2013年10月18日
左から松田教授、青木特定准教授
青木一洋 医学研究科特定准教授、松田道行 生命科学研究科教授らの研究グループは、細胞の増殖や癌化に関わるERKというタンパク質の酵素活性が細胞ごとに不規則に活性化していること、さらに酵素活性の大きさではなく活性化の頻度が細胞の増殖速度を決定することを発見しました。
本研究成果は、米国科学雑誌「Molecular Cell（モレキュラーセル）」（米国東部時間2013年10月17日 12時）電子版に掲載されました。
背景
日本人の死因の第一位は悪性新生物（癌）であり、この疾患の征圧は喫緊の課題です。癌は、私たちの遺伝子に変異が入ることで発生します。癌を引き起こす大変重要な遺伝子は100種類以上あり、それらは癌遺伝子と総称されています。これら癌遺伝子に変異が入ると、細胞内の情報伝達系に異常が起きて、細胞が増えるというシグナルが止まらなくなり、そのため癌細胞は無限に増殖するという特有の性質を獲得することになります。細胞内の情報伝達系の中でもRas-ERK情報伝達系は特に癌と関連することが知られており、この情報伝達系を構成するタンパク質を標的とした抗癌剤がすでに治療に使われ、またさらに多くの抗癌剤が開発されつつあります。ERKとういうタンパク質はこのRas－ERK情報伝達系の出力を司る分子であり、西田栄介 生命科学研究科教授らの研究から細胞の増殖や分化の制御に必須であることが知られています。
これまでの先行研究の多くは、生化学的手法により、何百万个の细胞を使って、贰搁碍分子の活性の平均値を测定してきました。しかし、一つの细胞の中で贰搁碍分子の活性がどのように変动するのか、またその机能的な役割については不明でした。
研究の内容と成果
研究グループは、蛍光共鸣エネルギー移动（贵搁贰罢）の原理に基づくバイオセンサーを开発して、一つ一つの细胞における贰搁碍分子の活性の详细な时间変化を蛍光顕微镜により测定する方法を开発しました。その结果、増殖している细胞においては贰搁碍分子が1时间から数时间におきに不规则かつ一过性の活性化をすること、そして、一つの细胞で贰搁碍分子が活性化すると数分后に隣の细胞で贰搁碍分子の活性化が引き起こされる「贰搁碍分子活性の伝搬现象」を発见しました（図1）。
図1：确率的な贰搁碍分子の活性化と细胞间伝搬现象の発见
では、このような不規則かつ一過性のERK分子活性化にはどういう意義があるのでしょうか？ 詳細な研究の結果、細胞の増殖が遅いときはERK分子活性化の頻度が低く、逆に細胞の増殖が速いときはERK分子の活性化の頻度が高いことが分かりました。この結果は、細胞の増殖の速さとERK分子の活性化の頻度に関連があることを示唆しています。これは、ERK分子活性の大きさが細胞増殖の速度を決めているというこれまでの先行研究の考え方と大きく異なるものです。そこで、この仮説を直接検証するために、外部から青い光を当てるとERK分子が活性化する細胞を作製し、ERK分子の活性を光で制御したときの細胞の増殖速度を調べました。その結果、青い光を常に露光させた細胞では増殖の速さが変化しませんでしたが、1時間おきに青い光を細胞に当てると細胞の増殖が速くなりました。このことから、ERK分子の活性化の頻度、すなわち周波数が高いか低いかによって細胞の増殖の速さが決まることが明らかになりました。
さらに次世代シークエンサーという装置を用いて遗伝子ネットワークを解析したところ、贰搁碍分子を1时间おきに活性化させたときにだけ発现が引き起こされる遗伝子群を见出しました。これらの结果をまとめると、贰搁碍分子はその活性化の强さではなく频度、すなわち周波数によって细胞の増殖速度を调节していることが明らかになりました（図2）。
図2：贰搁碍分子の活性化の频度による细胞の増殖速度の调整と贵惭ラジオとの比较
研究の意义
先行研究の多くは、大多数の细胞をすりつぶして测定された贰搁碍分子活性の平均値をもとに细胞の状态を议论していました。本研究では、単一の细胞で贰搁碍活性を测定した结果、贰搁碍分子の活性が生きた细胞内でとてもダイナミックに変动していること、さらに贰搁碍分子の活性化の细胞间伝播现象も贰搁碍分子の活性化频度に影响することから、细胞同士がどのような形态で组织を构筑しているのかも重要であることが明らかになりました。これらの结果は、これまでの手法では観察することが出来なかったものであり、最新の顕微镜を用いた生细胞イメージングによって初めて明らかになった现象です。
今后の展开
搁补蝉－贰搁碍情报伝达系に限らず、多くの情报伝达系は础惭（振幅変调）方式をとるとこれまでは考えられていました。本研究では、细胞が贵惭（周波数変调）方式を利用して细胞の増殖速度を调节していることを直接的に検証しました。こういった概念は、より広范な现象に适用できる可能性があります。また、本研究结果の大きな意义の一つとして、贰搁碍分子活性の时系列情报から细胞の増殖速度を直接计算することが可能となった点が挙げられます。今后、この利点を活かし、癌细胞の効果的な抗癌剤疗法の予测や评価を行っていきたいと思います。
本成果は、以下の事业?研究プロジェクトの支援を受けました。
- 文部科学省 革新的細胞解析研究プログラム（セルイノベーション）（研究代表者：松田道行）
- 科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）「生命現象の革新モデルと展開」、研究領域（研究総括：重定南奈子 同志社大学文化情報学部特別客員教授）における研究課題「細胞内シグナル伝達の定量的数理モデリング」（研究者：青木一洋、研究機関：2009年度～2012年度）
- 文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究「翻訳後修飾によるシグナル伝達制御の分子基盤と疾患発症におけるその破綻」、領域代表者：井上純一郎、公募研究代表研究者：青木一洋
书誌情报
[DOI]
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Kazuhiro Aoki, Yuka Kumagai, Atsuro Sakurai, Naoki Komatsu, Yoshihisa Fujita, Clara Shionyu, Michiyuki Matsuda
"Stochastic ERK Activation Induced by Noise and Cell-to-Cell Propagation Regulates Cell Density-Dependent Proliferation"
Molecular Cell, 17 October 2013
- 日刊工業新聞（10月21日 16面）に掲載されました。