体外受精(IVF)による治療では、受精が成立しても、その後の分割の途中で発育が止まってしまう胚にしばしば出会います。とりわけヒトの胚では、受精後3日目ごろに到達する「8細胞期」の前後で発育が停止する例が知られており、移植可能な胚が得られない主要な原因のひとつとされています。しかし、なぜこの時期に発育が止まるのか、その分子的なしくみは十分に解明されていません。
8細胞期は、ヒト胚が母親由来の情報だけに頼った発育から、自分自身の遺伝子(ゲノム)を本格的に読み始める「接合体ゲノム活性化(ZGA)」と呼ばれる転換点にあたります。この転換がうまく進むかどうかを左右する要因として、近年注目されているのが、DNAが核内でどのように折りたたまれ、立体的に配置されているかという「3次元ゲノム構造」です。DNAは平面的な設計図ではなく、折りたたまれ方そのものが、どの遺伝子がいつ読まれるかに影響すると考えられています。
こうした立体構造の乱れが、発育停止とどう関わっているのかを、正常に発育した胚と発育が停止した胚を直接比較する形で検証した研究が、Communications Biology誌(2026年)に掲載されました。染色体の立体構造を網羅的に調べるHi-C法と、遺伝子の発現量を調べるRNAシークエンシングを組み合わせた、この分野では規模の大きい解析です(doi:10.1038/s42003-026-10614-0)。
方法──正常な胚と停止した胚を、染色体の立体構造から比較した
対象となったのは、卵管性不妊のため治療を受けた30〜45歳の女性から提供された、顕微授精(ICSI)由来のヒト胚です。受精後3日目までに8細胞期に達し、その後さらに2日間観察してもそれ以上分割が進まなかった胚を「発育停止胚」(37個、37人の提供者から採取)、3日目に8細胞期へ順調に到達した胚を「正常胚」(34個、20人の提供者から採取)と定義しました。いずれも見た目の形態は良好で、変性の兆候はないものが選ばれています。
これらの胚を独立した群に分け、染色体の立体構造を解析するHi-C法と、遺伝子発現を調べるRNAシークエンシングをそれぞれ実施しました。染色体の折りたたみは、大きな単位から順に「コンパートメント」(活発な領域Aと不活発な領域Bへの大まかな区分)、「TAD」(数十万〜数百万塩基対規模でまとまる構造単位)、「ループ」(離れた2点が空間的に接触してできる小さな輪)という階層構造を持っており、この研究ではその全階層を比較しています。
停止した胚では、染色体どうしの「近距離の結びつき」が失われていた
正常胚では、同じ染色体内の近い場所どうしが接触する「染色体内相互作用」が91.8%を占め、別々の染色体どうしが接触する「染色体間相互作用」はわずか8.2%にとどまっていました。ところが発育停止胚では、染色体内相互作用が79.0%に低下し、染色体間相互作用が21.0%まで増加していました。さらに、染色体内でも200万塩基対以内という近距離での接触の割合が、発育停止胚で明らかに減少しており、遠距離の相互作用へと比重が移っていました。これは、正常胚がコンパクトに折りたたまれた構造を保っているのに対し、発育停止胚ではその構造がゆるみ、本来近くにあるべき領域どうしの結びつきが失われていることを示唆しています。
遺伝子発現の面でも大きな違いが見られました。発育停止胚では2,164個の遺伝子で発現が有意に高く、2,726個の遺伝子で発現が有意に低くなっていました。とりわけ、ZGAの際に働くべき遺伝子群(ZGA遺伝子)の発現は、発育停止胚で明らかに低下していました(p<2×10⁻¹⁶)。一方、卵子由来のRNA(母性RNA)を分解する過程に関わる遺伝子群には、有意な変化は見られませんでした(p=0.074)。これは、母性RNAの分解自体は保たれている一方で、胚自身のゲノムを読み始める働きだけが選択的に障害されている可能性を示すものです。
2つの群のあいだで立体構造が特に大きく異なる領域(全ゲノム上341か所)を抽出したところ、こうした領域にはZGA遺伝子が有意に多く含まれていました(p=6.5×10⁻⁵)。また、これらの領域に位置する遺伝子は、立体構造が安定していた領域の遺伝子に比べて、発現量の変化もより大きいことが確認されました。立体構造の乱れと遺伝子発現の乱れが、同じ場所で連動して起きていたことになります。
