生体の科学 70巻4号 (2019年8月)

特集 メカノバイオロジー

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 物理学者の生命科学研究への参加は,しばしば生命科学に大きな変革をもたらしてきました。Schrödingerの『生命とは何か』という問いから20世紀の定量的な生命科学研究が始まったといっても過言ではないかもしれません。近年の物理学的アプローチの成功例の一つはメカノバイオロジーです。分子レベルのpNの世界から,細胞,組織,個体へと,大きさの次元は異なれど,形の変形,物質の移動はすべて数式で記載可能な物理現象です。そして,もしすべてが数式で記載できたなら,その暁には,生命動態が完全に理解できたと宣言できるでしょう。それはもちろん遠い夢物語ですが,それに向けて活発に研究が進んでいる状況を紹介すべく特集を企画しました。まず力の測定においては,AFMやマイクロニードルを使った方法,あるいはイメージングに基づく方法が汎用されています(牧ら,藤井ら,島本,近藤の項)。一方,細胞内で力を感知できる分子は多数にのぼることが解明されつつあり,意外な分子が力の変化を検知できることに驚かされます(木岡,古川,内田らの項)。そして,このような細胞による力の検知は,細胞の幹細胞性,がんの悪性度,神経発生など様々な生命現象のカギであることがわかってきました(木戸秋,江崎ら,中澤らの項)。そして,これら生命現象を物理的に理解するために様々なモデルが提唱され,あらたな研究の方向性を示しています(平島,奥田,杉村らの項)。最後に,このような力学モデルとシミュレーションは既に医療の現場に応用されつつあり,頸動脈狭窄症患者に対する頸動脈ステント留置術前後での解析結果を一例として紹介していただきました(大島らの項)。

 メカノバイオロジーの計測には,マイクロ流路を使った様々なデバイスが使われることも多く,この分野の研究は,生命科学者,物理学者,そしてエンジニアの共同研究が基本です。このような融合研究は,より高いインパクトの研究を生むことが様々な調査結果から明らかにされており,そして残念なことに,わが国が苦手とする分野とも指摘されています。本特集で紹介させていただいたような成功例が今後ますます広がることを期待しています。

Ⅰ.細胞・組織の力学特性の計測

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 メカノセンサー分子は,機械的な力のもとでその立体構造(コンフォメーション)を変化させ,細胞内の生化学的シグナルを誘導する分子である。例えば,細胞膜上に存在する機械受容チャネルは,膜張力に応じてカルシウムイオンの透過性を調節することが知られる。また,細胞の接着構造に存在する幾つかのタンパク質は,張力のもとでその一部がほどけ(アンフォールディングし),他の接着関連分子の結合を促進することが知られる。メカノセンサー分子は,細胞が恒常性を維持するだけでなく,周囲の力学的情報をもとに細胞分化や細胞死などが運命決定されるうえで重要な要素である。したがって,力を起因とした様々な生物学的現象を“入力側”から探るためには,メカノセンサー分子の力のもとでの分子動態を明らかにすることが必要となる。本稿では,原子間力顕微鏡を用いてメカノセンサー分子に張力を負荷する,あるいは,その立体構造を走査するための実験手法を紹介する。更に,全反射照明蛍光顕微鏡との組み合わせにより,メカノセンサー分子に対するシグナル分子の結合を直接観測するための1分子実験手法を提案する。

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 原子間力顕微鏡(atomic force microscope;AFM)は,生細胞の形態観察や力学物性計測に広く用いられている。本稿では,AFMの力学計測法を概観したのち,AFMによる1細胞および細胞集団の力学物性の研究例を紹介する。特に,AFMとマイクロ加工基板を併用した1細胞レオロジー物性,および上皮細胞シートの力学物性の空間分布について述べる。

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 細胞の内部には細胞骨格やオルガネラをはじめとする様々な構造物があり,それぞれが力を発生したり,外から作用する力を細胞質の各部に伝えたりしながら機能している。細胞が力を感じ応答するしくみを理解するためには,これらの構造物が細胞の中で示す力学特性についても明らかにする必要がある。しかしながら,細胞内の力に関する解析は,細胞膜の干渉や計測プローブの操作性などが問題となって一般的に難しい。筆者らは,マイクロニードルの力計測装置と細胞質抽出液を組み合わせたアッセイにより,この問題にアプローチしている。本稿では,染色体分配装置である紡錘体が示す力発生と応答のしくみを中心に,小胞体や細胞核など他のオルガネラシステムが持つ力学特性も含め最近の知見を概説する。

