広報活動

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2015年12月18日

理化学研究所

肺の細胞が自ら歩いて集まる様子を撮影

-呼吸器学者の長年の疑問を解明-

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呼吸器形成研究チームの森本充チームリーダー、野口雅史研究員らの研究グループは、呼吸器学者の間で40年近く謎とされていた、神経内分泌細胞(NE細胞)[1]が気管支の分岐点に規則正しく配置され、クラスター(塊)を形成するメカニズムを解明しました。

私たちが吸い込んだ空気(吸気)は気管と気管支を通って肺胞に到達します。肺胞では血中の酸素と二酸化炭素のガス交換が行われますが、気管と気管支はたくさんの分岐によって吸気を分散することで、より広範囲の肺胞に吸気を送りガス交換の効率を上げています。加えて、気管と気管支は呼気に混ざった異物を体外に排出する浄化装置としても機能しています。NE細胞は気管と気管支の上皮細胞の1種で、酸素濃度のセンサーや幹細胞ニッチ[2]としての機能が知られていました。さらに肺がんの1種である小細胞肺がんの起源になるなど、疾患との関連も指摘されています。NE細胞の分布はユニークで、気管支の分岐点付近に小さなクラスターを作って、いつも規則正しく配置されています。しかしこのNE細胞の分布については40年近く前に報告されて以来、分布パターンが形成されるメカニズムは解明されていませんでした。

今回研究グループは、マウスの胎児肺の細胞分布を3次元およびリアルタイムで高解像度に画像解析する技術の確立に成功しました。この技術を使ってNE細胞の挙動を解析した結果、NE細胞がNotch-Hes1シグナル[3]によって限定的に細胞分化し、その後、自ら歩いて移動し、気管支の分岐点に規則正しく配置されクラスターを形成する一連の過程が明らかになりました。

NE細胞を起源とする小細胞肺がん細胞は転移能が高いことが知られているため、「NE細胞が自ら歩いて移動する」という今回の知見は、細胞の生物学的性質と病理的な現象を結ぶ上で重要と考えられます。将来、細胞移動の分子メカニズムが解明され、小細胞肺がんとの関係について理解が進むことで、新しい治療薬の開発へつながると期待できます。

本研究は、米国の科学雑誌『Cell Reports』(12月29日号)に掲載されるのに先立ち、オンライン版(12月17日付け:日本時間12月18日)に掲載されます。

※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 呼吸器形成研究チーム
チームリーダー 森本 充 (もりもと みつる)
研究員 野口 雅史 (のぐち まさふみ)

生命システム研究センター 細胞デザインコア 合成生物学研究グループ
高速ゲノム変異マウス作製支援ユニット
ユニットリーダー 隅山 健太 (すみやま けんた)

背景

私たちは肺を使った呼吸により血中の酸素と二酸化炭素のガス交換を行います。鼻、口から吸入した空気(吸気)は、体内に入るといくつにも分岐した気管支を通って肺の中に分散し、より広範囲の肺胞に送り届けられます(図1左)。加えて、気管と気管支はガス交換を行う肺胞を守るため、外環境から誤って取り込んだ異物を体外に排出する、呼気の浄化装置としての働きも担っています。

神経内分泌細胞(NE細胞)は気管支の上皮細胞の一種で、他の細胞に比べ少数でありながら気管から細気管支までの上皮組織に広く観察されます(図1右)。NE細胞は吸気の酸素濃度のセンサーであるとともに、組織の損傷時には組織修復に働く幹細胞のための幹細胞ニッチになることが知られています。また、気管支の分岐点に数個集まって小型のクラスター(塊)を形成します(図2)。この特徴的なNE細胞の分布パターンは40年近く前に報告されて以来、吸気の酸素濃度の感知に役立っていると考えられてきましたが、NE細胞が気管支の分岐点に規則正しく配置されクラスターを形成するメカニズムは謎のままでした。また、NE細胞は肺がんの1種である小細胞肺がんの起源になることが知られており、同細胞種の制御メカニズムは呼吸器学者の関心の高い研究テーマでした。

