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細胞内の秘密の会話

細胞の機能を担う働き手である細胞小器官同士は、科学者たちがこれまで考えていたよりもはるかに盛んに対話している。

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DR GOPAL MURTI/SPL/Getty

Nature ダイジェスト Vol. 16 No. 6 | doi : 10.1038/ndigest.2019.190614

原文:Nature (2019-03-14) | doi: 10.1038/d41586-019-00792-9 | How secret conversations inside cells are transforming biology

Elie Dolgin

細胞生物学者のJean Vanceが30年前に、細胞内の構成要素に関する基礎的な事象を発見した時、それに大きな関心を寄せた人は誰もいなかった。彼女自身も、最初はその発見を疑ってさえいた。彼女は当時、アルバータ大学(カナダ・エドモントン)で自分のラボを立ち上げたばかりで、1人で研究を行っていた。彼女は、細胞の発電所として働く「ミトコンドリア」と呼ばれる構造の純粋なバッチをラットの肝臓細胞から単離したと考えた。しかし、検査の結果、彼女の試料にはそこにあるべきではない何かが含まれていることが分かった。「大変な失敗をしてしまったと思いました」とVanceは振り返る。

さらに何段階かの精製作業を重ねた後、細胞の内部構造の余分なかけらが、靴の裏に粘着したチューインガムの固まりのように、ミトコンドリアにくっついていることが分かった。もぐり込んでいたのは小胞体の一部だった。小胞体はタンパク質と脂肪分子の組み立てラインである。他の生物学者もこれを観察していたが、準備の際に生じた人工物として重要視していなかった。しかし、Vanceは、ミトコンドリアと小胞体がくっついているのには理由があり、これが細胞生物学の大きな謎の1つを解決するカギとなるかもしれないと気付いた。

Vanceは1990年の論文で、小胞体とミトコンドリアの接触点が脂質合成の「るつぼ」であることを示した1。2つの細胞小器官をくっつけ合わせることによって、これらの接合部は新たに作られた脂肪の輸送の入り口として機能できる。これはミトコンドリアがどうやってある種の脂質を受け取るのかという長年の疑問の答えになるだろう。脂質は小胞体から直接受け渡されるのだ。

しかし、小胞体のガムのような断片は「ただの汚染物質だ」という考え方に凝り固まっていた同時代の科学者の大部分は、そのような結合が細胞にとって重要だという説を受け入れ難く感じていた。「私は何度か発表を行いましたが、人々は懐疑的でした」と、Vanceは言う。

それで終わりだった。だが、約30年経った今、Vanceの論文は画期的な発見と見られている。細胞が混雑した内部状況においてどのように秩序や機能を維持しているかに関して、科学者たちの見解を変えることになった論文として。細胞の内部は、ミトコンドリア、核、そして小胞体など、さまざまなタイプの細胞小器官がやかましく交信し合っているのだ。研究者たちは現在、細胞小器官同士の相互作用はごく普通に行われていて、ほとんど全てのタイプの細胞小器官が自身以外のあらゆるタイプの細胞小器官と緊密に対話している、ということを認めている。また、それらの接続を調べることによって、生物学者たちは、細胞小器官同士を結び付けて、細胞を健康な状態に保つのに必要なタンパク質も発見している。

細胞小器官同士のおしゃべりに関して新たな見方がなされるようになったことで、細胞生物学では劇的な再考が強く求められている。「細胞小器官の間には、これまで全く知られていなかったレベルのコミュニケーションが存在するのです」と、ハワード・ヒューズ医学研究所ジャネリア・ファーム研究キャンパス(米国バージニア州アッシュバーン)の細胞生物学者Jennifer Lippincott-Schwartzは言う。彼女の研究チームはこうした細胞小器官同士の関係を見事な動画として記録した2

画像化技術の進歩のおかげで、研究者たちは今、細胞小器官同士がわずか10~30nm程度の間隙を隔てて接触している様子を見ることができる。これほどの狭い間隙は、最小のウイルスでさえその間をすり抜けるのが難しい。このような接合部は、脂質やイオン、その他の分子を交換するための連絡路となる。しかし、そうした連絡路が壊れると、それに続いて起こる機能異常により、がん、糖尿病、アルツハイマー病など、さまざまな疾患が引き起こされる可能性がある。

