細胞間接着を起点とした細胞競合の分子機構とその生理的制御機構の解明

• Project Area: Understanding multicellular autonomy by competitive cell-cell communications
• Project/Area Number: 21H05286
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 小田 裕香子 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (70452498)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大谷 哲久 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (50415105)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥102,310,000 (Direct Cost: ¥78,700,000、Indirect Cost: ¥23,610,000); Fiscal Year 2025: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000); Fiscal Year 2024: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000); Fiscal Year 2023: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000); Fiscal Year 2022: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000); Fiscal Year 2021: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000)
• Keywords: 上皮細胞 / 細胞間接着 / Afadin / 細胞間接着誘導ペプチド / アクトミオシン / Hippo経路 / 細胞競合 / 上皮 / メカニカルストレス / 生理活性ペプチド / 組織修復

Outline of Research at the Start

上皮細胞間の接着は、多細胞生命システムの構築と自律性に重要な役割を果たしている。代表者の小田は最近、上皮細胞間接着を誘導する新規ペプチドの同定に成功した。一方で、分担者の大谷は最近、細胞間接着が破綻した細胞が正常細胞に近接すると細胞競合によって排除されることを見いだした。ショウジョウバエにおいては細胞間接着構成因子の変異が細胞競合を起こすことが見いだされており、細胞間接着が細胞競合の制御に重要であることが強く示唆されている。本研究では培養細胞系および上皮傷害モデルマウスを用いて、「細胞間接着の動態・制御を起点とした細胞競合の動作機序」と「傷害・炎症に応答した細胞競合の制御機構」を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

これまでに、細胞間接着が破綻した細胞が細胞競合によって排除されること、この時に周囲の正常細胞のアドヘレンス・ジャンクション、境界面に形成されるアクトミオシン束、またHippoシグナル伝達経路が重要であることを見出してきた。今年度はこれらの因子の遺伝学的上下関係を検討したところ、アクトミオシン束の形成を制御するROCKの下流でHippoシグナル伝達経路が正常細胞において作用すること、またHippoシグナル伝達経路の下流でアドヘレンスジャンクションの構成因子であるAfadinが敗者細胞の排除を実行することを見出した。さらに、Afadinによる敗者細胞の排除の制御機構について検討したところ、Afadinがクローンの境界面の安定化に働くことにより、敗者細胞を囲いこんで機械ストレスによる排除を促進する可能性が示唆された。
一方、細胞競合においては、初期がん細胞であるRas変異細胞は周りの正常細胞によって排除されることが明らかにとなっている。この細胞競合の分子メカニズムに関しては多くのことが明らかにされつつあるが、制御方法についてはほとんど着手されていない。細胞老化・個体の肥満により、Ras変異細胞が細胞競合で排除できなくなることが最近報告された(Igarashi et al., Nat. Comm. 2022)。すなわち、間質細胞からHGF(Hepatocyte growth factor)が分泌され、Ras変異細胞が基底側に潜り込み、より悪性化する。一方で、研究代表者らが同定した細胞間接着誘導ペプチドJIPが抗HGF活性を持つことを見出している。そこで、老化により低下した細胞競合能をJIPにより回復・制御することができるか、MDCKII細胞を用いて検討を行った。JIPの処理濃度やタイミングを検討し、JIPによって基底膜側への潜り込みが抑えられ、apical側への排除が促進されることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

細胞間接着が破綻した細胞が排除される細胞競合現象に関わる基本的なシグナル伝達経路の概要の理解が進んだと共に、Afadinがクローン境界の安定化に関わるという新たな現象を見出した。また、細胞競合の制御については、より悪性化が進み排除ができなくなった細胞に関して、JIPによって細胞競合による排除が回復することが示唆された。

