今回、基礎生物学研究所初期発生研究部門の野々村恵子助教、藤森俊彦教授らは、米国スクリプス研究所のArdem Patapoutian教授との共同研究により、内皮細胞におけるPIEZO1がリンパ管の弁の正常な発生に必要であることを遺伝子改変マウスの解析により突き止めました。リンパ管の弁はリンパ液が体内を正常に循環するために必要な構造であり、正常個体ではリンパ管の内皮細胞が内腔側へ突出することで形成されます。内皮細胞特異的PIEZO1欠損マウスでは、リンパ管の弁の数が減少しており、弁構造が管の内側へ突出する過程がうまく進行していないことが判明しました。本成果は、学術誌「米国科学アカデミー紀要」に掲載予定で、米国東部時間2018年11月26日の週にオンライン先行公開されます。
上:リンパ管の弁で発現が高いことが知られているインテグリンα9タンパク質を腸間膜にて染色した画像。白い部分(紫矢頭)に弁が形成されている。下:模式図。野生型リンパ管では弁(紫)が多数形成される(左)が、PIEZO1を欠損した場合には弁がほとんど形成されない(右)。
生体を構成する細胞は、細胞間接着を介した細胞間の張力、基質の硬さ、細胞周囲の液流など様々な機械的な刺激に晒されています。近年、細胞がこれらの機械的な力を感知し、細胞骨格系の配置の変化や遺伝子の発現の変化といった応答を示すことが確認されてきました。しかしながら、細胞がどのように機械的な刺激を細胞内シグナルに変換しているのかについての分子メカニズムや、細胞による機械刺激の感知が生体内のどのような現象に関わっているのかについては、不明な部分が多く残されています。PIEZO1/2は2010年に見つかった機械刺激-細胞内シグナル変換器として機能するタンパク質です。細胞膜上に存在し、細胞膜に加わる張力変化に応じて開口するチャネルとして機能します。培養細胞を用いた実験により、細胞膜の伸展、細胞周囲の液流などがPIEZO1/2を活性化することがわかっていました。
図1:PIEZO1および2は細胞膜に加わる機械的な力により開口し陽イオンを細胞内に取り込むメカノセンサーチャネルである。例えば細胞周囲の液体の流れ(薄青矢印(左))、細胞膜の一部の引っ張り(濃青矢印(中))、あるいは細胞膜の一部を押すこと(濃青矢印(右))がPIEZOチャネルの開口をもたらす。PIEZOチャネルは3つのプロペラの羽根のような大きな構造を持ち、これが細胞膜上の機械的な力の感知に重要と想定されている。ヒトや動物が外界を感知するためには五感(視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚)に代表される感覚神経の働きが大切です。これらのうち触覚ではPIEZO2が主要なメカノセンサータンパク質であることが判っています。さらに感覚神経におけるPIEZO2は、固有感覚(身体の空間での位置や運動についての感覚、筋肉や腱に投射する感覚神経により担われる)や血圧反射(血圧に応じた心拍数の制御)、肺伸展反射(吸気時に肺が膨張した際の呼吸パターンの制御)においても主要なメカノセンサータンパク質として働いていました。
一方PIEZO1については生体内の役割はまだ十分わかっていません。家族性のリンパ浮腫の患者でPIEZO1の機能減弱変異が見つかったことから、リンパ系への寄与が示唆されていました。これらの患者では、胸水や腹水も観察されました。また、出生前後に致死となるケースも報告されていました。しかしながら、PIEZO1がリンパ系の発生や機能のどのように関与しているのか、はっきりしていませんでした。
図2:PIEZO1の機能減弱変異を持つ患者で見つかった病態であるむくみや胸水は、リンパ系の機能に異常があることを示唆する。
リンパ管は心臓、動脈、静脈に並んで体液の全身循環に必要な管であり、組織液の回収、食物由来の脂質の運搬、免疫細胞の輸送を担います。リンパ管が正常に機能しないとむくみや胸水などが起こる場合があることが知られています。リンパ管には多数の弁が備わっており、これらはリンパ液が一方向に流れるために必須な構造です。リンパ管の弁がリンパ管を構成する内皮細胞から形成されることはわかっていましたが、弁の形成メカニズムはまだ十分理解されていませんでした。
本研究では内皮細胞特異的にPIEZO1を欠損させたマウスを作成し、解析しました。このマウスは出生するものの、生後2週間以内にほとんどの個体が致死となりました。生後1週齢の個体では、胸水が観察されました。PIEZO1の機能減弱変異を持つ人の患者でも胸水が認められたことと合わせると、ヒトとマウスでPIEZO1のリンパ系における機能が共通していることが示唆されました。
次に、内皮細胞特異的PIEZO1欠損マウスのリンパ管の構造を調べました。発生過程がよく調べられている腸間膜のリンパ管を観察したところ、生後4日の野生型マウスでは多数の弁が形成されていたのに対し、内皮細胞特異的PIEZO1欠損マウスでは弁の数が大幅に減少していました。
上:リンパ管の弁で発現が高いことが知られているインテグリンα9タンパク質を腸間膜にて染色した画像。白い部分(紫矢頭)に弁が形成されている。下:模式図。野生型リンパ管では弁(紫)が多数形成される(左)が、PIEZO1を欠損した場合には弁がほとんど形成されない(右)。