最初の接触

細胞小器官同士の接触を垣間見た最初の記録は、Vanceの発見からさらに約40年さかのぼる。1950年代に、フランスの顕微鏡専門家たちが、ラット細胞で小胞体との緊密な接続を作っている瞬間のミトコンドリアの写真を撮影した。しかし、当時の生物学者たちは、それに何か機能があるとは考えなかった。

1960年代から1980年代にかけて、他にも数人の科学者が、小胞体の一部が、細胞の仕分けと輸送のハブであるゴルジ体や細胞の周りをぐるりと取り囲んでいる脂質性の細胞膜などの他の構造と接触するという興味をそそられる手掛かりを観察した。しかし、これらの結合は生物学的な気まぐれであり、細胞内コミュニケーションのルールとおぼしきものに合わない「例外」と考えられた。

ロンドン大学ユニバーシティカレッジ(英国)の細胞生物学者のTim Levineは、「こうした初期の所見は『枠組みから外れたもの』として見過ごされがちだったのです」と言う。過去半世紀の定説では、ほとんどの細胞内輸送は、ミクロの郵便屋として働く小胞と呼ばれる気泡のような袋が担っており、それが1つの細胞小器官から別の細胞小器官へと荷物を運ぶとされていた。

もう1つ別の要素も、初期の手掛かりを主流から外れたところに押しやっていた。一般に、小胞を研究する科学者たちは、カルシウムイオンを介するシグナル伝達を専門とする研究者と交流することがなかったのだ。「接触研究の分野では、研究者間の接触が全くなかったのです」とLevineは言う。

1990年、Vanceの論文はそうした背景の中で発表された。そのため、めったに引用されることがなかったが、10年ほど前にその分野の人々が彼女の研究を再発見したことで事態は変わった。細胞小器官の間で接点を形成する繋留因子と呼ばれる特殊なタンパク質が特定され始めたのもちょうどその頃だった。繋留因子の正体が明らかになったことで、細胞生物学者たちは人工的に連絡部位を作ったり、あるいはそれらを破壊したりすることが可能になり、それにより、さまざまな物質交換の機能を深く掘り下げて調べることができるようになった。

例えば、2009年、現在オックスフォード大学(英国)に所属する細胞小器官生物学者Benoît Kornmannが率いる研究チームは、4個のタンパク質からなるグループを特定した。これらのタンパク質は共同で酵母菌細胞の中で小胞体とミトコンドリアの間の繋留因子を形成する。これらのタンパク質のうちのどれかを除去すると、繋留因子が壊れて、脂質の交換に障害が出て、細胞の成長が遅くなった3

「これは、積極的に繋留因子を探して、これらを操作できることを示した最初の研究成果でした」と、Maya Schuldinerは述べる。彼女はワイツマン科学研究所(イスラエル・レホボト)の酵母菌細胞生物学者で、Kornmannの研究に携わっていた。

つなぎ合わせる

何かが繋留因子であることを証明するのは、なかなか厄介だ。なぜなら、複数の繋留タンパク質が、ジェンガブロックのタワーのように、2つの細胞小器官を結合させていることが多いため、1つのブロックを取り除いても繋留が崩れない可能性があるからだ。

コーネル大学(米国ニューヨーク州イサカ)の酵母菌生物学者のScott Emrは、小胞体と細胞膜の間の接触部位を研究し始めた時、まさにそのような事態に遭遇した。彼の研究チームは最終的に6個の繋留コンポーネントを特定したが、そのどれもが1つで正しく繋留を保持することができた4。彼のチームが結合を破壊できたのは、6個全てのタンパク質を除去した場合だけだった。

細胞内では、タンパク質と脂肪を作る細胞小器官である小胞体(紫)の近くにミトコンドリア(青)が出現する。 | 拡大する

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また、繋留因子を特定する探索は、細胞小器官間の相互作用の精巧なネットワークによっても複雑になる。当初、全ての相互作用は小胞体に関わるものと思われた。しかし、他の結合を記録し始める科学者が出てきた。そして程なく、直接の輸送路が遮断されているときには、細胞は別ルートで積み荷を送れることが判明した。2014年にSchuldinerの研究チームと、オズナブリュック大学(ドイツ)のChristian Ungermannの研究チームがそれぞれ独立に、酵母菌の小胞体とミトコンドリアの間の通常の繋留を壊しても、脂質は裏ルート(空胞)を介して2つの細胞小器官の間をリレー様式で移動できることを発見したのだ5,6。空砲は液体が満たされた袋状構造で、細胞内で食物などの栄養物を格納しておくロッカーとして機能する。

