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細胞をつなぐナノチューブ

1999年に報告された、細胞から細く長く伸びるワイヤー状の管。これまで評価されていなかったこの細胞間連絡は、がん細胞や細菌にも利用され、それらが広がるのを助けている可能性が出てきた。

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KARINE GOUSSET/CHIARA ZURZOLO/PASTEUR INSTITUTE

Nature ダイジェスト Vol. 14 No. 12 | doi : 10.1038/ndigest.2017.171219

原文:Nature (2017-09-21) | doi: 10.1038/549322a | How the Internet of cells has biologists buzzing

Monya Baker

自分はショウジョウバエの精巣のことを隅から隅まで知っていると、ミシガン大学(米国アナーバー)の発生生物学者、山下由起子は思っていた。ところが、この器官について一連の実験を行った彼女は、得られた結果にひどく困惑した。5年前のことだ。彼女の研究チームはそれまで、ショウジョウバエで精子の供給を維持する仕組みを調べており、この過程で特異的なタンパク質群の生産を担う特定の細胞群を遺伝子操作していた。ところが、遺伝子操作した細胞内で生産された一部のタンパク質が、全く異なる細胞群に「テレポート」したように見えたのだ。

山下は、共に研究していた博士研究員の稲葉真弓と、この現象を「謎の輸送(mysterious trafficking)」と呼んだ。彼女らはこの現象が現実のものだと確信したが、どのような仕組みでそうなるのか突き止められなかったため、このプロジェクトをひとまず棚上げした。1年以上経ったある日、山下のところへ稲葉が細胞の画像を何枚か持ってきた。そこには、1個の細胞から別の細胞へと伸びる微小な管が写っていた。これらの微細な構造が、例の謎の輸送を担っているとも考えられた。山下は懐疑的だったが、自分が博士研究員だった12年前に手掛けていたプロジェクトで撮った画像を掘り返してみようと思い立った。すると案の定、相手の細胞に向かって伸び出た細い突起構造が見つかった。「本当に目を見張りました」と山下は回想する。彼女らは研究結果を2015年に発表し、これらの微細な管(山下らは「微小管依存性ナノチューブ」と名付けた)が精巣細胞同士の正確なコミュニケーションを助けており、一部の隣接細胞にはメッセージを送るがそれ以外の細胞には送らないことを示した1。「タンパク質が往来しているとは思っていましたが、実際に輸送路があるとは思っていませんでした」と山下は話す。

山下らが見つけたナノチューブは、細胞間の「不可解な管路」のカタログに加えられた。このカタログは徐々に拡張している。哺乳類で見つかったさらに長いチューブは、分子シグナルだけでなく、それよりはるかに大きいウイルス粒子やプリオン、さらには細胞のエネルギー生産構造であるミトコンドリアさえも運ぶとみられている。これらの観察結果は、細胞間に予想外の連絡路があることを示唆していると、ハイデルベルク大学(ドイツ)の神経生物学者で、約20年前の大学院生時代にこの種のチューブに最初に気付いたAmin Rustomは話す。もしこうした予想が正しければ、「医学的応用や生物学のあらゆることが変わってしまうでしょう。生体組織に対する見方が変わってしまうのですから」と彼は言う。

しかし、ノースカロライナ大学チャペルヒル校(米国)の細胞生物学者Richard Cheneyは、教科書を訂正しようという気持ちには至っていない。Cheneyはずっとこのテーマを追いかけており、Rustomの博士号取得時の指導教官とも一時期、共同研究をしたことがある。長くて細い細胞突起があちこちに伸び出ていることには疑問の余地がない、と彼は話す。問題は、それらが何をやっているかだ。細胞が互いに突起を伸ばし、接触した際に単純なメッセージを送るのだろうか。それとも、開通させて大規模な輸送を促進しているのだろうか。「これらのチューブが行っているのはおそらく、接触によるシグナル伝達ではないかと考えています。これなら、州間高速道路のような上下車線による物資輸送と違って、分子のコピーを大量に必要としませんから」と彼は話す。

