がん細胞の接着を回復させる機構 – 理化学研究所

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要旨

理化学研究所(理研)多細胞システム形成研究センター高次構造形成研究チームの竹市雅俊チームリーダー、伊藤祥子研究員と環境資源科学研究センター創薬シード化合物探索基盤ユニットの大貫哲男副基盤ユニットリーダーらの共同研究グループは、大腸がん由来細胞株の細胞間接着の形成を回復させる機構を明らかにしました。

正常な上皮組織[1]の細胞には極性[2]があり、頂端部側で強固に接着して組織の安定性を維持しています。がんが進行すると極性が失われるとともに、細胞間の接着構造が乱れていきます。がん由来の細胞株では、さまざまなタイプの接着異常が観察され、このような変化は、がんの浸潤性や転移能を高める恐れがあります。しかし、この異常を元に戻す治療法は現在のところありません。

今回、共同研究グループは、正常に接着できない大腸がん由来細胞を用いて、約16万種類の化合物の中から細胞の接着を回復させる薬剤を探しました。その結果、細胞骨格の一つである微小管[3]を壊す複数の薬剤に、接着構造を回復させる作用があることを発見しました。微小管重合阻害剤などの薬剤は、微小管の脱重合を介して、RhoA[4]という細胞内シグナルタンパク質を活性化し、次いで、アクチン[5]ミオシン[6]の複合体であるアクトミオシン[7]を細胞表層で収縮させました。この収縮は、細胞と細胞の境界面に「張力」として伝わり、張力に反応して別のアクチン制御タンパク質が細胞境界面に集まり、その結果、大腸がん細胞に、正常に近い接着構造が再形成されることが明らかになりました。

今後、生体における実際のがん細胞が、同様な異常と薬剤反応性を持つかどうかを検討し、さらなる接着回復剤を探索することにより、新たながんの治療法として貢献すると期待できます。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Communications』(11月28日付け)に掲載されました。

※共同研究グループ

理化学研究所
多細胞システム形成研究センター 高次構造形成研究チーム
チームリーダー 竹市 雅俊(たけいち まさとし)
研究員 伊藤 祥子(いとう しょうこ)
客員研究員 西村 珠子(にしむら たまこ)

立体組織形成研究チーム
研究員 奥田 覚 (おくだ さとる)

環境資源科学研究センター 創薬・医療技術基盤連携部門
創薬シード化合物探索基盤ユニット
副基盤ユニットリーダー 大貫 哲男(おおぬき てつお)
テクニカルスタッフ(研究当時) 安倍 昌子(あべ まさこ)
テクニカルスタッフ(研究当時) 藤本 真理(ふじもと まり)

背景

多くの臓器は、「上皮細胞[1]」が強固に接着して形作られています。上皮細胞には頂端部-基底部という極性があり、その頂端部側でカドヘリン[8]カテニン[9]などの結合分子がアクチン繊維と結びついて「接着帯[10]」を作り、これが、他の接着構造(密着結合[10]デスモソーム[11])とともに「接着複合体」を形成します(図1)。

この構造によって、隣り合う細胞同士がシート状につながり、臓器の構造と機能が維持されます(図2上段)。

がんは日本での死因1位を維持し続けている病気です。がんになる細胞の約9割が上皮細胞に由来します。細胞ががん化し悪性化が進むと、秩序正しいシート状の構造が崩れ、浸潤・転移が起きて、しばしば治療が困難な状態に陥ります。がん化した上皮組織の構造変化には、極性が失われるなど、さまざまな要因が絡むと考えられますが、細胞の接着性の変化もその一つです。がん由来の細胞株を調べると、接着帯形成に必要な成分が減少するなどの例が観察されます。細胞間接着の異常により、細胞が遊離しやすくなるため、浸潤・転移を促進する要因の一つと推測されます。しかし、これを抑制する治療法は現在のところありません。

竹市チームリーダーらおよび他のグループによるこれまでの研究から、①大腸がん細胞株の中には、カドヘリン、カテニンを正常に持つにも関わらず、接着帯を形成できない細胞があること、②それらの細胞は特定の薬剤刺激や遺伝子の導入などによって強固な細胞間接着を回復できることが分かっていました注1,2)。しかし、その機構は明らかではありませんでした。共同研究グループはこの機構を明らかにし、細胞間接着回復法が確立されれば、新たながんの治療法として貢献できると考えました。

