細胞間結合タイトジャンクションの形態形成メカニズムの解明

• Project/Area Number: 21H02523
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44040:Morphology and anatomical structure-related
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 古瀬 幹夫 生理学研究所, 生体機能調節研究領域, 教授 (90281089)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅原 太一 熊本大学, 大学院先導機構, 助教 (30758412)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 上皮細胞 / タイトジャンクション / クローディン / JAM / CAR / ZO-1 / 上皮バリア機能 / 電子顕微鏡 / 微細形態

Outline of Research at the Start

タイトジャンクション（TJ）は、細胞同士の隙間を塞ぐことにより上皮バリア機能に寄与する細胞間結合である。本研究では、TJの機能制御に直結する特徴的な形態である1）局所的に形成されるTJのベルト構造、2）細胞あたりのTJの量の多様性、3）細胞あたりのTJの総延長の多様性を生み出すメカニズムを分子レベルで明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

私たちは，典型的な培養上皮細胞として知られるイヌ腎臓由来MDCK II細胞から、タイトジャンクション(TJ)の膜タンパク質クローディンファミリー5種とJAM-Aを同時に欠損させた細胞（CJ細胞）において、TJが失われるだけでなく、細胞の頂端付近にベルト状に存在する普遍的な上皮細胞間接着が部分的に破断することを見出していた。この現象の解明はタイトジャンクション形成のみならず、接着複合体の形成メカニズムの理解にも寄与すると考えらえれることから、CJ細胞の特性を詳細に解析した。ZO-1-GFPを接着複合体のマーカーとして安定的に導入したCJ細胞のタイムラプスイメージングにより、CJ細胞の細胞間接着の破断は細胞の伸展や分裂に伴って生じ、自然に修復されたことから、力学的ストレスがCJの破断を引き起こしていることが示唆された。さらに、CJ細胞にクローディン1とJAM-Aの全長分子あるいはこれらの細胞間相互作用欠失変異体やZO－1結合変異体を安定的にCJ細胞に導入して観察した結果、クローディン・JAM-Aによる細胞間接着の安定化には細胞間での相互作用とZO-1との連結の両方が必要であった。超解像顕微鏡を用いてZO-1の分子構造を解析した結果、正常細胞では開いた構造をとるZO-1が、クローディン・JAM-A欠損細胞ではより閉じた構造をとることが示唆された。さらに、CJ細胞からTJの膜タンパク質CARを欠失させると、細胞間接着の破断は増大し、細胞膜にN末端、細胞質側にC末端を向けたZO-1の配向が失われた。これらの結果から、TJの膜タンパク質であるクローディン、JAM-A、CARは、協調的に裏打ちタンパク質ZO-1の分子構造を制御することにより、力学的ストレスに対する上皮細胞間接着の安定性に寄与することがわかった。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] シャリテー ベルリン医科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Leibniz-Forschungsinstitut/Kiel University/Charite(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Bern(スイス)
• [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] Reconstitution of functional tight junctions with individual claudin subtypes in epithelial cells (2023)
  • Author(s): Ryutaro Kasikuma, Makoto Nagano, Hiroyuki Shimamura, Kouya Nukaga, Ikumi Katsumata, Junko Y. Toshima, Jiro Toshima
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 48 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1247/csf.22068
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Identification of the genes encoding candidate septate junction components expressed during early development of the sea urchin, Strongylocentrotus purpuratus, and evidence of a role for Mesh in the formation of the gut barrier (2023)
  • Author(s): Jonusaite Sima、Oulhen Nathalie、Izumi Yasushi、Furuse Mikio、Yamamoto Takashi、Sakamoto Naoaki、Wessel Gary、Heyland Andreas
  • Journal Title: Developmental Biology Volume: 495 Pages: 21-34
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2022.12.007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] 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] Nanoscale segregation of channel and barrier claudins enables paracellular ion flux. (2022)
  • Author(s): Gonschior H, Schmied C, Eva Van der Veen R, Eichhorst J, Himmerkus N, Piontek J, Gunzel D, Bleich M, Furuse M, Haucke V, Lehmann M.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4985-4985
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32533-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] EpCAM proteolysis and release of complexed claudin-7 repair and maintain the tight junction barrier (2022)
  • Author(s): Higashi Tomohito、Saito Akira C.、Fukazawa Yugo、Furuse Mikio、Higashi Atsuko Y.、Ono Masahiro、Chiba Hideki
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 222 Issue: 1
  • DOI: 10.1083/jcb.202204079
  • Peer Reviewed
• [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] Claudin-9 constitutes tight junctions of folliculo-stellate cells in the anterior pituitary gland (2021)
  • Author(s): Higashi Atsuko Y.、Higashi Tomohito、Furuse Kyoko、Ozeki Kana、Furuse Mikio、Chiba Hideki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 21642-21642
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01004-z
  • Peer Reviewed
• [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] Loss of Claudin-3 Impairs Hepatic Metabolism, Biliary Barrier Function, and Cell Proliferation in the Murine Liver (2021)
  • Author(s): Baier Felix Alexander、Sanchez-Taltavull Daniel、Yarahmadov Tural、Castella Cristina Gomez、Jebbawi Fadi、Keogh Adrian、Tombolini Riccardo、Odriozola Adolfo、Dias Mariana Castro、Deutsch Urban、Furuse Mikio、Engelhardt Britta、Zuber Benoit、Odermatt Alex、Candinas Daniel、Stroka Deborah
  • Journal Title: Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology Volume: 12 Issue: 2 Pages: 745-767
  • DOI: 10.1016/j.jcmgh.2021.04.003
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 3細胞結合部位をシールする分子機構 (2024)
  • Author(s): 古瀬幹夫
  • Organizer: 日本薬学会第144年会シンポジウム[上皮バリアの分子基盤を標的とした創薬研究の最前線]
  • Invited
• [Presentation] Tricellular junctions (2023)
  • Author(s): Mikio Furuse
  • Organizer: Gordon Research Conference Cell contact and adhesion
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of bicellular tight junctions by angulin-1 (2023)
  • Author(s): Mikio Furuse
  • Organizer: Tight Junctions: from Structure and Development to Therapeutics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How to seal tricellular corners (2023)
  • Author(s): Mikio Furuse
  • Organizer: DPG 2023 Symposium “Tight junction: Barrier, Channel and More”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トリセルラータイトジャンクションの膜タンパク質アンギュリン-1によるタイトジャンクション形成の制御 (2022)
  • Author(s): 菅原太一,若山友彦, 古瀬幹夫
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 立体構造に基づく点変異導入を利用したタイトジャンクションタンパク質ZO-1の機能解析 (2022)
  • Author(s): 藤原佐知子、天野剛志、廣明秀一、古瀬幹夫
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] The roles of claudins and JAM-A in providing tight junction-dependent mechanical resistance. (2022)
  • Author(s): Thanh Phuong Nguyen, Tetsuhisa Otani, Mikio Furuse
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Remarks] 生理学研究所細胞構造研究部門
  • URL: https://www.nips.ac.jp/dcs/
• [Remarks] 生理学研究所細胞構造研究部門
  • URL: http://www.nips.ac.jp/dcs/