続いて、さらに発生段階を遡って胎生期のリンパ管の弁の形成過程について調べました。リンパ管の弁の形成過程は複数の段階に分けられることが知られています。まず転写因子Prox1注3)の高発現などで特徴づけられる将来弁を形成する細胞集団がリンパ管の中に現れます。これらに細胞では細胞の接着などに関わる遺伝子の発現が増加します。このProx1高発現細胞はリンパ管内部にてリング状に並び、続いて協調的に管の内側へと突出しディスク状の未熟な弁を形成します。その後、弁を構成する細胞の数が増えるとともに、細胞外基質注4)との接着が増すことで、弁としての構造が安定化します。
内皮細胞特異的PIEZO1欠損マウスでは、弁形成に関わる転写因子群の発現は正常でしたが、Prox1高発現細胞が管の内側へと突出する過程への進行がうまくいっていないことがわかりました。よって、メカノセンサーチャネルPIEZO1がリンパ管の弁の形成に必要であることが判りました。
リンパ管の弁形成過程では、細胞骨格や細胞間接着が再編成されることが示唆されています。培養リンパ管内皮細胞にてPIEZO1を活性化させると、Fアクチン注5)の細胞内局在の変化や内皮細胞の主要なカドヘリン注6)であるVE-カドヘリン陽性の細胞間接着の形状に変化が起こることが確認されました。これらの結果から、PIEZO1の活性化が、FアクチンやVE-cadherin陽性の細胞間接着の状態を変化させることにより、弁の形成過程に寄与する可能性が示唆されました。
【今後の展望】
野々村助教は「今回、リンパ液の流れを制御する弁の形成に、PIEZO1を介した細胞のメカノセンシングが重要であることが明らかとなりました。今後、リンパ管内部の機械的な力とPIEZO1の活性化の関係を調べることにより、細胞のメカノセンシングが弁の形成過程にどのように組み込まれているかをさらに明らかにしていきたいと考えています。」と語っています。
今後、さらなる研究によりメカノセンシングタンパク質の生体内での役割について知見が集積することで、生体内の機械的な力と組織の正常な形成過程や病態との関係の理解が進むと期待されます。
【用語説明】
注1)メカノセンサーチャネル;
細胞膜などに存在し、機械的な力に応じて開口し、イオンの流入を引き起こすタンパク質。
注2)内皮細胞;
血管、リンパ管などの内腔表面を覆う細胞。
注3)転写因子Prox1;
リンパ管の形成に関わる様々な遺伝子の発現を制御することが知られているタンパク質。
注4)細胞外基質;
細胞によって産生され、細胞外へと分泌され、細胞が接着する足場として機能するタンパク質群のこと。
注5)Fアクチン;
アクチンタンパク質が重合して形成される繊維状のアクチンのこと。
注6)カドヘリン、VE-カドヘリン;
細胞同士が細胞膜上のタンパク質の相互作用を介して、互いに接着することを細胞間接着という。カドヘリンは細胞間接着を担うタンパク質の一つであり、細胞の種類により発現しているカドヘリンの種類が異なる。血管やリンパ管の内皮細胞ではVE-カドヘリン (vascular endothelial cadherin)が高く発現する。
【発表雑誌】
雑誌名 米国科学アカデミー紀要 (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)
オンライン掲載日 2018年11月26日の週
論文タイトル: Mechanically activated ion channel PIEZO1 is required for lymphatic valve formation.
著者:Keiko Nonomura, Viktor Lukacs , Daniel T. Sweet, Lauren M. Goddard, Akemi Kanie, Tess Whitwam, Sanjeev S. Ranade, Toshihiko Fujimori, Mark L. Kahn, Ardem Patapoutian
DOI: 10.1073/pnas.1817070115
【研究サポート】
本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)の革新的先端研究開発支援事業(PRIME)「メカノバイオロジー機構の解明による革新的医療機器及び医療技術の創出」研究開発領域における研究開発課題「リンパ液循環を支えるメカノセンシング機構の解明」(研究開発代表者:野々村 恵子)、文部科学省 科学研究費補助事業 研究活動スタート支援 17H07332、持田記念医学薬学振興財団 研究助成、自然科学研究機構融合発展促進研究プロジェクト、基礎生物学研究所生物機能解析センター 光学解析室の支援を受けて行われました。
【本研究に関するお問い合わせ先】
基礎生物学研究所 初期発生研究部門
助教 野々村 恵子 (ノノムラ ケイコ)
【報道担当】
基礎生物学研究所 広報室
【AMED事業に関するお問い合わせ先】
国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)
基盤研究事業部 研究企画課