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 血液や骨といった生体組織の力学特性—硬さや粘さ—は,医工学的観点から多くの研究がなされ豊富な知見が得られている。その一方,発生・再生の最中にある未熟でデリケートな組織については同様の計測がむずかしく,その力学特性に関するわれわれの知識はいまだ限られている。例えば,創傷治癒の古典的モデル系である培養上皮細胞シートが固体なのか液体なのかというごく基本的な問いに対して,ようやく結論が得られつつあるという現状である。本稿では筆者らの成果の紹介をとおして,本分野における最近の発展について概観したい。

Ⅱ.力学環境の細胞受容機構

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 細胞外マトリックス(extracellular matrix;ECM)は,その種類だけでなく“硬さ”も間葉系幹細胞の分化や細胞の遊走をはじめとする様々な細胞機能を調節することが明らかになってきた。また,生体内では乳腺や脳などの軟らかい(0.1-1kPa)組織から腱などのように硬い(数10-100kPa以上)組織まで幅広くある。しかも,がんや線維症といった疾患により組織が硬化し,逆に組織の硬化はがんの悪性化を引き起こす。このようなことから,ECMの硬さを感知する分子—メカノセンサー—に注目が集まっている。細胞は,ECM受容体である膜タンパク質インテグリンを介してECMと接着し,インテグリンを含む複合体がアクチン線維と結合することで接着装置を形成する。インテグリン複合体とアクチン線維を一過的に連結させる分子クラッチは,細胞接着に伴う細胞膜の突出に寄与するしくみとして考えられてきたが,分子クラッチにはECMの硬さに応じた張力が作用することから,分子クラッチがECMの硬さを感知するメカノセンサーとして機能することが考えられている。本稿では,接着装置の分子クラッチと考えられているテーリンとビンキュリンに着目して,ECMの硬さを感知するメカノセンサーの分子機構について概説する。

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 心臓は24時間365日,収縮-拡張のメカノ刺激に曝されている特異な器官であり,メカノ刺激応答が特に重要な器官の一つといえる。これを反映して,心臓に存在する多くのメカノ刺激応答分子“メカノセンサー”が同定されている。本稿では,従来より知られている心臓メカノセンサーであるアンジオテンシン変換酵素,1型アンジオテンシンⅡ受容体,新たなメカノ刺激応答分子であるAJP,TRP,Piezo,pannexinなどについて解説する。

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 筋肉はエネルギー代謝を担う中心的な臓器の一つである。また,ミトコンドリアはATPの産生をはじめ,酸化ストレス産生やカルシウム代謝など,広範な細胞内機能にかかわっている。そのため,ミトコンドリアの機能は筋肉の状態に強く影響を与えるほか,近年ではミトコンドリアのメカノセンサーとしての機能についても明らかになってきている。本稿では,筋肉の制御にかかわる主要なシグナル経路とミトコンドリアのかかわりについて触れながら,細胞のメカノセンシング機構におけるミトコンドリアの役割について,最新の知見を交えながら論じたい。

Ⅲ.力学環境依存的な細胞の機能発現

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 細胞の力覚機構はどのように細胞分化にかかわるのか? 幹細胞のメカノバイオロジーにおけるこの主要問題は,間葉系幹細胞(mesenchymal stem cell;MSC)の培養力学場依存的な分化応答の発見以降,盛んに研究されている。一方,MSCという細胞集団の特性は実に不安定であり,培養環境による力学場刺激の強度や持続時間の条件の違いがその分化特性を左右することも知られている。典型的には通常培養に用いられる硬いプラスチック皿での培養を一定期間以上経るだけで,MSCは分化偏向を被り,その幹細胞性を減弱させる。MSCの幹細胞性はその治療有効性と深くかかわるため,培養中の分化偏向を避ける培養技術が求められている。本稿ではこの問題に関して,幹細胞のメカノバイオロジーを操作する培養基材の設計による解決法を紹介する。

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 病理診断の現場では,手術によって摘出された組織にあらかじめ割を入れてホルマリン固定することがあるが,固定後にがんの割面が膨隆する現象が観察される。このことは,腫瘍組織内に高い応力(stress)が生じていることを意味する。これは,がん周囲に厚い線維性被膜が形成されることによる外力の影響に加え,がん組織内の硬さ(弾性率)自身が上昇していることによる。乳房のセルフチェックや触診により乳がんを発見することができるのも,まさにがんは周囲の正常組織よりも硬いからである。臨床の現場ではエラストグラフィーを用いた腫瘍の硬さの測定が良・悪性の判定のために使用されている。

