広報活動

Print

2016年1月19日

理化学研究所

上皮細胞の微小管配向の謎を解明

-微小管結合タンパク質CAMSAP3が重要な働き-

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高次構造形成研究チームの竹市雅俊チームリーダー、戸谷美夏研究員らの研究グループは、細胞生物学分野において1989年の発見以来、謎であった上皮細胞に特有な微小管の配向の仕組みを解明し、その細胞構築における役割を明らかにしました。

上皮細胞[1]は多くの臓器の主成分で、細胞内物質の分泌や細胞外からの物質の吸収など、さまざまな重要な働きをしています。その構造的特徴の1つは細胞の上(頂端面)、下(基底面)という極性を持つことです。極性は上皮の機能を発揮するために必須ですが、その形成機構はよく分かっていません。細胞骨格の1つ、微小管[2]が上皮細胞の頂端-基底軸に沿って配向することが知られていましたが、その仕組みも謎でした。

研究グループは、STED超解像顕微鏡[3]を用いて、マウス小腸の上皮細胞における微小管の配置を観察しました。その結果、微小管が頂端-基底軸に沿って配向する際に、研究グループが2008年に発見した微小管結合タンパク質「CAMSAP3(カムサップスリー)」が頂端部に局在すると同時に、微小管の端に結合していることが分かりました。また、遺伝子操作でCamsap3変異マウス[4]を作製し、野生型と比較したところ、CAMSAP3が微小管の一端を頂端面につなぎ止めることによって、微小管を頂端-基底軸に沿って配向させるという機構が明らかになりました。さらに、Camsap3変異マウスと腸由来の培養細胞株を使った実験によって、上皮細胞に特有の微小管の配向は、上皮細胞の高さを維持し、核やゴルジ体などの細胞内小器官[5]を正しい位置に置くために必須であることも分かりました。

今後、Camsap3変異マウスのさらなる解析を行うことで、微小管に依存した細胞内構造の制御と生理機能や体全体の健康維持との関係などが明らかになると期待できます。また、分子レベルでは、CAMSAP3がどのようにして頂端面に局在するのか、CAMSAP3に結合する微小管がどのように細胞小器官の空間配置を制御するのか、これらの問題を明らかにすることで、上皮細胞に特有な構造と機能の理解がさらに深まると期待できます。

本研究は、米国の科学雑誌『Proceedings of the National Academy of Sciences of Sciences of the United States of AmericaPNAS)』オンライン版(12月29日付け)に掲載されました。

※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
高次構造形成研究チーム
チームリーダー 竹市 雅俊 (たけいち まさとし)
研究員 戸谷 美夏 (とや みか)
テクニカルスタッフ 川崎 美和 (かわさき みわ)
元テクニカルスタッフ 小林 紗恵子 (こばやし さえこ)
元研究員 石内 崇 (いしうち たかし)
元研究員 孟 文翔 (MENG Wenxiang)

ライフサイエンス技術基盤研究センター
生命機能動的イメージング部門 生命動態情報研究グループ
生体ゲノム工学研究チーム
専門職研究員 塩井 剛 (しおい ごう)

成体モデル開発ユニット
テクニカルスタッフ 金子 麻里 (かねこ まり)

超微形態研究チーム
テクニカルスタッフ 美崎 佳寿代 (みさき かずよ)

背景

体を構成するさまざまな細胞は受精卵から分化し多様化していますが、それぞれの機能に応じて、特定の形や構造をしています。例えば線維芽細胞(結合組織に由来する細胞の総称)は不定形、上皮細胞は方形や柱状の形をしています。細胞の形や構造の形成のために重要な役割を果たしているのは、微小管やアクチン繊維などの細胞骨格だと考えられています。

微小管は、プラス端・マイナス端という極性を持つ繊維状の構造体です。微小管は、細胞の分裂期に紡錘体を形成して染色体を分配するために働くことがよく知られていますが、静止期には物質の輸送のためのレールとして働いています。レールとして働くには、細胞内の適切な位置や方向に配置される必要があります。線維芽細胞など多くの細胞では、微小管はマイナス端が中心体で束ねられ、プラス端は細胞の外側に向かって放射状に分布します(図1左)。

上皮細胞は多くの臓器を構成する主要な細胞で、細胞内で合成された物質を分泌したり、逆に細胞外から物質を吸収したり、さまざまな働きをしています。そのため、細胞の上(頂端面)・下(基底面)という極性が発達しています。この極性は、上皮細胞特有の機能を発揮するために必須ですが、その形成機構はよく分かっていません。上皮細胞の極性に関与する成分の1つが微小管で、細胞の上下方向に配向しています(図1右)。このとき、マイナス端が上に向き、プラス端が下に向いていることが1989年に報告されました注1)。しかし、その報告以降、微小管の特徴的な配向の仕組みも、生理的な役割も謎のままでした。

研究グループは、2008年に、中心体に束ねられていない微小管(非中心体微小管)のマイナス端に局在する新しいタンパク質「CAMSAP3(カムサップスリー)」を発見しました注2)。その後、複数の研究グループから、CAMSAP3は微小管マイナス端に結合して安定化する機能を持つことが示され、それまで知見が少なかった微小管マイナス端の制御を担う重要なタンパク質であると注目されるようになりました。しかし、CAMSAP3が実際、生体内でどのような働きをするかは分かっていませんでした。そこで研究グループはCAMSAP3に着目し、上皮細胞特有の微小管配向の仕組みを探りました。

注1)Bacallao, R. et al., 1989. J. Cell Biol.109:2817-2832.
注2)Meng, W et al., 2008. Cell 135:948-959.

