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ERK分子の活性化の頻度による細胞の増殖速度の調節機構を発見 -細胞はAM(振幅変調)方式ではなくFM(周波数変調)方式を利用している-

2013年10月18日

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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、何百万個の細胞を使って、ERK分子の活性の平均値を測定してきました。しかし、一つの細胞の中でERK分子の活性がどのように変動するのか、またその機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、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)の原理に基づくバイオセンサーを開発して、一つ一つの細胞におけるERK分子の活性の詳細な時間変化を蛍光顕微鏡により測定する方法を開発しました。その結果、増殖している細胞においてはERK分子が1時間から数時間におきに不規則かつ一過性の活性化をすること、そして、一つの細胞でERK分子が活性化すると数分後に隣の細胞でERK分子の活性化が引き起こされる「ERK分子活性の伝搬現象」を発見しました(図1)。

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図1:確率的なERK分子の活性化と細胞間伝搬現象の発見

 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遺伝子ネットワークを解析したところ、ERK分子を1時間おきに活性化させたときにだけ発現が引き起こされる遺伝子群を見出しました。これらの結果をまとめると、ERK分子はその活性化の強さではなく頻度、すなわち周波数によって細胞の増殖速度を調節していることが明らかになりました(図2)。

 

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図2:ERK分子の活性化の頻度による細胞の増殖速度の調整とFMラジオとの比較

研究の意義

 先行研究の多くは、大多数の細胞をすりつぶして測定されたERK分子活性の平均値をもとに細胞の状態を議論していました。本研究では、単一の細胞でERK活性を測定した結果、ERK分子の活性が生きた細胞内でとてもダイナミックに変動していること、さらにERK分子の活性化の細胞間伝播現象もERK分子の活性化頻度に影響することから、細胞同士がどのような形態で組織を構築しているのかも重要であることが明らかになりました。これらの結果は、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、最新の顕微鏡を用いた生細胞イメージングによって初めて明らかになった現象です。

今後の展開

 Ras-ERK情報伝達系に限らず、多くの情報伝達系はAM(振幅変調)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、細胞がFM(周波数変調)方式を利用して細胞の増殖速度を調節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、より広範な現象に適用できる可能性があります。また、本研究結果の大きな意義の一つとして、ERK分子活性の時系列情報から細胞の増殖速度を直接計算することが可能となった点が挙げられます。今後、この利点を活かし、癌細胞の効果的な抗癌剤療法の予測や評価を行っていきたいと思います。

本成果は、以下の事業・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

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2013.09.015

[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/179291

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。