 がん組織を硬くする要因は主に線維芽細胞が産生するコラーゲン,ラミニン,フィブロネクチンなどの細胞外基質(extracellular matrix;ECM)の蓄積である。間質(がん細胞以外の領域)に沈着したECMはがん細胞の接着のための新たな足場となり,その運動能・浸潤能の上昇に多大な貢献をすることは周知の事実である。加えて,近年の研究では,間質の硬さそれ自体ががん細胞の悪性化を更に促進することが明らかにされており,特に膵がん・胆管がん・消化管の硬がんなどの難治がんの病態の本質を把握するには,このようながんのメカノバイオロジーの理解が必須である。更に最近の研究により,間質を構成する線維芽細胞は決して一様・均一ではなく,がんの悪性化を促進する細胞と抑制する細胞の二者が存在することが示唆されている。本稿ではがんの病態の理解におけるメカノバイオロジーの重要性と,間質を構成する線維芽細胞の多様性について筆者らの予備的な知見を加えて概説する。

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 われわれの脳を構成するニューロンは,脳の発生過程においてそれらが産生された場所から機能する場所まで遊走し,皮質の特定の層構造や神経核の形成に寄与する。細胞遊走は細胞が持つ基本的な機能の一つであり,組織形成にとどまらず,免疫監査,損傷治癒など生体が持つ様々な機能に重要である。これまで,線維芽細胞などを用いた単一細胞,あるいは単層上皮細胞などを用いた集団細胞の細胞遊走ダイナミクスに関してメカノバイオロジーの観点から,“機械的な力”あるいは“(細胞内外の)機械的な性質”と細胞運動の関連が調べられてきた。しかしながら,ニューロン遊走ではこれらの間充織細胞とは異なる遊走ダイナミクスが観察されており,“ニューロン特有のメカノバイオロジー”が徐々に明らかとなってきた。本稿では,主にニューロン遊走における細胞核移動に着目し,発生脳の“機械的な力と性質”によるニューロン遊走の調節機構に関して近年報告されている知見を紹介する。

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 細胞で構成される管は,生体内で普遍的に観察される構造であり,生体組織や臓器をかたち作る基本的なモジュールである。その特徴的な構造をかたち作るメカニズムは,細胞が生み出す力や力学環境に対する細胞応答に支えられている。本稿では,上皮細胞の管状構造形成に関するメカノバイオロジー研究を多様な視点から紹介する。

Ⅳ.生体構造の力学モデリングとシミュレーション

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 近年の培養やイメージングの技術発展により,組織・器官の三次元的な構造形成の過程を1細胞スケールから観察することが可能になりつつある。この構造形成は,発生・代謝・疾患などの様々な生命現象にみられ,その機構を理解し制御することが望まれている。しかし,現在のところ,組織・器官の構造形成の機構には未知な点が多く,その過程を精密に制御することは難しい。これを実現するためには,これまでの分子生物学的な理解に加えて,組織・器官の構造形成を支配する“多細胞の力学”について理解し,その動態を予測する必要がある。筆者らは,この多細胞動態の予測を実現するため,「汎用三次元バーテックスモデル」と呼ばれる数理モデルを開発してきた。この数理モデルでは,1細胞スケールの力学的な振る舞いを統合的にモデル化することにより,物理法則に基づいて細胞間の相互作用を計算し,組織・器官スケールの三次元的な構造形成を予測する。本稿では,1細胞スケールからみた多細胞動態の自由度,そこから導入される汎用三次元バーテックスモデルの概要,および,幾つかの発生現象への適用例について紹介する。

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 個体発生過程では,個々の細胞が集団として協調的に振る舞い,組織が正しく成長し変形することで,自然界に存在する多様な動植物の形ができあがる。したがって,個体発生における組織の成長と変形を理解するためには,細胞と組織の階層間の関係を理解する必要がある。本稿では,この目的のために筆者らが開発した,細胞の形態や配置を内部自由度に持つ新しいクラスの連続体モデルを取り上げ,その設計思想と発展可能性について解説する。

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 現在,わが国において,脳梗塞などの循環器系疾患は悪性新生物(がん)に次いで死亡率の高い疾患である。また,循環器系疾患は寝たきりになる例も多いため,患者本人だけでなく,家族にとっても身体的,そして経済的に負担が大きい。そのため,超高齢化社会のわが国において,循環器系疾患の予防は医療だけでなく,社会的にも重要な課題といえる1)

 循環器系疾患の発症には,血流のダイナミクスが重要な役割を果たしていることが指摘されている2-4)。血管内を血液が流れることにより,血管壁には次の3つの力学的刺激が負荷される。

 ①血圧による圧刺激(壁応力)

 ②血流によるずり刺激(壁面せん断応力)

 ③壁面の伸展による刺激(周方向引張り応力)

三層構造をなしている血管壁において,最も内側で血流と接している内壁を覆っているのが血管内皮細胞である。血管内皮細胞に対して,血流が血管壁に及ぼす3つの力学的刺激のなかで壁面せん断応力が,最も支配的な影響を与えることが知られている5)

