細胞競合の普遍的制御分子の同定とその動作機序の解明

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Understanding multicellular autonomy by competitive cell-cell communications
• Project/Area Number: 21H05285
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 藤田 恭之 京都大学, 医学研究科, 教授 (50580974)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Keywords: 細胞競合 / 接触阻害

Outline of Annual Research Achievements

細胞集団内に生まれた異常細胞や変異細胞は、細胞間相互作用を介した細胞排除現象である「細胞競合」によって集団から排除される。藤田らはこれまで、哺乳類培養細胞やマウスモデルにおいて正常上皮細胞層中にがん原性変異が生じた際、隣接する正常細胞との間で細胞競合が生じ、変異細胞が管腔側への逸脱や細胞死によって除去されることを見いだしてその機構を解明してきた。一方、藤田や本領域代表者の井垣らによる最近の研究から、細胞競合のトリガーはこれまでの想像以上に多様であることが見えてきた。そこで本計画研究では、がん原性変異に加えて代謝異常、細胞老化など様々な機能低下・異常細胞と正常細胞との細胞競合へと研究対象を拡大し、様々な細胞競合の勝者・敗者の境界面で普遍的かつ細胞競合特異的に機能する分子群を同定する。これにより、細胞競合の普遍的制御分子群を同定し、その動作機序を解明することで、細胞競合の普遍的メカニズムを理解する。さらに、得られた分子群について種々の細胞競合モデルマウスを用いた生体レベルでの解析を行うとともに、領域内共同研究を通じて細胞競合による多細胞生命システムの自律性の生成メカニズムの解明に迫る。また多細胞生命体の細胞間コミュニケーションを司る重要なプロセスの一つである接触阻害についても研究を進める。これまでの研究で、接触阻害と細胞競合という二つの異なるプロセスが共通の分子メカニズムで制御されていることを示唆するデータを得ている。これらの研究を進めることによって、多細胞生命体の恒常性機構の本態に対する理解を深化させることを目指す。

Current Status of Research Progress

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

Reason

１）新規細胞競合培養系の確立
ショウジョウバエにおいては、リボゾームタンパク質をコードする遺伝子変異（minute）によるタンパク質合成能の低下が細胞競合を引き起こすことが知られていた。一方で、同様の現象が哺乳類でも起こるかについては、検証が進んでいなかった。そこで、リボゾームタンパク質の一つであるRPL24のノックダウンをテトラサイクリン添加によって誘導できる上皮MDCK細胞株を樹立した。RPL24ノックダウン細胞を正常上皮細胞で取り囲んだ時、RPL24ノックダウン細胞がアポトーシスを起こして上皮細胞層から排除されることを見出した。一方、RPL24ノックダウン細胞の単独培養条件では、アポトーシスは起こらなかった。これらのデータは、RPL24ノックダウンによるタンパク質合成の低下が、細胞競合を誘起していることを示唆している。
２）接触阻害におけるMahjongの役割の解明
以前の研究で、我々はMahjongが細胞競合制御因子の一つであることを報告した(Tamori et al., PLoS Biol., 2010)。まず、細胞密度依存的にMahjong発現が制御されていることを見出した（低密度で高く、高密度で抑制）。さらに、低細胞密度条件下でMahjongをノックダウンすると増殖が低下し、変異細胞の多層化が抑制された。さらに、Mahjongをノックダウンすると接触阻害の重要な制御因子であるYAPの核移行が強く抑制された。これらのデータは、MahjongがYAPの上流で機能する接触阻害の新たな制御因子であることを示唆している（投稿準備中）。