Strategy for Future Research Activity

今年度、敗者細胞の排除の実行にAfadinが必須であることを見出し、Afadinがクローン境界面の安定化を介して作用するとの作業仮説が得られた。今後、Afadinの構造機能解析を行い、Afadinによる敗者細胞の排除の実行の分子機構を解明したい。また、敗者細胞の排除にはHippoシグナル伝達経路が必要であることから、RNAseqによって共培養時に発現変動する遺伝子を探索し、細胞間接着が破綻した細胞の排除に関わる遺伝子、およびこの細胞競合現象の分子マーカーを同定することを目指す。
細胞競合の制御に関しては、前年度までに見出したHGF+JIPの実験系をより生理的な条件で検討を行う。家族性大腸腺腫症（Familial Adenomatous Polyposis, FAP）は、がん抑制因子であるAPC に変異が原因であることが知られる。APC変異細胞の集団の中にRas変異細胞が出現すると、このRas変異細胞は基底側に潜り込むことが知られ、これにより悪性化が進行すると考えられる。そこで、APCノックアウト細胞に囲まれたRas変異細胞がJIPによって再び排除されうるか、すなわちJIPが細胞競合能を回復・制御可能かを、培養細胞およびマウスにて検証を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCL(英国)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ミュンスター大学(ドイツ)
• [Journal Article] Tight junction membrane proteins regulate the mechanical resistance of the apical junctional complex (2024)
  • Author(s): Nguyen Thanh Phuong、Otani Tetsuhisa、Tsutsumi Motosuke、Kinoshita Noriyuki、Fujiwara Sachiko、Nemoto Tomomi、Fujimori Toshihiko、Furuse Mikio
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 223 Issue: 5 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1083/jcb.202307104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective mechanical potential of cell-cell interaction explains three-dimensional morphologies during early embryogenesis (2023)
  • Author(s): H Koyama, H Okumura, AM Ito, K Nakamura, T Otani, K Kato, T Fujimori
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 19 Issue: 8 Pages: 1-27
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011306
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanism of interdigitation formation at apical boundary of MDCK cell (2023)
  • Author(s): S Miyazaki, T Otani, K Sugihara, T Fujimori, M Furuse, T Miura
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 5 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106594
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Apoptotic extracellular vesicle formation mediated by local phosphatidylserine exposure drives efficient cell extrusion (2023)
  • Author(s): Kira A, Tatsutomi I, Saito K, Murata M, Hattori I, Haruna K, Muraki N, Oda Y, Satoh S, Tsukamoto Y, Kimura S, Onoue K, Yonemura S, Arakawa S, Kato H, Hirashima T, Kawane K
  • Journal Title: Dev. Cell Volume: 58 Issue: 14 Pages: 1282-1298
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2023.05.008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Erebosis, a new cell death mechanism during homeostatic turnover of gut enterocytes (2022)
  • Author(s): Hanna M Ciesielski, Hiroshi Nishida, Tomomi Takano, Aya Fukuhara, Tetsuhisa Otani, Yuko Ikegawa, Morihiro Okada, Takashi Nishimura, Mikio Furuse, Sa Kan Yoo
  • Journal Title: PLoS Biol. Volume: 20 Issue: 4 Pages: e3001586-e3001586
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001586
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tight junction formation by a claudin mutant lacking the COOH-terminal PDZ domain-binding motif (2022)
  • Author(s): Sachiko Fujiwara, Thanh Phuong Nguyen, Kyoko Furuse, Yugo Fukazawa, Tetsuhisa Otani, Mikio Furuse
  • Journal Title: Ann N Y Acad Sci. Volume: 1516 Issue: 1 Pages: 85-94
  • DOI: 10.1111/nyas.14881
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ZO-1 Guides Tight Junction Assembly and Epithelial Morphogenesis via Cytoskeletal Tension-Dependent and -Independent Functions (2022)
  • Author(s): Alexis J Haas, Ceniz Zihni, Susanne M Krug, Riccardo Maraspini, Tetsuhisa Otani, Mikio Furuse, Alf Honigmann, Maria S Balda, Karl Matter
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 23 Pages: 3775-3775
  • DOI: 10.3390/cells11233775
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 上皮組織の修復を促進する新規生体由来ペプチドJIPの発見 (2022)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 283 Pages: 286-287
• [Journal Article] タイトジャンクションの形成を誘導する新規生理活性ペプチドJIPの発見 (2022)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Journal Title: 生化学 Volume: 94 Pages: 715-719
• [Journal Article] JAM-A interacts with α3β1 integrin and tetraspanins CD151 and CD9 to regulate collective cell migration of polarized epithelial cells (2022)
  • Author(s): Sonja Thölmann, Jochen Seebach, Tetsuhisa Otani, Luise Florin, Hans Schnittler, Volker Gerke, Mikio Furuse, Klaus Ebnet
  • Journal Title: Cellular and Molecular Life Sciences Volume: 79 Issue: 2 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1007/s00018-022-04140-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Occludin and tricellulin facilitate formation of anastomosing tight-junction strand network to improve barrier function (2021)
  • Author(s): Saito Akira C.、Higashi Tomohito、Fukazawa Yugo、Otani Tetsuhisa、Tauchi Masashi、Higashi Atsuko Y.、Furuse Mikio、Chiba Hideki
  • Journal Title: Molecular Biology of the Cell Volume: 32 Issue: 8 Pages: 722-738
  • DOI: 10.1091/mbc.e20-07-0464
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Angulin-1 seals tricellular contacts independently of tricellulin and claudins (2021)
