研究紹介　CELL POLARITY：細胞極性-分子細胞生物学大野研究室

CELL POLARITY：細胞極性

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細胞は極性を持っている！

　体の内と外を隔てる上皮細胞、神経伝達を担うニューロンなどでは細胞内の諸装置や分子群が実に秩序正しく空間的に配置されています。これを細胞が極性を持っているといいます。上皮細胞やニューロンの極性は、その上皮組織や神経系の機能発揮の基盤となっています。

　球状のリンパ球や一見無秩序な形を示す繊維芽細胞なども、移動の際や活性化して実際に働く場合には、細胞の形が大きく変化し、細胞内成分や細胞膜成分の再配置を伴う大きな変化を伴います。その過程で、細胞の諸装置や分子群が秩序だった空間配置をとります。つまり、極性を示すようになるのです。ここでも細胞の極性は細胞機能発揮の基盤となっています。

細胞極性は、多細胞生物においては、根元的に大切な役割を果たしているはずである！

　細胞極性は、多細胞生物の身体を構成する細胞の日常活動の基盤であるということができます。したがって、その異常は多細胞生物の様々な機能に大きな影響を与えることが容易に推察できます。

　しかし、どのようにして細胞の極性が生ずるのか。また、細胞極性が多細胞生物の発生や組織形成・再生やがん化などの細胞の病気に具体的にどのように関わっているのかと言う問題は、現代の医学生物学が明らかにすべき根本的な問題の一つとして残されています。

当研究室の研究目的

　当研究室では、ここ数年来この細胞極性の形成・制御に関わる遺伝子群・タンパク質群の検索・同定・解析を研究室の総力をあげて進めています。この過程で、世界中の様々な専門分野の研究室との共同研究を積極的に進めています。これを通じて、細胞極性の形成と制御の機構を遺伝子・分子レベルで明らかにすることができると考えているからです。

　さらに、細胞極性が多細胞生物の発生・再生や、がん化などの疾患に具体的にどのように関わっているかを明らかにすることも大きな目標としています。細胞の極性を生物学的に理解することにより、細胞の異常に起因する様々な疾患にきちんと対処する方法を見いだすことができるはずです。

細胞極性研究の流れ（１）：モデル生物の非対称細胞分裂の変異体、極性遺伝子

　細胞極性の遺伝子レベルでの解析は、1990年代からの線虫とショウジョウバエの非対称細胞分裂の変異体の解析に端を発しています。線虫の初期発生における非対称細胞分裂の変異体の解析がその代表です。もう一つは、ショウジョウバエのニューロンの発生に際しての神経芽細胞の非対称分裂の変異体の解析です。

　細胞の非対称分裂に際しては、転写因子などの細胞の運命決定因子が非対称に分配されます。一連の解析から、この非対称分裂に先立って細胞が極性化しており、その極性化に必須の遺伝子があることがわかってきました。線虫のPAR 遺伝子群、ショウジョウバエの一連の遺伝子群が見つかってきました。しかし、それらの具体的な役割は未だにほとんど不明です。

細胞極性研究の流れ（２）：ほ乳類培養上皮細胞の細胞極性、細胞接着の重要性

　上皮細胞は、組織の内と外とを隔てる最も大切な細胞であると同時に、発生過程における組織構築に際して死活的に大切な役割を果たしている細胞です。同時に、極性化した細胞の典型例でもあり、培養上皮細胞を用いた細胞極性の解析が1080年代から進められてきました。

　その過程で、細胞極性を考える際に、最も大切な概念が提示されてきました。それは、上皮細胞が極性を有するためには、細胞と細胞の接着と、細胞と基質との接着が必要であるというものです。