およそ半分のゲノム領域で、「活発か不活発か」の判定が入れ替わっていた
染色体の大まかな区分である「Aコンパートメント」(活発)と「Bコンパートメント」(不活発)についても、発育停止胚では広範な入れ替わりが見られました。全ゲノム領域のうち、活発から不活発へ切り替わった領域が25.7%、不活発から活発へ切り替わった領域が25.8%にのぼり、両者を合わせるとおよそ半分の領域で状態が入れ替わっていたことになります。もともとヒトの正常胚でもコンパートメントの区分はやや不明瞭な傾向がありますが、発育停止胚ではその不明瞭さがさらに強まっており、活発・不活発の境界そのものがあいまいになっていました(p=0.00014)。
興味深いのは、この切り替わりが遺伝子発現の変化と対応していた点です。活発から不活発へ切り替わった領域には、RNAの局在調節やリボソーム(たんぱく質合成装置)の形成、ミトコンドリアの働きに関わる、発育に不可欠な「基盤的な」遺伝子群が集中しており、これらの発現は発育停止胚で明らかに低下していました。一方、不活発から活発へ切り替わった領域には、四肢の形成や骨形成など、本来はもっと発育が進んだ段階で働くはずの遺伝子群が含まれており、これらは発育停止胚でむしろ発現が上昇していました。
この結果は、発育停止した胚が単に成長を止めているのではなく、発育のタイミングそのものが乱れ、「後で使うはずの遺伝子」が早々に動き出してしまっている可能性を示しています。基盤的な機能を支える遺伝子が沈黙する一方で、本来先の段階で必要になる遺伝子が先走って活性化する――発育の順序が崩れていることが、停止の背景にあるのかもしれません。
TADとループ──折りたたみの「区画」と「つなぎ目」にも乱れが
より細かい構造単位であるTADについては、その大枠(2,191個)は正常胚と発育停止胚のあいだで98.6%が共通しており、比較的保たれていました。一方で、TADとTADを区切る「境界」については変動が大きく、正常胚に特有の境界が479か所(36%)、発育停止胚に特有の境界が582か所(43%)見られました。TADという区画そのものは崩れていないものの、区画を仕切る境界線の位置は不安定になっていたことになります。境界の強さもやや弱まり(p=0.002947)、TADのサイズ自体も正常胚より大きくなっていました。境界近くには、遺伝子の並び方に影響を与える「トランスポゾン」という反復配列が多く集まっていることも分かりました(p<0.0001)。
さらに細かい「ループ」構造(離れた2点が接触してできる小さな輪)についても、染色体によっては大きな違いが見られ、その接触頻度の変化量は、対応する遺伝子の発現変化量と弱いながら有意な相関を示しました(r=0.1、p=0.0078)。また、染色体の折りたたみを支えるコヒーシンなどのたんぱく質(SMC2、SMC4、RAD21、STAG2、CTCFなど)をコードする遺伝子の発現も、発育停止胚で軒並み低下しており、折りたたみを支える「足場」役そのものが不足していたことがうかがえます。
鍵を握るかもしれない転写因子――KLF17とZNFファミリー
こうした構造変化を引き起こす「司令塔」候補を絞り込むため、ループの接合部に集まりやすい転写因子(遺伝子の働きを調節するたんぱく質)を網羅的に調べたところ、KLF17という因子が候補として浮かび上がりました。KLF17は発育停止胚で発現が有意に低下しており、かつそのDNA結合配列(モチーフ)がループ接合部に有意に集積していました。マウスの研究では、KLF17がRNAポリメラーゼII(遺伝子を読み取る酵素)を呼び込むことでZGAを助けることが報告されており、ヒトでも同様の役割を担っている可能性が推測されています。
KLF17のほかにも、TPRX1・TPRX2、ZSCAN5B、KLF4、MYC、YY1といった転写因子の発現が、発育停止胚で有意に低下していました。また、DNAやRNAに結合して転写やDNA修復に関わる「ジンクフィンガーたんぱく質(ZNF)」というグループの遺伝子群にも注目が集まりました。CTCFやコヒーシンと協調してループ形成を助けるZNF143、ZGAの活性化に必要とされるZNF675は、いずれも発育停止胚で発現が有意に低下していました。たんぱく質どうしの相互作用ネットワーク解析では、幹細胞の未分化性維持に関わることが知られるZNF281をはじめ、ZNF597、ZNF622が中心的な候補として浮かび上がりましたが、これらのZGAにおける具体的な役割は、今後の実験的な検証が必要とされています。
