2020 Fiscal Year Annual Research Report
Roles of nuclear actin in cellular senescence: elucidation of the molecular mechanism and establishment of its operation
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20J21836
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 祐人 東北大学, 農学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 早老症 / 核内アクチン / ラミンA / プロジェリン / テラヘルツ光 / 核構造 / 遺伝子発現 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
真核生物の遺伝子情報を担うDNAと核内タンパク質の複合体であるクロマチンが収納された細胞核の内膜に存在する核ラミナは、正常な核構造形成に重要である。健常者と比較して老化が8倍もの速さで進行する難病である早老症の患者の細胞では、核ラミナを構成する主要な因子であるラミンAに変異が発生したプロジェリンが発現している。プロジェリンが核に蓄積することで正常な核機能に様々な異常が生じ、早老症病態が発現すると予想されている。
早老症細胞では、核内アクチン繊維が減少することをこれまでに見出していた。核内アクチン繊維は核内で一過的に形成されるアクチンの重合体であり、正常な核構造形成やDNA損傷修復、遺伝子発現に重要な役割を果たす核内構造体である。これが減少することでどのように早老症病態に繋がるのかはこれまで不明であったため、当該年度は核内アクチン繊維の減少と早老症病態の関連性を明らかにすることを目的に研究を行った。まず、核内アクチン繊維が減少した早老症細胞に核移行シグナルであるNLSを付与したアクチン（NLS-アクチン）を外来的に発現させ、人為的に核内アクチン繊維形成を誘導したところ、早老症細胞の代表的な表現型である核膜が陥入した核構造異常が相補されることが見出された。また同様の方法で核内アクチン繊維形成を誘導した場合、早老症細胞で活性が減弱するWnt/β-cateninシグナルの活性が回復した。Wnt/β-cateninシグナルは細胞の正常な増殖に関与する遺伝子の発現を制御することから、本研究により核内アクチン繊維の減少が早老症細胞の核構造異常と遺伝子発現の原因の一部となっていることが明らかとなった。
当該年度の研究により、核内アクチン繊維の減少で細胞老化がもたらされるという新規な知見を得ることに成功した。以上の研究結果を1報の国際論文誌（Nucleus誌）と1報の国内学会で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該年度で研究全体の二つの目的のうち、一つ目である核内アクチン繊維の減少と細胞老化の関連性を追究することを達成できたため、このような区分で評価した。核内アクチン繊維が果たす正常な核構造形成と遺伝子発現制御の役割に着目した解析により、核内アクチン繊維の減少が早老症細胞の核構造異常と、一部の遺伝子発現異常を生じさせることを明らかにできた。また、他にもNLS-アクチンの外来性発現によって核内アクチン繊維形成を促進した早老症細胞のDNA損傷頻度の変化や、細胞の老化マーカーであるSA-β-galの蓄積を調べたところ、DNA損傷頻度はむしろ増加し、SA-β-galの蓄積は変化しないことが分かった。これらの解析を通し、核内アクチン繊維の減少と関連しない早老症細胞の表現型についても調べることができた。以上のように、当該年度で核内アクチン繊維減少と早老症病態との関連性の有無を明らかにするため、予定していた解析の全てを実施することができたのは、研究の大きな進歩である。
加えて、研究全体の二つ目の目標である、テラヘルツ光照射により人為的に核内アクチン繊維形成を促進することで早老症病態を緩和するという目的を達成する足掛かりとして、核内アクチン繊維がどのような早老症病態と関連しているかという詳細な情報は必要不可欠であった。そのため、次のテラヘルツ光を利用した早老症病態抑制の実験に繋がる研究結果を得ることができたという点でも、研究に大きな進展が得られたと判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今までの研究で、テラヘルツ光を照射することで細胞のアクチンの重合化が促進され、アクチン繊維形成が促されることが分かっている。従来のアクチン繊維化を促進する手法としては、薬剤を用いた手法や、外来的にアクチン遺伝子を導入する方法があった。しかし、これらの方法は一過的にアクチンの繊維化を促進できず、細胞毒性が高いことから治療に向けた応用が困難であった。そこで、今後は早老症細胞にテラヘルツ光を照射した場合の核形態異常や遺伝子発現異常といった早老症病態の変化を解析することで、テラヘルツ光照射が早老症病態の緩和に応用できるか調べることを計画している。
ラミンAは核内膜の核ラミナ中だけではなく、核内部の核質と呼ばれる部位にも存在している。現在までに得た研究結果から、ラミンAに変異が生じ、アクチンとの相互作用部位を部分的に欠失したプロジェリンが発現することで核内アクチン繊維形成促進機能が損なわれ、早老症細胞で核内アクチン繊維が減少すると考えられたが、これは核ラミナ中と核質中のラミンAのどちらが変化したことによる影響であるか不明である。したがって、ラミンAに点変異を生じさせて核ラミナまたは核質に優先的に局在する変異体ラミンAを発現させた細胞の核内アクチン繊維形成の変化を調べることで、核ラミナと核質のどちらのラミンAが核内アクチン繊維形成に影響を与えているかについても解析を行う予定である。
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