研究手法と成果

研究グループはまず、NE細胞を含む肺のすべての上皮細胞の3次元分布の情報を高解像度で取得する技術の開発に挑みました。まず、肺の上皮細胞およびNE細胞が蛍光で光るマウス系統を作製しました。このマウス系統の胎児から光る肺を採取し、組織透明化試薬「CUBIC」注)を使って透明化した後、共焦点顕微鏡[4]2光子励起顕微鏡[5]で高解像度かつ広範に撮影しました。その結果、気管支の立体構造を保ったまま、1つの肺葉[6]のすべての上皮細胞とその中に存在するNE細胞の分布の観察に成功しました。さらに、取得した3次元画像を用いてNE細胞の正確な位置とクラスターの大きさを定量的に解析し、気管支の分岐構造とNE細胞クラスターとの関係を幾何学的に理解することに成功しました(図3)。

画像解析の結果、NE細胞クラスターは気管支の分岐構造においてほぼ同じ位置に形成されること、および発生中に少しずつ大きくなることが分かりました。また、改良を加えた3次元解析でより高解像度の画像を取得したところ、分岐点と関係なく単独で出現する「単独NE細胞」を多数発見しました。さらにNotchシグナルと呼ばれる細胞間伝達因子とその下流で機能するHes1遺伝子[3]が、前駆細胞(NE細胞に分化する前の細胞)から単独NE細胞への分化を抑制することで、単独NE細胞の出現数を制限していることを突き止めました。このNotch-Hes1シグナル経路を遮断するとNE細胞が単独ではなく連続して出現し、その結果NE細胞クラスターが巨大化することから、Notch-Hes1シグナルがNE細胞クラスターの大きさの制御に重要であることも分かりました。

残った疑問は、単独NE細胞がどのように気管支の分岐点にクラスターを形成するのかということです。この疑問を解明するために、NE細胞の分化とクラスター化をリアルタイムで撮影する技術の開発に挑みました。試行錯誤の末、前述の遺伝子改変マウスの胎児の光る肺葉を取り出し、保温器の中で培養しながら撮影することで、NE細胞の挙動の経時観察に成功しました。その結果、NE細胞は分化するときは単独NE 細胞として出現し、その後、自ら歩いて分岐点に向かって移動し、クラスターを形成することが明らかになりました(図4)。上皮細胞は、一般的には頑強な細胞間接着によって固定されている場合が多く、このように単独で方向性を持って移動する姿が撮影されるのは貴重な例です。

以上の結果から、胎児の気管支上皮組織においてNE細胞はNotch-Hes1シグナルの制御を受けて単独細胞として出現し、その後、気管支の分岐点に向かって自ら歩いて移動し、常にほぼ同じ位置にクラスターを形成することが分りました(図5)。

注)2014年11月7日プレスリリース「マウスを丸ごと透明化し1細胞解像度で観察する新技術

今後の期待

気管支のNE細胞が自ら動くことができる細胞種だったことは、新しい発見でした。同細胞を起源とする小細胞肺がん細胞は転移能が高いことが知られているため、今回の知見は細胞の生物学的性質と病理的な現象を結ぶ上で重要な発見です。今後はNE細胞の移動を制御している因子の同定が課題です。将来、細胞移動の分子メカニズムが解明され、小細胞肺がんとの関係について理解が進むことで、新しい治療薬の開発へつながると期待できます。

原論文情報

  • Masafumi Noguchi, Kenta Sumiyama and Mitsuru Morimoto., "Directed migration of pulmonary neuroendocrine cells toward airway branches organizes stereotypic location of neuroepithelial bodies.", Cell Reports, doi: 10.1016/j.celrep.2015.11.058

発表者

理化学研究所
多細胞システム形成研究センター 呼吸器形成研究チーム
チームリーダー 森本 充 (もりもと みつる)
研究員 野口 雅史 (のぐち まさふみ)