研究手法と成果

研究グループは、STED超解像顕微鏡を用いて、マウス小腸の上皮細胞における微小管の配置を観察しました。その結果、これまで他の上皮細胞で調べられていた微小管が頂端-基底軸に沿って配向する様子を鮮明に観察することに成功し、CAMSAP3が細胞頂端面に点状に集積し、微小管のマイナス端に結合していることを発見しました(図2左)。

次にCAMSAP3の機能を調べるため、遺伝子操作によりCamsap3変異マウスを作製し、小腸上皮細胞を観察しました。すると、Camsap3変異マウスの細胞では頂端面に局在したCAMSAP3が消失するとともに、微小管の配列が大きく乱れていました。野生型とは対照的に、微小管が頂端-基底軸に沿うことなく、波打つような形態を示しながら無秩序な方向を向き、横向きに配向するものも検出されました(図2右)。確認のため、細胞を頂端面側から観察したところ、野生型の細胞では微小管の端が点状に見えるのに対し、Camsap3変異マウスの細胞では、微小管の側面が観察されました。CAMSAP3は微小管マイナス端に結合することが分かっているので、これらの結果から、小腸上皮細胞ではCAMSAP3が頂端面に局在すると同時に、微小管のマイナス端に結合して、一方のプラス端が基底面に向かって伸びるという機構が考えられます。

続いて、この上皮細胞に特有な微小管の配向にはどのような役割があるかを解明するため、細胞の内部構造を調べました。その結果、Camsap3変異マウスの小腸上皮細胞では、細胞の高さの平均値が低くなり、細胞内小器官の核やゴルジ体の配置が乱れていました(図3)。野生型の細胞では、核は基底面寄りのほぼ一定の位置に分布し、ゴルジ体は核のすぐ上に局在します。一方、 Camsap3変異マウスの細胞では、核が頂端面近くに移動したり、ゴルジ体が核の下や頂端領域に散らばる異常が観察されました。これらの結果から、CAMSAP3によって編成される微小管は、細胞の高さを維持し、細胞内小器官の配置を決めていることが分かりました。

研究グループは、さらに、腸由来の上皮細胞株を用いて、細胞の極性が再現できる立体培養法[6]を行うことにより、CAMSAP3の機能をより詳しく解析しました。その結果、①CAMSAP3の働きがないと、微小管は頂端面以外の場所から成長すること、②正常な細胞内構造を維持するためには、CAMSAP3が頂端面に局在する必要があること(図4)、③CAMSAP3の頂端面への局在には、もう1つの細胞骨格であるアクチン繊維が関わること、などが明らかになりました。また、CAMSAP3が頂端面に局在するために必要な分子内領域のアミノ酸の同定にも成功しました。

今回の研究から、上皮細胞に特有な微小管配向を生み出す機構が明らかになりました。鍵となるCAMSAP3は、細胞の頂端面に局在すると同時に微小管のマイナス端に結合し、微小管をこの場所につなぎ止めることによって、微小管を頂端-基底軸に沿って配向させることが分かりました。この微小管配向は、細胞の高さを維持し、核やゴルジ体などの細胞内小器官を正しく配置するために重要な役割を果たしていました(図5)。

今後の期待

今回の研究で作製した Camsap3変異マウスは成長が遅れ、生後30日くらいまでに死ぬ個体も存在します。CAMSAP3は多様な臓器で機能している可能性が高いことから、今後、Camsap3変異マウスのさらなる解析を行うことで、微小管に依存した細胞内構造の制御が細胞のどのような生理機能に関わっているのか、さらには、どのように体全体の健康維持に関わっているのかなどについて明らかにできると期待できます。

また、分子レベルでは、CAMSAP3がどのようにして頂端面に局在するのか、CAMSAP3に結合する微小管がどのように細胞小器官の空間配置を制御するのか、これらの問題を明らかにすることで、上皮細胞に特有な構造と機能の理解がさらに深まることも期待できます。

原論文情報

  • Mika Toya, Saeko Kobayashi, Miwa Kawasaki, Go Shioi, Mari Kaneko, Takashi Ishiuchi, Kazuyo Misaki, Wenxiang Meng, and Masatoshi Takeichi, "CAMSAP3 Orients the Apical-to-Basal Polarity of Microtubule Arrays in Epithalial Cells", Proceedings of the National Academy of Sciences USA, doi: 10.1073/pnas.1520638113

発表者

理化学研究所
多細胞システム形成研究センター 高次構造形成研究チーム
チームリーダー 竹市 雅俊 (たけいち まさとし)
研究員 戸谷 美夏 (とや みか)