他の研究では、接続のさらに複雑な組み合わせが明らかになった。カリフォルニア大学デービス校(米国)のミトコンドリア生物学者Jodi Nunnariと彼女の当時の共同研究者で細胞生物学者のLaura Lacknerは、少なくとも2つの繋留と3つの細胞小器官(小胞体、ミトコンドリア、および細胞膜)を含む超接触ゾーンを特定した7。「それはまさに、細胞が作り出したある種の機能的なハブに見えます」と、現在はノースウェスタン大学(米国イリノイ州エバンストン)にいるLacknerは言う。「空間的構成が全く違う階層がもたらされたのです」。

機能的接合部

Schuldinerは、これらの全ての接触の発見によって、細胞小器官の相互作用の研究に関心を持つ研究者が増えていると言う。科学者たちは「これらの全ての相互作用にはもっと別の機能もあるに違いない」と考えるようになったのだと彼女は述べる。

最初に明らかにされた機能の1つは貨物輸送であった。Vanceの初期の発見の後、実験によって、細胞小器官の接触は積み荷を交換するために2隻の船の間に架けられる通路のようなものであることが明らかになった。こうした接触部位はコレステロールや油っぽい蝋状物質などの脂肪性分子を運ぶ。この通路を通らなければ、それらの物質は、水っぽい細胞質の海の中でビーズ状になり、排水管に詰まるベーコンの脂のように、細胞内で固まってしまうだろう。

カルシウムや過酸化水素などの水溶性の化合物もこれらの出入り口を通って流れ、これによって細胞は特定の反応を行うためにこれらの分子を集めることができる。例えば、Schuldinerらは2018年、脂肪酸を分解して燃料にするのに必要な分子を濃縮する方法として、ミトコンドリアが時々、細胞の毒素クリーンアップハブである「ペルオキシソーム」とペアを組むことを示した8

また、交易所として機能することに加えて、接続部位は細胞小器官の分割を調節する際にも重要な役割を果たす。これは2011年に明らかになった機能で、コロラド大学ボールダー校(米国)の細胞生物学者Gia Voeltzの研究チームが、酵母菌の切片を画像化して小胞体–ミトコンドリアペアの高分解能の立体モデルを作り上げた9。Voeltzは、小胞体は「手のようにミトコンドリアをつかんで、ぎゅっと絞っているように見えました」と言う。これらの接触点で締め付けられたミトコンドリアは、時間がたつにつれて2つに分割された。

数年後、Voeltzは、分子の積み荷を仕分けして配送するのを助けるエンドソームと呼ばれる細胞小器官の分割を説明する同様の過程を示した10。最初のうちは、ほとんどの科学者が、小胞体とエンドソームの接触が存在していることにすら、またはそれが重要であるということにも疑問の目を向けていたと彼女は言う。「今では、それは明白なこととして受け入れられている」とVoeltz。そして彼女は、それらの接触を撮影した動画が懐疑論者を首尾よく味方に引き入れるのに役立ったと言う。「人々は『おお、これは素晴らしい。全てのものがこれほど統合していて美しいとは、全く思っていなかった』と言いました」。

Voeltzは彼女の最も詳細な動画を従来の電子顕微鏡で撮影した。過去数年間で、画像技術がより高度になり、細胞の全ての接触点をさらに明確に浮き彫りにした。

2017年に、Lippincott-Schwartzはジェネリア・ファームの同僚で顕微鏡専門家のEric Betzigと共同で超分解能光学顕微鏡を使用して、6つの細胞小器官(小胞体、ミトコンドリア、ゴルジ複合体、ペルオキシソーム、リソソーム、および脂肪滴と呼ばれる脂肪沈着物)の間の複雑な相互作用を、万華鏡のようなカラー3D動画として撮影した2。1週間後、エール大学(米国コネチカット州ニューヘイブン)の神経科学者Pietro De Camilliが率いる研究チームが、マウスニューロン内で小胞体がミトコンドリアなどの細胞小器官に接近しようとしているところを撮影した白黒の動画を発表した11