どちらにしても、問題はこれらの微細なチューブの研究が難しいことだ。これらの存在を示すことさえ大変なのだから、実際に何かの機能を果たしていることを示すとなればもっと難しい。山下は、ショウジョウバエで使える十分に試行された遺伝子操作法と十分に特性解析された遺伝子を用いて、問題の微細なチューブが直接的な接触によってシグナルを伝達していることを示した。しかし、哺乳類細胞で微細なチューブを探す研究者らには、そうした研究資源がない。ペトリ皿に付いた引っかき傷を、細胞が作り出したナノチューブだと勘違いしていると非難された研究者も1人や2人ではない。実際の哺乳類組織から得られた証拠はひどく少ないのだ。

それにもかかわらず、こうしたナノチューブへの関心は近年大きく高まっている。その存在を信じる1人が、大手製薬会社グラクソ・スミスクライン社(GSK;英国スティーブニッジ)のエマージングプラットフォーム部門主任のGeorge Okafoだ。彼は、アルツハイマー病やパーキンソン病、マラリアなどの疾患や、HIVやプリオンによる感染症の治療が非常に難しい理由が、細胞から細胞へ伸びる突起構造の存在によって説明できるのではないかと考えている(「細胞の有線接続」参照)。「従来の多くの治療で標的にされていない特性があります。それは、疾患が細胞から細胞へ広がる仕組みです」。

2016年9月、Okafoは招待者限定の会議を開催し、GSKのスタッフとこの分野の研究者約40人を一堂に集めた(彼は現在、この会議の参加者の何人かと共同研究を行っている)。2017年3月には米国立衛生研究所(NIH;メリーランド州ベセスダ)が、ストレスを受けた細胞か、がん化した細胞で細胞小器官が連絡し合う方法を調べている複数の研究グループに、助成金を申請するよう求めた。この動きは、細胞膜ナノチューブに熱心に取り組んでいる人々を大いに喜ばせた。また、米国細胞生物学会も2017年12月の年次総会でこの話題をテーマにしたセッションを設ける予定である。

細胞の有線接続
培養で増殖するマウス神経細胞。連続切片から3Dで再構築したもの。幅わずか200nmのチューブを通じて連結し、そこがタンパク質の塊の通り道となっている。 | 拡大する

CHIARA ZURZOLO/PASTEUR INSTITUTE

細胞の長距離パイプライン

一部の細胞が自らを別の場所へ移動させるために、一時的な足場としてワイヤー状構造を伸ばすことは分かっている。そうした構造が何かもっと複雑なことに関与している可能性について、最初の重要な手掛かりを1999年にもたらしたのが、カリフォルニア大学サンフランシスコ校(米国)の細胞生物学者Thomas Kornbergだ。彼はハエ幼虫で翅の発生を観察していて、翅芽から、それらの成長に不可欠なシグナル伝達センターに向かって伸びるたくさんの繊維構造を見つけたのである2。Kornbergは、これらの繊維を記述するのに「サイトネーム(cytoneme;細胞の糸の意)」という言葉を作り出した。彼は、物理的な拡散によって起こると考えられていた細胞同士の「おしゃべり」の一部が、実はサイトネームによって調整されている可能性があると示唆した。この考え方は非常に意外なものだったため、受け入れられるのに時間がかかったが、今では教科書にも載っている。

