硬組織病態生化学分野

概要

 がんは依然として日本における死因のトップであり、有効な治療法の開発は急務である。近年では腫瘍ががん細胞を中心として血管や間質などの多種類の細胞から微小環境を形成していることが明らかになり、治療の標的も多岐にわたりつつある。我々はがん細胞が悪性化して遠隔臓器へと転移する機構を明らかにすることにより、新規分子標的治療法の開発を目指している。さらに、がん微小環境におけるがん細胞以外の腫瘍血管・リンパ管やがん間質の形成の機構を解明することによって、がんの複合的な新規治療法の開発を試みている。

プロジェクト

内皮間葉移行(EndMT)によるがん間質の形成機構の解明

腫瘍組織における「がん間質」に存在する「がん関連線維芽細胞(CAF)」にはがん細胞の増殖と悪性化を誘導することが明らかとなっているため、その生成機構の解明は重要な意義を持つ。近年CAFの約3割が血管内皮細胞から内皮間葉移行(endothelial-to-mesenchymal transition: EndMT)という過程を経て生成することが報告されたことから、がんの悪性化におけるEndMTの重要性に注目が集まっている。私たちはさまざまな種類の血管内皮細胞が腫瘍微小環境において豊富に存在するtransforming growth factor (TGF)-βにより間葉系細胞へと分化することを見出してきた。現在、TGF-βによるEndMTの誘導を調節する新たな因子の同定を試みるとともに、EndMTにより生成した間葉系細胞において発現するマーカーの系統的探索を行っている。EndMTはがん以外でも心疾患や糖尿病など患者数が多い疾患の悪性化因子であることが明らかとなっているので、得られた知見はこうした疾患の治療法の開発に役立つことが期待される。

腫瘍血管·リンパ管を標的としたがんの進展と転移の抑制への試み

 血管は全身に分布し、末梢組織へ酸素と栄養分を供給したり、組織の老廃物の廃棄などという重要な役割を果たしている。この血管系とは別に組織液の排水路を形成するものがリンパ管であり、末梢組織において毛細リンパ管は血管から漏出した間質液などを吸収し,血管へと戻すことにより体液の恒常性の維持を行っている。一方、がん細胞が増殖する際に必要な酸素や栄養分を供給するために、腫瘍血管の新生は必須である。また、がん細胞が肺や肝臓などの遠隔臓器へ転移する際に血管とリンパ管は主要な経路となる。以上の理由から血管·リンパ管はがん治療の重要な標的となっており、すでに血管内皮増殖因子(VEGF)に対する抗体などは臨床応用されている。しかし、腫瘍によってはVEGFシグナルの阻害が腫瘍血管抑制に有効でない場合もあり、血管・リンパ管形成を調節するシグナルの解明は重要な意義を持っている。我々はTGF-βや骨形成因子(bone morphogenetic protein:BMP)が血管·リンパ管の形成を調節することを報告してきた。現在はBMPシグナルを抑制するツールの開発などを通じて、これまでの基礎研究の成果を応用に活かしていくことを試みている。

がん細胞の悪性化機構の解明

 がん微小環境において豊富に存在するTGF-βは、がん細胞の上皮間葉移行(Epithelial-Mesenchymal Transition:EMT)を引き起こすことにより、がんの悪性化、特にがん細胞の浸潤·転移を促進することが明らかとなっている。口腔がんにおいても、遠隔臓器への転移は予後不良因子であるが、その悪性化機構には未解明な部分が多く残されている。我々は、様々な培養細胞そして個体レベルの解析を通じて、口腔がんの悪性化機構を明らかにし、新たな治療標的を同定することを試みている。

