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

• Project Area: Understanding multicellular autonomy by competitive cell-cell communications
• Project/Area Number: 21H05285
• 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: 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
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥128,830,000 (Direct Cost: ¥99,100,000、Indirect Cost: ¥29,730,000); Fiscal Year 2024: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000); Fiscal Year 2023: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000); Fiscal Year 2022: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000); Fiscal Year 2021: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
• Keywords: 細胞競合 / 接触阻害 / 多細胞生命システムの自律性 / synNotchシステム / 空間オミクス解析

Outline of Research at the Start

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。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synNotchシステムおよび空間オミクス解析により網羅的に同定する。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を深めるとともに、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。

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。申請者の藤田らはこれまで、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、申請者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

今年度は特に、細胞競合制御因子AHNAK2の機能解析で大きな進展があった。
AHNAK2は変異細胞に隣接した正常細胞においてリン酸化が亢進し、細胞競合による変異細胞の排除を亢進するする分子として同定された(Cell Rep, 2022）。まず、高浸透圧、高温、酸化ストレスなど様々な外的ストレスによって、AHNAK2のリン酸化が顕著に亢進することを見出した。さらに、リン酸化したAHNAK2がストレスによって生じた変性タンパク質を細胞膜から吐き出すように細胞外へと排出する新たなプロテオスタシスのプロセスに関わっていることを発見し、この現象をSPIT (Selective Purge of Intracellular Trash)と命名した。細胞内には、生じた異常なタンパク質を処理し、恒常性を維持するためにいくつかのメカニズムが存在する。このようなタンパク質のホメオスタシス維持機構はプロテオスタシス（proteostasis）と呼称され、これまでの研究で主に３つのメカニズムが働いていることが明らかになっている。１）Hsp70などのシャペロンタンパク質によるrefolding、２）ユビキチンープロテオゾーム系における分解、３）オートファジーによる分解。我々が発見したSPITは、既知の３つのメカニズムに加えて、新規のプロテオスタシスのプロセスがあることを示したものとして、学術的に大きなインパクトを与えることが期待できる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、SPITの詳細なメカニズムを明らかにしていく。
リン酸化したAHNAK2がどのようなメカニズムで、変性タンパク質を細胞外に排出するのか、その詳細なメカニズムを解明する。さらに、AHNAK2の上流で、どのようなキナーゼが機能しているのか、についても明らかにする。
またSPIT研究を進めることによって、異常タンパク質の凝集が原因となる神経変性疾患や老化関連疾患への臨床応用も期待できる。AHNAK2のリン酸化を亢進する低分子化合物やアプタマーをスクリーニングによって同定し、治療への応用の可能性を探る。さらに、我々は変異細胞に隣接した正常細胞では、AHNAK2のリン酸化が亢進し、それに伴ってaggresomeの形成が著しく減弱することを突き止めた。このデータは、変性タンパク質の処理能力が細胞競合における勝者敗者を決定するfitnessに関わっていることを示唆している。プロテオスターシスの制御がどのようにして細胞競合を誘起するのか、そのメカニズムについても今後解析を進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Imperial College London/University College London(英国)
• [Journal Article] Mechanical convergence in mixed populations of mammalian epithelial cells (2024)
  • Author(s): Gauquelin Estelle、Kuromiya Keisuke、Namba Toshinori、Ikawa Keisuke、Fujita Yasuyuki、Ishihara Shuji、Sugimura Kaoru
  • Journal Title: The European Physical Journal E Volume: 47 Issue: 3 Pages: 21-21
  • DOI: 10.1140/epje/s10189-024-00415-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accumulation of annexin A2 and S100A10 prevents apoptosis of apically delaminated, transformed epithelial cells (2023)
  • Author(s): Ito Shoko、Kuromiya Keisuke、Sekai Miho、Sako Hiroaki、Sai Kazuhito、Morikawa Riho、Mukai Yohei、Ida Yoko、Anzai Moe、Ishikawa Susumu、Kozawa Kei、Shirai Takanobu、Tanimura Nobuyuki、Sugie Kenta、Ikenouchi Junichi、Ogawa Motoyuki、Naguro Isao、Ichijo Hidenori、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 43
  • DOI: 10.1073/pnas.2307118120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wnt activation-induced disturbance of cell competition causes diffuse invasion of transformed cells through upregulation of NF-κB-mediated MMP21 (2023)
  • Author(s): Nakai, K., Lin, H., Yamano, S., Tanaka, S., Kitamoto, S., Sakuma, K., Kurauchi, J., Akter, E., Konno, M., Koseki, J., Takahashi, H., Yokoyama, H., Shiraki, Y., Enomoto, A., Abe, S., Hayakawa, Y., Ushiku, T., Mutoh, M., Fujita, Y. and Kon, S.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 7048-7048
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42774-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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 Issue: 10 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 CG, Usami I, Inoue H, Takigawa I, Gauquelin E, Sugimura K, Hino N, Fujita Y
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Issue: 2 Pages: 111078-111078