2004年には2つの研究チームがそれぞれ独自に、さらに革新的な観察結果を報告した。哺乳類細胞に存在するナノチューブ内を、細胞小器官や小胞などの貨物が行き来しているらしいというのだ。その一方の研究チームのRustomは、実験で洗浄手順を忘れ、その後に、培養ラット細胞同士をつなぐ細くてまっすぐな管に気付いた。彼と、指導教官であるハイデルベルク大学のHans-Hermann Gerdesは、細胞を遺伝子操作して蛍光タンパク質を作らせ、細胞から細胞への蛍光分子の移動を調べた。彼らはこの偶然の観察結果をもとに、後にScienceに掲載される論文3を書き上げ、それらの構造を「トンネルナノチューブ(tunnelling nanotube;TNT)」、貨物が行き交う様子を「ナノチューブハイウエー(nanotubular highway)」と記述した(懐疑派の中には、Gerdesが「ナノチューブ」という言葉を選んだのは、材料科学で話題のカーボンナノチューブの人気に便乗したのだろうと考える人々もいた)。

同じく2004年に、ロンドン大学インペリアルカレッジ(英国)のDaniel Davisのチームが「細胞膜ナノチューブ(membrane nanotube)」のネットワークについて報告した4。細胞膜でできた糸状構造が細胞数個分の長さにわたって伸び、異なる種類の免疫細胞をつないでいて、ある細胞が作った脂質が別の細胞の表面に現れたというのだ。この発見は、観察されたことの意味を徹底的に考えようとしたチームの意欲のおかげだとDavisは考えている。「その構造を観察したことが重要なのではありません。何を深く掘り下げて調べようとするかが重要なのです」と彼は話す。彼のチームはその後、内部に小胞やミトコンドリアを含むものと、細菌が周囲を伝って「サーフィン」していくものという、異なる種類のナノチューブを報告した5

一方、他の研究チームからも、ニューロンや上皮細胞、間葉系幹細胞、数種類の免疫細胞、多くのがんで、細胞同士をつなぐナノチューブが報告された。また、さらなる種類も見つかった。2010年にGerdesのチームが、ギャップ結合(細胞接着部位に形成されるチャネル)に終着するナノチューブがあることを報告したのだ6。つまり、電気信号を送るニューロンに似た能力を細胞に与え、ペプチドやRNA分子の伝搬も可能にするゲートウエーが存在するということだ。山下は、そうした接続構造がニューロンのシナプスに似ているのは単に概念上のことだけにとどまらないのではないかと考えている。「まず細胞膜の突出構造が進化し、高等生物がそれらの構造を改良し始めて、もっと複雑な機能のためにニューロンを作り出したのかもしれません」と彼女は話す。

こうした細胞の「パイプライン」を研究する研究者の多くは、その進化的起源よりも、ヒトの健康や疾患で果たす役割の方に興味を持っている。疾患への関与を示す最強の証拠は、2015年に、同じくハイデルベルク大学のがん研究者Frank Winklerが率いるチームからもたらされた。他チームと同様に彼のチームも、当初は細胞の突出構造を研究するつもりではなかった。ヒト神経膠腫の増殖を観察するための系を試験しようとしていたのだ。神経膠腫由来の細胞を、頭蓋骨に窓を開けたマウスの脳内に注入し、その窓に強化ガラスを歯科用セメントで固定して、注入した細胞の様子をガラス越しに観察するという試験だった。

この試験でWinklerらは、神経膠腫細胞が浸潤の際に前方へ管状の膜突起を伸ばすことを観察した。さらに詳しく観察したところ、多くの細管がギャップ結合を介して腫瘍細胞同士を接続しており、接続し合った細胞は、単離して孤立した腫瘍細胞だと死んでしまう量の放射線を照射しても生き残れることが明らかになった7。これはどうやら、有害イオンを隣接細胞に分散させるのにギャップ結合が役立っているためらしい。接続し合った腫瘍細胞が放射線照射で死ぬと、場合によっては、それらの細胞の核が1本の細管へ進入し、やがて、その細管が開けた空間へと伸びて、1個の新たながん細胞が形成されることがある。こうした「腫瘍細管(tumour microtube)」は患者の生検でも見つかり、細管の密度の高さや長さは、がんの抵抗性の高さや予後不良と相関していた。こうした細管の発芽や伸張を防げるような薬剤があれば、新たながん治療法を生み出せるのではないかとWinklerは考えており、パクリタキセルといった既存の抗がん剤も実は、腫瘍細管を破壊することで効力を発揮しているのではないかとみている。Winklerのチームはすでに、神経膠腫の治療薬として腫瘍細管の伸張を妨げる化合物の特許申請書を提出済みである。