Strategy for Future Research Activity

１）RPL24ノックダウンが誘起する細胞競合の分子メカニズムの解明
RPL24ノックダウン細胞がどのようなメカニズムで隣接する正常細胞との細胞競合の結果、アポトーシスによって上皮細胞層から排除されるか、そのメカニズムを探索する。これまでの研究で、RPL24ノックダウン細胞のhomeostatic cell density（confluentになった時の細胞密度）が正常細胞に比べて低いことを見出している。これは、RPL24ノックダウン細胞がcompactionによる物理ストレスに対する感度が高い可能性を示しており、mechanical competitionの関与が考えられる。これまでにmechanical competitionを制御することが知られているp38MAPKやp53の役割を調べるとともに、compaction assayによって、RPL24ノックダウンによる物理ストレスへのレスポンスを詳細に調べていく。さらに、細胞間コミュニケーションを解析する新たなシステムであるsynNotchスクリーニングにて細胞競合制御タンパク質を網羅的に同定する。
２）MahjongがCIPSを制御する分子メカニズムの解明
興味深いことに、低細胞密度条件下でMahjongをノックダウンするとタンパク質合成が低下することが分かった。さらに、タンパク質合成が、細胞密度依存的に制御されていることを示し（低密度で高く、高密度で低い）、contact inhibition of protein synthesis (CIPS)と命名した。これまで得られた知見は、MahjongがCIPSの重要な制御因子であることを示唆している。次の大きなクエスションは、Mahjongがどのようにしてタンパク質合成を制御しているか、その分子メカニズムの解明である。Mahjongノックダウンによって、mTOR活性やリボゾーム生合成にどのような影響を及ぼすかを調べる。さらに、細胞密度依存的にどのようにしてMahjongの発現が変化するか、そのメカニズムを解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Imperial College London/University College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Imperial College London/University College London
• [Journal Article] Extracellular ATP facilitates cell extrusion from epithelial layers mediated by cell competition or apoptosis (2022)
  • Author(s): Mori Yusuke、Shiratsuchi Naoka、Sato Nanami、Chaya Azusa、Tanimura Nobuyuki、Ishikawa Susumu、Kato Mugihiko、Kameda Ikumi、Kon Shunsuke、Haraoka Yukinari、Ishitani Tohru、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Current Biology Volume: 32 Pages: 2144～2159.e5
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.03.057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Calcium sparks enhance the tissue fluidity within epithelial layers and promote apical extrusion of transformed cells (2022)
  • Author(s): Kuromiya, K., Aoki, K., Ishibashi, K., Yotabun, M., Sekai, M., Tanimura, N., Iijima, S., Ishikawa, S., Kamasaki, T., Akieda, Y., Ishitani, T., Hayashi, T., Toda, S., Yokoyama, K., Lee, C.-G. Usami, I., Inoue, H., Takigawa, I., Gauquelin, E., Sugimura, K., Hino, N., and Fujita, Y.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Pages: 111078～111078
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111078
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hepatocyte growth factor derived from senescent cells attenuates cell competition-induced apical elimination of oncogenic cells (2022)
  • Author(s): Igarashi Nanase、Miyata Kenichi、Loo Tze Mun、Chiba Masatomo、Hanyu Aki、Nishio Mika、Kawasaki Hiroko、Zheng Hao、Toyokuni Shinya、Kon Shunsuke、Moriyama Keiji、Fujita Yasuyuki、Takahashi Akiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 4157
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31642-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-degradable autophagic vacuoles are indispensable for cell competition (2022)
  • Author(s): Akter Eilma、Tasaki Yukihiro、Mori Yusuke、Nakai Kazuki、Hachiya Kazuki、Lin Hancheng、Konno Masamitsu、Kamasaki Tomoko、Tanabe Kenji、Umeda Yumi、Yamano Shotaro、Fujita Yasuyuki、Kon Shunsuke
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Pages: 111292～111292
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111292
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Src activation in lipid rafts confers epithelial cells with invasive potential to escape from apical extrusion during cell competition (2022)
  • Author(s): Kajiwara Kentaro、Chen Ping-Kuan、Abe Yuichi、Okuda Satoru、Kon Shunsuke、Adachi Jun、Tomonaga Takeshi、Fujita Yasuyuki、Okada Masato
  • Journal Title: Current Biology Volume: 32 Pages: 3460～3476.e6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.06.038
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrastructural characteristics of finger-like membrane protrusions in cell competition (2022)
  • Author(s): Kamasaki Tomoko、Uehara Ryota、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Microscopy Volume: 71 Pages: 195～205
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Basal extrusion of single‐oncogenic mutant cells induces dome‐like structures with altered microenvironments (2022)
  • Author(s): Shirai Takanobu、Sekai Miho、Kozawa Kei、Sato Nanami、Tanimura Nobuyuki、Kon Shunsuke、Matsumoto Tomohiro、Murakami Takeru、Ito Shoko、Tilston‐Lunel Andrew、Varelas Xaralabos、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 113 Pages: 3710～3721
  • DOI: 10.1111/cas.15483
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞間に生じる細胞競合ー癌の発生から進展におけるその役割 (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 国際癌治療増感研究協会 第23回菅原・大西記念 癌治療増感シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞間に生じる細胞競合 (2022)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 日本生化学会東北支部 第88回例会・シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 正常細胞と変異細胞間に生じる細胞競合 (2022)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: Cardiovascular-Metabolism-Aging Research Seminar
  • Invited
• [Presentation] 細胞競合におけるROSと細胞外ATPの役割 (2022)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
  • Invited
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞間に生じる細胞競合 (2022)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第81回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] Cell Competition Between Normal and Transferral Epithelial Cells (2022)
  • Author(s): Yasuyuki Fujita
  • Organizer: the Champalimaud Research Symposium 2022 (CRSy22)
  • Int'l Joint Research / Invited