細胞内分解反応および代謝・増殖の司令塔としての機能を担うリソソーム膜の構築の分子基盤

 リソソームは、細胞内での分解反応をおこなうために特殊化された細胞内小器官である。さまざまな加水分解酵素を含むリソソームが、ファゴソーム、エンドソーム、オートファゴソームと融合することにより、それらの内容物が分解される。リソソームの機能はエネルギーや必須栄養素の獲得、生体防御、不要物の処理などの細胞の恒常性維持に必須である。さらにリソソームは、細胞のエネルギー獲得状態を感知し、細胞増殖もしくは栄養獲得(リソソーム自身の形成やオートファジーの亢進)への方向を決定する。臨床的には、リソソームの機能不全は、進行性の重篤な影響をもたらし、特に神経系、骨、結合組織において顕著である。リソソームの分解反応の主役は加水分解酵素であるが、リソソーム膜に存在する分子もリソソームの挙動に重要である。Lysosome-associated membrane protein-1/2(以下LAMP-1,LAMP-2と略記)はリソソーム膜に最も豊富に存在する1回膜貫通型の糖タンパク質である。タンパク質のほとんどの部分はリソソーム内腔側に存在し、高度に糖鎖付加されている。LAMP-1とLAMP-2の両方を欠損するマウスは胎生致死、LAMP-2単独欠損マウスは組織へのオートファゴソーム蓄積を起こし短命、LAMP-1単独欠損マウスはおおむね正常である。そこでLAMP-1とLAMP-2の機能は相互に代償する部分はあるものの、LAMP-2の方がより重要な役割を担うことが示唆される。ところがLAMP-1とLAMP-2の構造の差違に関する知見は全く得られていなかった。
 LAMP-1とLAMP-2のリソソーム内腔側の部分はいずれも二つのドメインから形成される。今回私達は、それらのドメインがβ-シートから形成される三角柱の構造(β-prism)であることを明らかにした。また二つのドメインのうちの片方(N 末側)を欠損させると、LAMP-1同士のアセンブリはほぼ消失したのに対して、LAMP-2同士のアセンブリは顕著に亢進された。この結果はLAMP-1とLAMP-2の多量体化の様式が異なることを示唆する[Biochemical and Biophysical Research Communications 479,489-495(2016)]。

ヘパラン硫酸プロテオグライカンを介したロジスティックス

 増殖因子、サイトカイン、リポタンパク質、核酸、エクソソーム、病原体などがHSPGs依存的にエンドサイトーシスされる。さらに、HSPG依存的なエンドサイトーシスは、腫瘍の進行にも関与しているとされている。HSPGsによる輸送の意義を理解するためには、HSPGsによる細胞内への輸送にも着目する必要がある。HSPGsの小胞形成、小胞輸送への関与の分子基盤を明らかにすることは、細胞外マトリックス研究の新たな展開をもたらす。我々は、ラットC6神経膠腫細胞株モデルを用いた研究を行い、HSPGの存在下で形成された輸送小胞の特徴を調べた。HSPGが形成する輸送小胞を単離し、プロテオーム解析を行い、小胞輸送に関連する80以上のタンパク質を同定した。その結果は国際雑誌、Cancer Genomics & Proteomics,2016,13,443-452にて報告した。

汎低重力環境における小型霊長類コモンマーモセットの行動観察

 将来の火星居住プロジェクトなどの深宇宙開発計画では、宇宙空間の無重力だけでなく、1Gと0Gの間の広範囲な低重力Partial Gravity環境の中で3年以上にわたる長期間の地球外生活を余儀なくされ、生体適応性や社会行動性が重要な課題となる。人類が地球を離れて他の惑星で本格的に活動する前には、まずモデル動物を使った実験を行い、長期間惑星フライト条件が生体に及ぼす影響を網羅的に調べ、安全性を確かめておかなければならない。従来の宇宙実験ではラット·マウスがもっとも多く使用されているが、彼らの寿命はせいぜい3年しかないので、惑星フライトのような超長期の宇宙飛行には適さない。我々は、ヒトと同じ真猿類に属し、平均寿命15年のコモンマーモセットの雌雄8頭を用いた初めてのPartial Gravity実験をJAXA宇宙環境利用専門委員会に提案し、採択され、2016年2月に実施された。航空機放物線飛行によって火星表面重力(0.38G)、月面重力(0.16G)、無重力(0G)をシミュレートするPartial Gravity条件が創製され、各低重力条件に対するコモンマーモセットの姿勢·行動、「宇宙酔い」space motion sickness(SMS)などの個体応答性や、鳴き交わしなどの社会行動性が調べられた。コモンマーモセットは重力の低下に伴い、四足歩行時(臥位)で肩関節屈曲や股関節外転の拡大による安定な姿勢を維持し、特に0~0.16Gのような一段と低い重力環境では、身体を低くして腹這い状態(creep)で、姿勢を維持しようとする応答が観察された。ラットやマウスの低重力曝露時に観察された屈曲/伸展の典型的な姿勢行動パターンが、コモンマーモセットでは明確に認められず、代わりに四足/二足の多様な低重力応答性の姿勢行動が観察された。特に繰り返し低重力曝露によって、四足から二足歩行へ移行して、立位で姿勢を保持しようとする傾向が特徴的に観察された。また、4回目の低重力曝露では、肩関節や股関節の屈曲の大きさは1回目の低重力曝露時に比して半分以下に減少しており、低重力に対する「慣れ」効果が認められた。雄のコモンマーモセットでは、低重力曝露の直前あるいは直後にSMSが惹起されることが多く、低重力曝露中はむしろ、SMS発症が減少した。これに対して雌のコモンマーモセットでは、低重力を曝露された以降に、SMSを発症する傾向にあることが示された。また、コモンマーモセットでは、雌雄を問わず、ラットやマウスの10倍以上で、ヒトとほぼ同程度のSMS発症頻度を示したことから、ヒトのSMS研究モデルとしての有用性が示唆された。

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