本記事は ETHチューリッヒとの協力により掲載されています。
人体は絶えず自己を再生しています。毎日、体内では何兆個もの細胞が死滅しています。それと同じ期間に、他の細胞が分裂することで、多くの新しい細胞が形成されます。分裂するために、細胞は細胞の丸み化（cell rounding）と呼ばれる過程を経ます。この過程により、染色体が複製され、二つの娘細胞に取り込まれます。次のような現象が、毎日何兆回も体内で起こっています。細胞は分裂の前に球状に丸くなることで、その機能に特有の形状を変えます。娘細胞は再び、細胞本来の特徴的な形状をとります。
細胞の丸み化は、隣り合って並ぶ柱状細胞、例えば腸や他の粘膜、血管壁の内層を形成する上皮細胞にとって、特に劇的で困難な過程です。これらの細胞は、箱の中の爪楊枝のように、隣接する細胞と密に並んでいます。これらの細胞には、細胞分裂のために丸くなるための空間が壁組織内にほとんどありません。バーゼルにあるETHチューリッヒのバイオシステム科学・工学部（D-BSSE）の研究者らが、今回、このメカニズムを解明しました。
膜タンパク質が細胞を膨張させる
上皮細胞は分裂するために表面へ移動します。（図版：Sorce B et al. Nature Communications 2015）
細胞の丸み化の基本的なメカニズムは、すでに解明されています。数年前、生物物理学教授のダニエル・ミュラー氏と彼のチームは、細胞が外膜にある分子ポンプを活性化し、ナトリウムイオンを細胞内部へ輸送する仕組みを示しました。細胞内部のイオン濃度が上昇すると、いわゆる浸透圧が生じ、水が細胞内に流入して細胞が丸くなります。
顕微鏡を用いると、棒状の上皮細胞がどこで丸くなるための空間を見つけるかを観察できます。「細胞は上皮層から表面へ移動し、そこで分裂したのち、再び上皮層へ戻ります」とミュラー氏は説明します。
細胞は壁から自らを絞り出す
では、細胞はどのようにして表面へたどり着くのでしょうか。新たな研究で、ミュラー氏のグループのメンバーは、D-BSSEの他の研究グループと協力し、上皮細胞も他のすべての細胞と同じメカニズムを用いることを示しました。「細胞はナトリウムイオンで自らを満たし、浸透圧の結果として張りつめた状態になります。細胞の内部骨格も収縮します。その後、細胞は外部からの抵抗にもかかわらず、上皮層から事実上自らを押し出し、表面へ飛び出すために必要な力を生み出すことができます」とミュラー氏は述べています。
研究者らは細胞培養においてこの過程を検出しました。バイオシステム工学教授アンドレアス・ヒエルレマン氏のグループと共同で、弾性のある「釘」（より正確には柱）の間に上皮細胞を培養できるゴム製の微小な釘床を開発しました。これにより研究者らは、顕微鏡下で細胞の挙動を観察し、関連する力を測定することができました。生じた細胞の力は柱の変形や屈曲を引き起こし、それを容易に検出できました。
疾患のための試験環境
研究者らは細胞のイオン輸送タンパク質を阻害した際、細胞の塩分含有量の増加が細胞の丸み化に関与するだけでなく、上皮層から細胞が「押し出される」ことにも決定的な役割を果たすことを発見しました。ゴム製の柱のたわみを測定することで、研究者らは細胞が上皮表面へ移動するために生み出す力を算出することもできました。
研究者らは、この微小な釘床を特定の疾患の試験環境としても用いました。例えば、細胞分裂のために上皮層の表面に到達できず、そのため妨げられずに分裂できない上皮細胞が、上皮層の剥離を引き起こす可能性があることが知られています。これが今度は、胃、腸、腎臓、胆嚢などで腫瘍の形成や拡大につながる可能性があります。「この微小な釘床によって、細胞がもはや表面へ自力で這い上がれなくなる条件を調べることができるようになりました」とミュラー氏は述べています。研究者らはすでに、この試験環境を用いて、特定の疾患の遺伝的原因の探索を始めています。また、開発した手法を用いて新薬の有効性を試験することもできます。
参考文献
Sorce B et al.: Mitotic cell contract actomyosin cortex and generate pressure to round against or escape epithelial confinement. Nature Communications, 2015年11月25日, doi: 10.1038/ncomms9872
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解を支持するものではありません。
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執筆者：ファビオ・ベルガミン氏は、バーゼルとストラスブールでバイオテクノロジーを学び、ベルン大学で免疫学の博士号（Ph.D.）を取得しました。
画像：顕微鏡で観察されたがん細胞。REUTERS。