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111078
  • Peer Reviewed / Open Access / 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 Issue: 1 Pages: 4157-4157
  • 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 Issue: 9 Pages: 111292-111292
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111292
  • Peer Reviewed / Open Access / 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 Issue: 16 Pages: 3460-3476
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.06.038
  • Peer Reviewed / Open Access / 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: in press Issue: 4 Pages: 195-205
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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 Issue: 11 Pages: 3710-3721
  • DOI: 10.1111/cas.15483
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The CD44/COL17A1 Pathway Plays a Vital Role in the Formation of Multilayered, Transformed Epithelia. (2021)
  • Author(s): Kozawa K, ,Sekai M, Ohba K, Ito S, Sako H, Maruyama T, Kakeno M , Kuromiya K, Kamasaki T, Kohashi K, Ishikawa S, Sato N, Asano S, Suzuki H, Tanimura N, Mukai Y, Gotoh N, Tanino M, Tanaka S Natsuga K, Soga T. Nakamura T, Yabuta Y, Saitou M, Ito T, Matsuura K, Tsunoda M,et.al..
  • Journal Title: Curr Biol Volume: 31 Issue: 14 Pages: 3086-3097
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.04.078
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sequential oncogenic mutations influence cell competition (2021)
  • Author(s): Kohashi Koki、Mori Yusuke、Narumi Rika、Kozawa Kei、Kamasaki Tomoko、Ishikawa Susumu、Kajita Mihoko、Kobayashi Rei、Tamori Yoichiro、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 18 Pages: 3984-3995
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.06.064
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell competition-induced apical elimination of transformed cells, EDAC, orchestrates the cellular homeostasis (2021)
  • Author(s): Kon Shunsuke、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: Developmental Biology Volume: 476 Pages: 112-116
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2021.03.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] FBP17-mediated finger-like membrane protrusions in cell competition between normal and RasV12-transformed cells (2021)
  • Author(s): Kamasaki Tomoko、Miyazaki Yumi、Ishikawa Susumu、Hoshiba Kazuya、Kuromiya Keisuke、Tanimura Nobuyuki、Mori Yusuke、Tsutsumi Motosuke、Nemoto Tomomi、Uehara Ryota、Suetsugu Shiro、Itoh Toshiki、Fujita Yasuyuki
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 9 Pages: 102994-102994
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102994
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homeostatic membrane tension constrains cancer cell dissemination by counteracting BAR protein assembly (2021)
  • Author(s): Tsujita Kazuya、Satow Reiko、Asada Shinobu、Nakamura Yoshikazu、Arnes Luis、Sako Keisuke、Fujita Yasuyuki、Fukami Kiyoko、Itoh Toshiki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5930-5930
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26156-4
  • NAID: 120007165701
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] がん免疫 (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第9回がんと代謝研究会
  • Invited
• [Presentation] SSP基礎講座：がんの超初期段階で生じる細胞競合 (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第82回日本癌学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] Cell Biology (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第41回札幌国際がんシンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞の境界で生じる細胞競合 (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第3回がんと代謝セミナー
  • Invited
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞の境界で生じる細胞競合-がんの未病の理解を目指して- (2023)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 千里ライフサイエンスセミナーV4
  • Invited
• [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
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 学術変革領域(A) [競合的コミュニケーションから迫る 多細胞生命システムの自律性] 第1回 領域班会議
• [Presentation] 正常上皮細胞と変異細胞間に生じる細胞競合 (2021)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 2021年度生理研研究会
  • Invited
• [Presentation] がんの発生から進展における細胞競合 (2021)
  • Author(s): 藤田恭之
  • Organizer: 第80回日本癌学会学術総会
  • Invited