エネルギー代謝に関わる変化も見られました。TADの境界に位置する遺伝子群の機能を調べると、正常胚では「グルタミン分解」に関わる経路が目立つ一方、発育停止胚では「グルタミン酸合成」に関わる経路が目立っていました。グルタミンは胚のエネルギー代謝を支える基質のひとつとされており、関連する酵素をコードするGLUD1やGLS、ミトコンドリアの銅代謝とエネルギー産生に関わるSCO1といった遺伝子の発現が、発育停止胚でいずれも低下していました。構造の乱れが、エネルギー代謝の乱れとも結びついている可能性が示されています。
日本の生殖医療現場にとっての意味
日本の生殖医療の現場では、受精確認後に発育が途中で止まる胚にたびたび遭遇しますが、その原因の多くは、通常の顕微鏡による形態観察だけでは判別できません。今回の研究は、そうした「見た目では分からない」発育停止の背景に、染色体の立体構造という、これまで臨床的な胚評価では扱われてこなかった次元の異常が関わっている可能性を示すものです。
ただし、この研究で得られた知見は、あくまで基礎的なメカニズムの解明にとどまり、現時点で個々の胚を選別するための臨床検査として使える段階には至っていません。染色体の立体構造を調べるHi-C法は、現状では胚そのものを壊して分析する必要があり、移植前の胚に直接応用することはできません。今後、こうした立体構造の異常を、より低侵襲な方法で間接的に検出できるようになれば、将来的な胚評価の新たな指標につながる可能性はありますが、それには前向きな検証研究の積み重ねが必要とされています。
研究の強みと限界
本研究の強みは、正常胚と発育停止胚という明確に定義された2群を対象に、染色体の立体構造(Hi-C)と遺伝子発現(RNAシークエンシング)を同一コホートから系統的に取得し、統合的に解析した点にあります。公開データベースを組み合わせた過去の研究に比べて、内部一貫性の高い結果が得られています。
一方で限界もあります。第一に、立体構造と遺伝子発現のデータは同一個体の胚から同時に取得されたものではなく、個々の胚における両者の直接的な対応関係までは示せていません。第二に、「正常胚」は形態的な観察のみで選ばれており、その後さらに培養を続ければ発育が停止した可能性を完全には否定できません。これは通常の顕微鏡観察に本質的な限界があるためで、臨床での胚選別が抱える課題と共通しています。第三に、観察された立体構造の変化がどのようなしくみで生じるのかは今回のデータだけでは特定できておらず、エピジェネティックな異常や染色体異数性、単一遺伝子の異常、細胞分裂の乱れなど、複数の要因が絡み合っている可能性が指摘されています。
おわりに
今回の研究は、ヒト胚が8細胞期で発育を停止する現象について、染色体の立体構造という新しい切り口から、正常胚と発育停止胚の違いを大規模に描き出したものです。発育停止胚では、染色体内の近距離での結びつきが失われ、コンパートメントの区分があいまいになり、TADの境界やループ構造にも乱れが生じていました。あわせて、本来先の段階で働くはずの遺伝子が早期に活性化する一方、ZGAやエネルギー代謝を支える遺伝子群の働きが低下しているという、発育のタイミングの乱れも示されました。これらの知見は、ヒト初期発生の理解を深める資源となるとともに、将来的な胚評価法の改善に向けた検討の土台になり得るものですが、実際の臨床応用に向けては、さらなる前向きの検証研究が必要とされています。
参考文献
1. Cao Y, Tian GG, Hou C, Wang S, Lu Q, Yu S, Zhang M, Sun Y, Wu J. A barrier to human embryogenesis involves dysregulated 3D genome reprogramming and ZGA collapse. Commun Biol 2026. doi:10.1038/s42003-026-10614-0.