そのような動画による証拠の補足として、Schuldinerとワイツマン科学研究所の細胞生物学者Einat Zalckvarは研究チームを率いて、系統的に酵母菌の全ての接続部位をマッピングし、それらを繋留している分子を明らかにする方法を示した。2018年5月の報告で8、彼らは特殊な蛍光プローブを使用した。このプローブは、合わせるとハートの形になる2個のペンダントチャームのように、2つのかけらが結合すると、蛍光を発する1個のプローブとなる。2つの細胞小器官がぴったりくっついている所では、かけら同士が結合して、プローブは光を発する(図)。

異なる細胞小器官(Organelle)の膜が、2片に分かれた蛍光タンパク質Venus(VNとVC)のどちらか一方でタグ付けされていて、両者が接触点を生じるほど近接すると、蛍光タンパク質が光を発する。 | 拡大する

SOURCE: REF. 8

そして、未発表のフォローアップ研究で、彼らは接触部位に限局する数十個のタンパク質を特定した。一部は繋留因子として機能したが、他のものは接触部分にただ固定されているだけだった。「これらのタンパク質のほとんどは、全く研究されていない」と、Schuldinerは述べ、これらには別の今まで知られていない役割があるかもしれないと示唆する。

エール大学の細胞生物学者Karin Reinisch、De Camilliおよび彼らの共同研究者らによる2017年の研究で、以前には知られていなかった繋留因子の機能の1つがはっきりと示されている。この知見は2型糖尿病の治療に役立つ可能性がある。彼らのチームは、インスリンの分泌に関わるタンパク質がラットの膵臓細胞で小胞体と細胞膜の間の繋留因子として機能することを示した12。細胞小器官の間のカルシウムと脂質の移動を調整することによって、このタンパク質は、血糖値が高くなり過ぎるのを防ぐのに必要とされる急激なインスリン分泌を引き起こすのを助ける。

下手なダンサーたち

ハーバードT.H.チャン公衆衛生大学院(米国マサチューセッツ州ボストン)の代謝病研究者Gökhan Hotamışlıgilは、小胞体とミトコンドリアの関係を官能的でダイナミックなフラメンコの踊りに例える。まさしくダンサーたちのように、細胞小器官は「接触しては離れ、また近づき合って触れ合い、ほんの少しいちゃついて、また遠ざかる」と彼は言う。しかし、病的な肝細胞では、小胞体とミトコンドリアはからみ合った状態のままで、踊りのリズムは緩慢だ。

「あまりエレガントなダンスには見えません」と、Hotamışlıgilは言う。彼は、マウス肝細胞での小胞体とミトコンドリアの過度な接触は、インスリン耐性、糖尿病、および肥満に関連することを示した13。「フラメンコをゆっくり踊ることはできません。だから、ミトコンドリア–小胞体関係が代謝ストレスにさらされるのです」と、彼は付け加える。

接続部位に結合しているタンパク質が次々と明らかになるにつれ、他の疾患との関連が見えてきた。例えば、カルシウム輸送に関わる小胞体–ミトコンドリア連絡部の繋留因子の1つと考えられているミトフシン2は、稀な神経変性疾患であるシャルコー・マリー・ツース病の患者で頻繁に変異が見られる遺伝子によってコードされる。そして、筋萎縮性側索硬化症の一部の遺伝性症例の原因遺伝子であるVAPBは、いくつかの細胞小器官に小胞体を結合させるのを助けるタンパク質を作るためのレシピを含んでいる。

もう1つ別の病気に関連している接触は、アルツハイマー病と診断された患者でも発見されている。アルツハイマー病患者の脳にはアミロイドβタンパク質によって形成されるアミロイド斑が生じている傾向がある。コロンビア大学(米国ニューヨーク)の細胞生物学者のEstela Area GómezとEric Schonは、アミロイドβ前駆体タンパクの特定の誘導体がアルツハイマー病患者の細胞中の小胞体の表面に蓄積することを示した14。C99として知られるこの誘導体は、近接するミトコンドリアとの接続の引き金となり、コレステロール輸送を障害する。