野口研究員と森本チームリーダーの写真

野口研究員(左)と森本チームリーダー(右)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. 神経内分泌細胞(NE細胞)
    気管支上皮細胞の1種。低酸素状態に応答して活性化し、生理活性ペプチドやアミンを分泌する。気管支上皮組織の再生にも貢献する。
  2. 幹細胞ニッチ
    幹細胞が性質を保つために必要な微小環境。幹細胞ニッチがないと幹細胞は分化したり、死んでしまったりする。組織の傷害時に幹細胞はニッチの中で増殖し、一部がニッチから離れて損傷部位を修復する。
  3. Notch-Hes1シグナル、Hes1遺伝子
    Notchは細胞膜に局在する受容体タンパク質で、隣接する細胞からNotchリガンド(受容体に結合する物質)の刺激を受けて活性化する。活性化したNotchはその下流で標的遺伝子を活性化するが、その代表がHes1遺伝子である。Hes1遺伝子産物は遺伝子の転写を抑制する機能を持つ。Notchの活性化からHes1タンパク質の作用までの一連の流れをNotch-Hes1シグナルと呼ぶ。
  4. 共焦点顕微鏡
    蛍光色素を可視化する蛍光顕微鏡の1つ。共焦点顕微鏡ではピントの合った深度の光だけを検出するため、厚みのあるサンプルの深部でも鮮明な像を得ることができる。深さを少しずつずらしながら画像取得することで、厚みのあるサンプルの3次元蛍光画像を得ることができる。
  5. 2光子励起顕微鏡
    蛍光色素を可視化する蛍光顕微鏡の1つ。特殊な赤外光パルスレーザーを用いることで、ピントの合った深度でだけ蛍光色素を光らせることができるため、鮮明な像を得ることができる。深さを少しずつ変えていくことで3次元蛍光画像を得ることができる。共焦点顕微鏡と比べると、光散乱の影響を受けにくい長波長のレーザーを使うため、より深くまで可視化することができる。
  6. 肺葉
    肺表面にある深い切れ込みによって区分される部分。マウスでは左肺は1葉、右肺は4葉に分かれている。ヒトでは右肺は上から順に上葉・中葉・下葉からなり、左肺はやや小さく上葉・下葉からなる。

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マウスの呼吸器の構造と気管支領域の上皮細胞の分布図

図1 マウスの呼吸器の構造と気管支領域の上皮細胞の分布

左:鼻、口から吸入した空気は、体内に入るといくつも分岐した気管支を通り抜けながら肺の中に分散し、より広範囲の肺胞に送り届けられる。肺胞は血中の酸素と二酸化炭素のガス交換を行う。

右:神経内分泌細胞(NE細胞)は気管支の上皮細胞の一種で、酸素濃度の感知器であるとともに、幹細胞ニッチになることが知られている。

マウス胎児のNE細胞を染色した画像

図2 マウス胎児のNE細胞を染色した画像

NE細胞(茶色)は気管支の分岐点に数個集まってクラスターを形成する。

マウス胎児の気管支とNE細胞クラスターの3次元画像

図3 マウス胎児の気管支とNE細胞クラスターの3次元画像

胎生16.5日目のマウス胎児の気管支(濃い青)とNE細胞クラスター(水色)。気管支管腔の中央線(赤)と分岐点(白点)を描くことで、気管支の分岐構造とNE細胞クラスターとの関係を幾何学的に解析することが可能になった。

自ら歩いて気管支分岐点へ移動するNE細胞の画像

図4 自ら歩いて気管支分岐点へ移動するNE細胞

NE細胞は分化するときは単独細胞として出現し(矢頭)、その後、気管支の分岐点(矢印)まで自ら歩いて移動し、クラスターを形成する。スケールバー;50μm。

NE細胞の細胞分化とクラスター形成過程の図

図5 NE細胞の細胞分化とクラスター形成過程

胎児期の気管支上皮で未分化な前駆細胞(紫)からNE細胞(緑)へと分化するとき、Notch-Hes1シグナルがNE細胞の数を制限して単独NE細胞を作る。単独NE細胞は自ら自ら歩いて移動し、気管支の分岐点に向かって直線的に移動する。そして、気管支分岐点の同様の位置にクラスターを形成する。

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