方法を模索しました。2005年、京都大学再生医学研究所の山中伸弥教授は、レトロウイルスを用いて4種類の遺伝子をマウスの皮膚細胞に導入し、マウスの皮膚細胞が外来遺伝子を獲得して多能性幹細胞になった。2007年までに、ウィスコンシン大学のジェームズ·トムソン研究室の山中伸弥と研究者は、ヒトの皮膚細胞を幹細胞に変えるために遺伝子組み換えを行った。山中伸弥もゲドンとともに2012年のノーベル生理学·医学賞を受賞した。