Area Gómezのチームは、マウスとヒトの細胞株を使い、C99によってもたらされた過度の接触の結果産生された代謝物質の独特なパターンを特定した。彼女は今、これらの代謝物質の血液検査によって細胞内の兆候を特定できるかどうかを、アルツハイマー病であること以外は健康な人で調べている。

接続部位が健康状態と病的状態の両方において細胞機能に影響するという証拠が続々と増えているため、何人かの研究者が、細胞内輸送に関するこれまでの知見を大規模かつ新たな形で統合する必要があるという話を始めている。「細胞小器官は単独では機能できません」と、Schuldinerは言う。そして、Lippincott-Schwartzは細胞生物学の胸躍る未来を見ている。「この細胞小器官間コミュニケーションとカップリングの分野は非常に基本的な過程を明らかにすることでしょう」。

しかしまだ、解決すべき細かな技術的問題がある。ほとんどの研究で焦点が合わせられているのは小胞体と他の細胞小器官の間を移動する脂質またはカルシウムだ。これからの挑戦は、全ての接続部位を介して伝達される全てのシグナルを明らかにすることだ。

「ある意味、この分野は先回りし過ぎているのです」と、国立糖尿病・消化器・腎疾病研究所(米国メリーランド州ベセスダ)の細胞生物学者Will Prinzは言う。Prinzは、接続部位が「細胞生物学における大きく重要でほとんど革命的とも言える概念」であることに同意するが、研究しなければならないことがまだたくさんあると言う。「これは、実際に私たちの細胞の見方を変える大変革をもたらすものなのでしょうか?」とPrinzは問う。「裁定はまだ下されていないと私は考えます」。

少なくとも、細胞生物学の教科書を大幅に書き換えるのに十分な証拠がそろっているとVoeltzは言う。彼女は、大学生たちに細胞小器官と膜の輸送に関する授業をしている。使っている教科書は2015年に改訂されてはいるものの、その中で細胞は、20年前と全く同じように描かれている。実際、1896年以来、細胞の内容物に関する教科書の図はほとんど変わっていない。当時、細胞学者エドモンド・ビーチャー・ウィルソン(Edmund Beecher Wilson)が描いた細胞の図では、細胞小器官はそれぞれの細胞内コンパートメントにきちんと収まっている。小胞体やゴルジ体、空胞、エンドソームなどの各細胞小器官はいまだに、絶え間なく抱き合ったり離れたりしながらダイナミックに踊るダンスパートナー同士としてではなく、孤立した存在として示されているのだ。

「描かれている細胞は、実際に見える姿とは似ても似つかぬものです」とVoeltzは言う。「そのイメージを刷新できたら素晴らしいでしょうね」。

(翻訳:古川奈々子)

Elie Dolginは、マサチューセッツ州サマービル在住の科学のジャーナリスト

参考文献

  1. Vance, J. E. J. Biol. Chem. 265, 7248–7256 (1990).
  2. Valm, A. M. et al. Nature 546, 162–167 (2017).
  3. Kornmann, B. et al. Science 325, 477–481 (2009).
  4. Manford, A. G., Stefan, C. J., Yuan, H. L., Macgurn, J. A. & Emr, S. D. Dev. Cell 23, 1129–1140 (2012).
  5. Hönscher, C. et al. Dev. Cell 30, 86–94 (2014).
  6. Elbaz-Alon, Y. et al. Dev. Cell 30, 95–102 (2014).
  7. Lackner, L. L., Ping, H., Graef, M., Murley, A. & Nunnari, J. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, E458–E467 (2013).
  8. Shai, N. et al. Nature Communications 9, 1761 (2018).
  9. Friedman, J. R. et al. Science 334, 358–362 (2011).
  10. Rowland, A. A., Chitwood, P. J., Phillips, M. J. & Voeltz, G. K. Cell 159, 1027–1041 (2014).
  11. Wu, Y. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, E4859–E4867 (2017).
  12. Lees, J. A. et al. Science 355, eaah6171 (2017).
  13. Arruda, A. P. et al. Nature Med. 20, 1427–1435 (2014).
  14. Area Gómez, E. et al. Cell Death Dis. 9, 335 (2018).

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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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