  • Author(s): Sugawara Taichi、Furuse Kyoko、Otani Tetsuhisa、Wakayama Tomohiko、Furuse Mikio
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 220 Issue: 9
  • DOI: 10.1083/jcb.202005062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of anti-inflammatory physiological peptides that promote tissue repair by reinforcing epithelial barrier formation (2021)
  • Author(s): Oda Y., Takahashi C., Harada S., Nakamura S., Sun D., Kiso K., Urata Y., Miyachi H., Fujiyoshi Y., Honigmann A., Uchida S., Ishihama, Y. and Toyoshima, F.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 47 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj6895
  • NAID: 120007169950
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞競合を介した上皮バリアの恒常性維持機構 (2023)
  • Author(s): 大谷哲久
  • Organizer: 日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 上皮組織修復をになう新規生理活性ペプチドの同定 (2023)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 日本再生医療学会科学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 細胞間接着を誘導する生理活性ペプチドによる悪性がんの制御 (2023)
  • Author(s): 小川慶悟, 小田裕香子
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] Regulation of apical elimination of oncogenic cells during cancer development and aging (2023)
  • Author(s): Lu Yan, Shiyu Ayukawa, Takeshi Maruyama, Yukako Oda
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 細胞間接着を誘導する上皮組織修復ペプチドから迫る再生・組織成熟化の理解 (2023)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] TJ membrane proteins regulate the mechanical resistance of the apical junctional complex (2023)
  • Author(s): Tetsuhisa Otani, Thanh Phuong Nguyen, Mikio Furuse
  • Organizer: Gordon Research Conference "Cell Contact and Adhesion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discovery of novel physiologically active peptide, JIP, that promotes epithelial tissue repair (2023)
  • Author(s): Yukako Oda
  • Organizer: 第100回生理学会
  • Invited
• [Presentation] 上皮バリアの形成を誘導する新規生体由来ペプチドの発見 (2023)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 第10回皮膚の会
  • Invited
• [Presentation] Dissecting the roles of claudins and JAM-A in providing tight junction-dependent mechanical resistance (2022)
  • Author(s): Nguyen Thanh Phuong , Otani Tetsuhisa, Furuse Mikio
  • Organizer: Cell Bio 2022 - An ASCB/EMBO meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞間接着装置と上皮恒常性 (2022)
  • Author(s): 大谷哲久
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
  • Invited
• [Presentation] 上皮組織の細胞間接着制御から迫る多細胞生命の自律性 (2022)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 上皮の細胞間接着と炎症制御を司る新規生理活性ペプチドの同定 (2022)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Competitive elimination of tight junction deficient cells regulate epithelial barrier homeostasis (2022)
  • Author(s): Otani Tetsuhisa, Furuse Mikio
  • Organizer: The 55th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
• [Presentation] Mammalian tissue-derived peptides resolve inflammation and promote tissue-repair by facilitating tight junction (2022)
  • Author(s): Yukako Oda
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] The roles of claudins and JAM-A in providing tight junction-dependent mechanical resistance (2022)
  • Author(s): Nguyen Thanh Phuong , Otani Tetsuhisa, Furuse Mikio
  • Organizer: The 74th Annual Meeting of the Japan Society for Cell Biology
• [Presentation] Competitive elimination of tight junction deficient cells regulate epithelial barrier homeostasis (2022)
  • Author(s): Otani Tetsuhisa, Furuse Mikio
  • Organizer: The 74th Annual Meeting of the Japan Society for Cell Biology
• [Presentation] 上皮細胞間接着を形成誘導する新規生理活性ペプチドの発見 (2022)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: Cardiovascular Scientific Symposium
  • Invited
• [Presentation] Competitive elimination of tight junction deficient cells regulate epithelial barrier homeostasis (2021)
  • Author(s): Tetsuhisa Otani, Mikio Furuse
  • Organizer: The 51st NIPS International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anti-inflammatory peptides promote tissue-repair by reinforcing epithelial barrier (2021)
  • Author(s): Yukako Oda
  • Organizer: The 51st NIPS International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 上皮バリア形成機構の解明 (2021)
  • Author(s): Yukako Oda, Chisato Takahashi, Shota Harada, Shun Nakamura, Daxiao Sun, Kazumi Kiso, Yuko Urata, Hitoshi Miyachi, Yoshinori Fujiyoshi, Alf Honigmann, Seiichi Uchida, Yasushi Ishihama, Fumiko Toyoshima
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会（富澤基金メモリアルイベント）
• [Presentation] Competitive elimination of tight junction deficient cells regulate epithelial barrier homeostasis (2021)
  • Author(s): Tetsuhisa Otani, Mikio Furuse
  • Organizer: 4th International Tight Junction Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel peptides resolve inflammation and promote tissue-repair by inducing tight junction (2021)
  • Author(s): 小田裕香子・豊島文子
  • Organizer: 第73回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞間接着を制御する新規ペプチドの同定と解析 (2021)
  • Author(s): 小田裕香子
  • Organizer: 第60回日本生体医工学会大会・第36回日本生体磁気学会大会
  • Invited