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: Granted (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: タイトジャンクション / 上皮細胞 / クローディン / 上皮バリア機能 / 電子顕微鏡 / ZO-1 / 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

タイトジャンクション（ＴＪ）をもたないクローディン欠失ＭＤＣＫ細胞に、クローディンの各サブタイプを発現させてＴＪを再構成させ、その形態、バリア機能を解析した。クローディン欠失ＭＤＣＫ細胞を樹立する際にゲノム編集により破壊した5つのクローディンは、そのすべてが単独でバリアとして機能的なTJを形成できる一方、ＭＤＣＫ細胞に内在性に発現するクローディン１２、１６はＴＪを形成できないことが明らかになった。凍結割断法による解析からTJを再構成した5つのクローディンのうち、クローディン１，２，３は分岐のあるＴＪストランドを形成し、クローディン4は平行で交わりにくいＴＪストランドを形成した。次に、チャネル型クローディンであるクローディン２、１０ａ, １０ｂ, １５をそれぞれ単独でクローディン欠失ＭＤＣＫ細胞に発現させたところ、いずれのクローディンも単独でTJを形成し、paracellular flux アッセイにおいて十分なバリア機能を示す一方、従来報告されていた陽イオン選択性（クローディン２, １０ｂ, １５）、陰イオン選択性（クローディン１０ａ)を示した。したがって、これらのチャネル型クローディンは、他のクローディンサブタイプと相互作用することなく単独でチャネルを形成していることが証明された。今後、異なる発現量、あるいは特定のクローディンのサブタイプの組み合わせにより再構成されたTJの形態と機能の解析にこの研究を発展させる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

アンギュリン欠失細胞におけるTJ量の増強については追加実験により論文化がやや遅れているものの、TJの蛇行する形態形成機構の一端について共同研究により明らかにできた。

Strategy for Future Research Activity

アンギュリン欠失細胞におけるTJ量の増強についてデータを集めてR5年度前半に論文投稿する。TJの蛇行形態の形成機構を器官レベルで解析する。

Research Products

• [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] 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] 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: http://www.nips.ac.jp/dcs/