Winklerのこの研究は人々の心を引き付けた。「影響力の大きい論文でした。これ以前にはまだ、こうした細管形成現象が果たして生体条件下で起こるものなのか疑問視する人々がいたのです」とOkafoは振り返る。ただし、Winklerの研究結果が他のシナリオにも当てはまるかどうかは不明だ。さまざまな種類の脳細胞が、成長したり増殖したりする際に細胞突起を伸ばすことが分かっている。Winklerのチームが報告した腫瘍細管は、Gerdesが最初に報告したトンネルナノチューブよりもずっと長く、また、これまで報告された大半のトンネルナノチューブと違って、微小管(細胞内成分をあちこち移動させる繊維構造)を含んでいる。しかしWinklerは、トンネルナノチューブ様の構造が幅広い役割を持つことを示す証拠が、自らの研究から得られると考えている。こうした構造は、培養条件下では完全なサイズに達しないのではないかと彼は考えており、実際に彼が観察したナノチューブも長さや太さにかなり幅がある。Winklerは、2013年に死去したGerdesと自身の研究について議論したときのことを覚えている。「『ナノチューブの研究者たちは、この研究の成果を待っているよ』と彼は言ってくれました。その言葉はまさに、我々が成果を出せると彼が思っていてくれたことの証しでした」。

細胞膜ナノチューブは他の分野でも関心を集めている。ラトガーズ大学医学系大学院(米国ニュージャージー州ニューアーク)でHIVを研究するEliseo Eugeninは、HIV感染細胞が未感染細胞へ、ウイルスの詰まったナノチューブを多数伸ばすことを示唆している。新たに感染した患者で見られるHIVの急速な増殖が、体液の循環や1対1の細胞接触といった非効率的な仕組みに頼っているとは思われないからだ。「計算ではうまくいかないのです」と彼は話す。他の研究者がナノチューブの存在を信じようとしないのは、細胞同士が遺伝情報を含む物質や成分を絶えず交換しているという考え方を受け入れられないからだと彼は考えている。「細胞の定義が崩壊してしまうから、人々はこれらのナノチューブの存在を信じないのです。細胞の定義を変える必要が出てきますからね」とEugeninは話す。

戦いは続く

腫瘍細胞同士は細管でつながっていて、放射線治療で細胞に生じる有害イオンを分散させている可能性があるという。 | 拡大する

SPL-STEVE GSCHMEISSNER./Brand X Pictures/Getty

細胞の定義が危うくなるのだから、ナノチューブに対する懐疑的な見方が依然として強いのも無理はない。ミネソタ大学(米国ミネアポリス)のがん研究者Emil Louは、ヒトがんのナノチューブを探し出して特徴を明らかにするための研究助成金を申請したが、1人の審査官がナノチューブの存在を信じていなかったために取り合ってもらえなかったと話す。

また、ナノチューブが存在するのはペトリ皿の中の特別な世界だけだと言う研究者もいる。オックスフォード大学(英国)の免疫学者Michael Dustinは、ペトリ皿内の細胞が、生体内の密な組織では決して生じないような構造を作るのを見たことがあると話す。例えば、抗体を産生できる状態になったペトリ皿内の白血球は、顕微鏡で見ると「きれいに対称な」ドーナツ状のパターンを作り出すが、これは生体内で見られる無秩序で非対称なパターンとは大きく異なっている。