竹市雅俊チームリーダーと戸谷美夏研究員の写真

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
お問い合わせフォーム

産業利用に関するお問い合わせ

理化学研究所 産業連携本部 連携推進部
お問い合わせフォーム

このページのトップへ

補足説明

  1. 上皮細胞
    さまざまな器官(例えば、腸や肝臓など)や体の部位(例えば皮膚)の主要な機能を果たす細胞群。上皮細胞が作る組織は、表皮のように二次元的に広がるものから、管を作るものまで多様である。上皮細胞は結合組織に裏打ちされ、結合組織に面した部分を基底部、反対側(管を構成する上皮の場合は管腔側)を頂端部と呼ぶ。
  2. 微小管
    細胞内で繊維状の構造をとる細胞骨格の1つ。α/βチューブリンの重合体で、重合・脱重合をダイナミックに行うプラス端(βチューブリン側)と、相対的に静かなマイナス端(αチューブリン側)を持つ。プラス端の制御については多くの知見があるが、マイナス端の制御については分からないことが多い。細胞内では、ダイナミックに編成を変化させて、染色体の分配や、物質を輸送する際のレールとして働く。
  3. STED超解像顕微鏡
    超解像顕微鏡は、光の波長により制限される分解能を超えて、高い解像度の画像が得られるように開発された新しい世代の顕微鏡。超解像を可能にするいくつかのシステムが存在する。STED超解像顕微鏡では、真性な蛍光シグナルの周囲に生じる、いわゆるボケの部分を消失させるように、通常のレーザー光に加えてドーナツ状のレーザー光を照射している。STEDはstimulated emission depletionの略。
  4. Camsap3変異マウス
    遺伝子操作によって、野生型マウスのCAMSAP3の機能に必須な領域を欠損させてできた変異マウス。
  5. 細胞内小器官
    細胞の中に存在して一定の機能を持つ構造体を総じて細胞内小器官と呼ぶ。細胞内小器官のうち、「核」は遺伝情報を蓄え、「ゴルジ体」はタンパク質の修飾や分泌を担う。
  6. 立体培養法
    細胞や組織を、生体内の状況を模して立体的環境の中で培養する方法。例えば、コラーゲンやマトリゲルなど、細胞外基質と呼ばれる生体物質のゲルの中に細胞を埋め込んで生長させる。上皮細胞を立体培養すると、細胞が集まって中空の球(シスト)を形成することが多い。

このページのトップへ

細胞における微小管配向の図

図1 細胞における微小管配向

微小管は、性質が異なるプラス端-マイナス端を持つ。多くの動物細胞では、微小管のマイナス端は中心体に束ねられているが(左)、上皮細胞では、微小管が中心体に束ねられることなく存在する(右)。このとき、マイナス端が細胞の頂端面を向き、頂端-基底軸に沿って配列している。

小腸上皮細胞における微小管編成の超解像度顕微鏡像

図2 小腸上皮細胞における微小管編成の超解像度顕微鏡像

左:マウスの小腸上皮細胞では、微小管(緑)が頂端-基底軸に沿って並ぶ。その上端は、頂端面に点状に局在するCAMSAP3(赤)と結び付く(左下の四角で囲った拡大図参照)。

右:Camsap3変異マウスでは、頂端面のCAMSAPが消え、微小管の配列が著しく乱れる。
(Toya et al., PNAS 2015の図を改変)

小腸上皮細胞内における核とゴルジ体の位置の図

図3 小腸上皮細胞内における核とゴルジ体の位置

左: 野生型マウスの小腸上皮細胞では、核(青)は一定の位置を保ち、ゴルジ体(赤)は核のすぐ上に局在する。

右: Camsap3変異マウスでは、一部の小腸上皮細胞で核が異常な位置に移動する。ゴルジ体の分布も乱れ、核の上下に散らばる。細胞の高さも低めになる傾向がみられる。
(Toya et al., PNAS 2015より改変)

CAMSAP3を強制的に異所発現させたことによるゴルジ体の分布の変化の図

図4 CAMSAP3を強制的に異所発現させたことによるゴルジ体の分布の変化

左:立体培養を行った上皮培養細胞株においても、野生型のマウス小腸上皮細胞と同様にCAMSAP3は頂端面に集積し、ゴルジ体は核のすぐ上に集まる。

右:CAMSAP3を強制的に細胞全体に行き渡らせると、ゴルジ体が散らばる。(Toya et al., PNAS 2015より改変)

上皮細胞における微小管配向の仕組みとその役割の図

図5 上皮細胞における微小管配向の仕組みとその役割

小腸上皮細胞では、頂端面に局在するCAMSAP3が微小管のマイナス端をつかまえて、頂端面につなぎ止めることにより、頂端-基底面軸に沿った微小管が編成される。CAMSAP3の機能を失った細胞では、微小管がさまざまな方向を向く。このような細胞では、細胞の高さが減少し、核やゴルジ体などの細胞内小器官の配置が乱される。

このページのトップへ