当研究室の発見に端を発した細胞シグナル伝達の研究、モデル動物の非対称細胞分裂の研究、上皮細胞の細胞極性研究の合流と新しい細胞極性研究の流れ

　プロテインキナーゼＣファミリーの機能解析の一環として、プロテインキナーゼＣのいくつかの分子種について、その結合タンパク質を網羅的に収集する作業を進めてきました。

　その過程で、atypical PKC(aPKC)の結合タンパク質、ASIP (atypical PKC-specific interacting protein)を見いだし、その解析が、その後の大きな展開のきっかけとなりました。その後の一連の解析の結果次の様な事が明らかとなってきました。

細胞シグナル伝達分子、プロテインキナーゼＣ（atypical PKC）は、PARタンパク質群と直接相互作用して、協力して線虫の受精卵の細胞極性の成立に関わっている

ほ乳類のシグナル伝達タンパク質、aPKC の結合タンパク質、ASIPが、線虫受精卵の極性タンパク質、PAR-3と相同性を有することを端緒として、aPKCが線虫の受精卵でPAR-3, PAR-6と共同して、非対称細胞分裂に先立つ細胞の極性化に働いている。

線虫のPAR タンパク質に関しては、その発見者であるKemphues のＨＰを参照のこと。

PAR proteins in C. elegans early embryogenesis, Kemphues lab
Kemphues lab PAR proteins Page
ほ乳類の極性タンパク質の発見

　上皮細胞では、上述の分子のほ乳類版が細胞接着装置の裏打ち部位に局在する。分子生物学的な手法を用いて、これらが上皮細胞の細胞接着装置の熟成の段階や細胞極性化の段階で必須の役割を果たしていることを明らかにした。これらは３者複合体として働いている。
プロテインキナーゼの新たな活性化機構の発見

　aPKCがPAR-6を介して活性型Cdc4により活性化される。Cdc42 はPAR-6のCRIBモチーフに結合し、PAR-6を介してaPKCと３者複合体を形成する。この結果、aPKCのキナーゼ活性が活性化する。これは、キナーゼ活性化の全く新しい様式です。
タンパク質間相互作用の新たな制御様式の発見

　ASIP/PAR-3が、aPKCの生理な基質タンパク質であり、aPKCによるリン酸化により、aPKCとの結合が解離する。aPKCとASIP/PAR-3との結合は安定であるが、aPKC の活性化により解離する。従来プロテインキナーゼと基質タンパク質との関係は、触媒的なものであると漠然と考えられてきた。しかし、aPKCとASIP/PAR-3の場合には化学量論的なものであり、ここでプロテインキナーゼは分子スイッチとして働いていることになる。
進化の過程で保存された細胞極性制御システム「aPKC-PAR カセット」

　aPKC、ASIP/PAR-3、PAR-6からなる３者複合体が、線虫からほ乳類まで保存されていることから、我々はこれが進化の過程で保存された分子カセットとして、細胞極性化に関わっていることを提唱し、その仮説の検証を行ってきました。その結果、線虫の受精卵、ツメガエルの卵、ほ乳類上皮細胞など、一見全くことなる様々な生物学的な局面で細胞極性化に関わっていることがわかってきました。他の研究者により、ショウジョウバエの系でも同様のことが観察され、この仮説の正しいことが広く認められるに至りました。
高等動物における細胞極性の重要性の証明

　aPKCのノックアウトマウス、ツメガエルの系で遺伝子機能破壊実験を行い、線虫やショウジョウバエのみならず、脊椎動物においても細胞極性が発生段階で必須の役割を果たしていることを最終的に証明しました。

現在進行中の研究

上皮やニューロンを対象として、あらゆる方法論を用いて下記の問題にアプローチしています。

＊進化の過程で保存された細胞極性制御システム「aPKC-PAR カセット」は、いかにして細胞の極性を制御しているのか？

＊「aPKC-PAR カセット」を介するシグナル系は、既知の他の細胞内装置やシグナル系とどのように相互作用しているのか？

このような研究を通じて、細胞の極性が細胞の増殖、分化、細胞死、更には組織形成や組織再生、癌化その他の疾患と具体的にどのように関わっているかを分子のレベルで説明することを目指しています。

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