さらに、機構についての粗探しもある。一部のナノチューブ研究者は、管の両端が開放状態で積荷が出入りすると考えている。しかし、それでは細胞質が混ざって細胞の融合が起こってしまうだろうと、ハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア研究キャンパス(米国バージニア州アシュバーン)の細胞生物学者Jennifer Lippincott-Schwartzは話す。「連結していると考える人々は、何人かの生物物理学者と話し合ってみる必要があります」と彼女は言う。両端が開放状態なのではなく、細胞膜ナノチューブが突き出し、受容側の細胞も突起を伸ばして相手のチューブの中身を取り込める最小限の接触を生じているのではないかと彼女は考えている。

細胞膜ナノチューブの末端に関する見解の不一致が、この研究分野における厳密性の欠如の一因になっている可能性がある。パスツール研究所(フランス・パリ)の細胞生物学者Chiara Zurzoloは、プリオンなどの神経変性タンパク質がナノチューブを通って移動することをすでに明らかにしている。彼女によれば、研究論文の多くが、例えばチューブの末端が閉じているのか開いているのか、また、そのチューブによって小胞などの成分の移動が可能になっているかどうかを明らかにしようとしていないのだという。チューブの種類は急激に増えていて、付けられる名称もさまざまであり、そのため首尾一貫した議論が難しくなっている。「これらの突出構造の呼び方を厳密に定める必要があります。現時点ではひどく混乱しているのです」とZurzoloは話す。

しかし、生きている細胞の明瞭な画像を得ることが、意味論に対する切り札になるだろうと、カリフォルニア大学アーバイン校(米国)の細胞生物学者Ian Smithは話す。「この分野で本当に必要なのは、ナノチューブ過程の直接的な可視化です」と彼は言う。大半の顕微鏡技術では、たとえ培養細胞であっても、活動中のこれらの構造を明瞭に捉えることはできない。Smithは現在、光の面をモニターして3D画像を構築する格子光シート顕微鏡8を使って、細胞膜ナノチューブを可視化する手法を開発中である。この手法で、細胞から細胞へ物質が運ばれる過程を最初から最後まで捉えたいと彼は考えている。Smithは、自分の研究者としてのキャリアを危険にさらしていることを認めている。最近、1人の同僚から、この研究領域は「異端的な」ものだと忠告された。しかし彼は、これをリスクではなくチャレンジだと捉えている。

Louは現在、細胞膜ナノチューブに対する懐疑的な風潮が変わりつつあることを心強く思っている。最初の頃、この構造は人工的な産物もしくは光学的な錯覚だと言われたことを彼は思い起こす。「やがてそれが徐々に、『ペトリ皿でナノチューブができるからといって、生物学の全てに関わってくるわけではない』となり、次に『おそらくナノチューブを誤認しているか、あるいは特性評価を誤っている可能性がある』となりました」。彼はこうした風向きの変化をうれしく思っている。「細胞膜ナノチューブを治療の標的として真剣に考えるべきだと思います。こんなこと、5年前には口に出せませんでしたよ」。

(翻訳:船田晶子)

Monya Bakerは、米国カリフォルニア州サンフランシスコ在住のNatureのライター。

参考文献

  1. Inaba, M., Buszczack, M. & Yamashita, Y. M. Nature 523, 329–332 (2015).
  2. Ramírez-Weber, F. A. & Kornberg, T. B. Cell 97, 599–607 (1999).
  3. Rustom, A., Saffrich, R., Markovic, I., Walther, P. & Gerdes, H.-H. Science 303, 1007–1010 (2004).
  4. Önfelt, B., Nedvetzki, S., Yanagi, K. & Davis, D. M. J. Immunol. 173, 1511–1513 (2004).
  5. Önfelt, B. et al. J. Immunol. 177, 8476–8483 (2006).
  6. Wang, X., Veruki, M. L., Bukoreshtliev, N. V., Hartveit, E. & Gerdes, H.-H. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 17194–17199 (2010).
  7. Osswald, M. et al. Nature 528, 93–98 (2015).
  8. Planchon, T. A. et al. Nature Methods 8, 417–423 (2011).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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