連載講座 生命科学を拓く新しい実験動物モデル−19

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 医学部を出て臨床医をしていたころは,“疾患のモデルマウス”などの言葉を日頃からよく耳にし,モデル生物という概念になんの疑いも持っていなかった。ところが,英国留学をきっかけに研究分野を動物学に移し,欧州の進化発生学の学会などに参加したりすると,そこは“モデル”生物という言葉に敵意というか,あからさまな嫌悪感を隠さない研究者ばかりの集団で,当初は戸惑ったのを憶えている。確かに,種の多様性が大好きな動物学者からみれば,すべての左右相称動物は等しく5億数千万年の時をともに過ごしてきたはずである。そこでどの種が規範となるモデルで,どの種が変なアウトローか,などと議論しだしたら喧嘩になってしまうであろう。実際のところ,伝統的な多くのモデル動物は,飼いやすいとか継代が早いとかお金がかからないだとか,要は研究者の都合で選ばれてきたわけで,“モデル”という言葉が示唆する典型的普遍的な形態や機能や発生メカニズムを保持しているとは限らない。むしろ,世代回転が早いために,より修飾を受けている可能性も高いわけである。そうはいっても,モデル生物が生物学の進歩に多大に貢献してきたことはまちがいのない事実で,酵母にせよケンサキイカにせよイモリにせよ,研究テーマに応じてまさに奇跡のようにドンピシャリの生物がいてくれたおかげで,われわれの学問が進歩してきた。

 進化学の分野でのモデル生物は何か,と改めて問われれば,それはやはり系統樹上で要所を占めていて,そのうえ進化速度が遅くて比較的祖先型が保たれている可能性が高い生物種,ということになるのであろうか? そこから相同性相似性を見極め,進化・多様化の過程やそのメカニズムを検証していく作業が容易になるからである。もちろん絶滅した種まで含めてモデル生物として研究できればそれは進化学者のパラダイスであるが,現時点では古生物学の解析手法は著しく限定的で,この点ではまだまだ現実的な実験技術の制約を受けている。それでもモデル生物の選択理由が,入手しやすいとか実験操作がしやすいとかいった人間の都合から,技術進展のおかげで純粋に科学的な見地から選べるようになってきた,というのが現状ではないだろうか。

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 2012年に登場したCRISPR/Cas9ゲノム編集技術は,生命科学・医科学研究に革命をもたらした。著名科学誌はもちろん,テレビや新聞でも“ゲノム編集”という用語を頻繁に目にするようになり,遺伝子疾患治療への応用を期待する声が高まっている。標的とするゲノム配列を自在に操ることができるこの技術をマウス受精卵へ適用することにより,遺伝子ノックアウトのみならず,蛍光タンパク質や組換え酵素などの機能遺伝子カセットを有するノックインマウスの作製も容易になった。近年,国内でノックイン高効率化のために緻密な工夫が重ねられており,マウス受精卵におけるゲノム編集技術の改良は,わが国の研究者が大いに開発貢献している分野であることを本稿で概説したい。

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目次

書評 阪上 洋行

書評 光嶋 勲

次号予告

あとがき 松田 道行
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 パリで開催されているInternational Curie Course on “cell biology and cancer”に参加しています。私以外の講師の多くはInstitute Curieのラボヘッドですが,その話の多くは,本号で扱っているメカノバイオロジーの話でした。発生の形づくりがメカノバイオロジーの範疇に入るのは当然としても,「がん細胞を押しつぶして核を変形させたらどうなるか」といった話(これは面白い! DNAに傷が入って転移しやすくなるのです)や,組織の硬さががん細胞の幹細胞性を規定するといった力学の話ががんの話題でも普通に出てきました。物理出身というラボヘッドも決して珍しくありません。そして,PDMSで作った人工流路の研究をだれもが当たり前のようにやっていることにも驚きました。Marie Curieの名を冠する研究所だからということではないと思うのですが,彼我の差に愕然とします。ちなみにInstitute CurieはドイツのMax-Planck研究所と同様に政府の研究機関で,日本の理研に近いようです。そういえば,オランダのがん研究所もAntonie van Leeuwenhoek研究所という名前でした。日本では個人の業績は隠すのが美徳とされ,個人名を付けた組織もほとんどありませんが,そろそろ変えてもいいかもしれません(鈴木梅太郎研究所とか)。

 なお,本号ではCRISPR/Cas9を使った遺伝子変異導入の最速の方法と,系統進化研究で古くからつかわれているナメクジウオの2つの話題も扱っていますが,速さを競う研究と悠久の時の流れを探る研究と対照的です。分野も時間軸も,さまざまなものがあるのが研究だと改めて感じるところです。

基本情報

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生体の科学
70巻4号 (2019年8月)
電子版ISSN:1883-5503 印刷版ISSN:0370-9531 金原一郎記念医学医療振興財団

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