注1)Aono, S., Nakagawa, S., Reynolds, A.B., and Takeichi, M. p120ctn acts as an inhibitory regulator of cadherin function in colon carcinoma cells. J. Cell Biol. 145, 551-562. (1999)
注2)Keller, M.S., Ezaki, T., Guo, R.J., and Lynch, J.P. Cdx1 or Cdx2 expression activates E-cadherin-mediated cell-cell adhesion and compaction in human COLO 205 cells. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 287, G104-14. (2004)

研究手法と成果

共同研究グループはまず、大腸がん由来細胞株HT29を用い、ハイコンテントスクリーニング[12]によって、約16万種類の化合物の中から、細胞間接着を回復させる作用のある薬剤を探しました。HT29細胞は、カドヘリンなどの細胞間接着分子の発現量は十分であるにも関わらず、なぜか、接着複合体を形成することができません(図2下段)。スクリーニングの結果、124種類の化合物が、接着構造を正常に近い状態に回復させることが分かりました。それらの化合物の構造と作用機序の分析を進めたところ、細胞骨格の一つである微小管の重合を阻害する薬剤が8割を占めていました(図3図4)。

そこで、微小管重合阻害剤がどのような機構によって、HT29細胞の接着を回復させるのかを調べました。その結果、微小管が壊れることにより、RhoAという細胞内シグナルタンパク質が活性化され、これが、細胞の頂端部側の表層においてアクトミオシン(アクチンとミオシンの複合体)を収縮させることが分かりました。アクトミオシンは、筋肉を収縮させるために必要なタンパク質ですが、筋肉以外の細胞でも働きます。微小管重合阻害剤で処理したHT29細胞の表層では、筋肉で形成される縞模様状のサルコメア[13]に似た構造が観察されました(図5)。

カドヘリンの細胞内領域に結合するα-カテニンは、アクチン繊維に連結することが知られています。表層部のアクトミオシン中のアクチンの一部は、細胞と細胞の境界面に濃縮するカドヘリン/α-カテニン複合体につながっていると予想され、アクトミオシンの収縮によって発生した力は、この複合体を引っ張ると考えられます。実際、アクチン繊維のレーザー切断実験によって、この「張力」の存在が確認されました。さらにこの張力に依存して、ビンキュリン[14]というタンパク質が細胞-細胞境界面に集まることが分かりました。集まったビンキュリンが、別のアクチン制御タンパク質を細胞境界面に集結させ、それらの働きにより、細胞間接着が回復することが明らかになりました。浸潤性のがん細胞は力学的に「やわらかい」とされていますが、接着を回復した細胞は、表層が「かたく」なっていることも分かりました。

また、HT29細胞だけでなく、他の複数の大腸がん由来細胞株が、微小管重合阻害剤に反応し、細胞間接着が改善されました。したがって、大腸がん由来細胞に関する限り、共通の機構により接着異常が起きていると推測されます。さらに重要なことは、微小管を壊さなくても、他の方法によりRhoAを活性化すれば、接着が回復することが分かりました。RhoAは正常細胞においても接着構造を維持するために重要な因子とされていますが、一群の大腸がん細胞では、何らかの異常により、接着構造形成のために過剰なRhoA活性を必要とする、と結論づけられました。

以上のことから、細胞間接着に異常がある一部のがん細胞では、微小管重合阻害剤の投与など、何らかの手法によりRhoAの活性を高めることで表層部アクトミオシンの収縮が誘発され、その結果、細胞境界部に張力が働き、これが細胞間接着の回復を引き起こす、という機構が明らかになりました(図6)。

今後の期待

細胞間接着の異常は、がん細胞の異常行動の一因と考えられます。今回の発見を指標として、接着異常を引き起こす原因を究明し、同時に、実際のがんでも細胞間接着を正常化させる方法が開発できれば、新たながんの治療法に貢献すると期待できます。


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