研究・分野紹介 生体分子応答学

細胞の環境依存的な応答を司る分子機構の解明

分野概要

特定の疾患や老化現象の背景にある生体分子機構の異常を理解することは、創薬を含む治療戦略構築の重要な情報となります。また、生物が備える正常な生体応答を実現する分子機構自体の理解も同様の重要性を持ちます。本分野では、分子・細胞レベルで生体が周囲の環境変化や老化をどのように感知し、情報伝達・応答するか分子レベルでの解明に取り組んでいます。特に、がんや炎症部位、神経変性疾患等で見られる浸透圧・酸化ストレスなど局所環境に対する応答で細胞内液-液相分離、免疫代謝、細胞老化という比較的新しい細胞生物学的概念との関わりを解析しています。また、このような研究活動を通じて、創薬の基盤となる分子視点から生体を捉える知識と技能を有する人材の育成も目指しています。

教員紹介

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名黒 功教授
研究テーマ：

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染谷 明正特任教授
研究テーマ：

研究概要

名黒 功教授

ヒトの体重の60%は水で構成されています。この量はホルモンなどの働きにより厳密に調節されていますが、その体内の水に含まれる溶質の量もまた制御され、細胞内外が共に約300 mOsmという値になっています。この水と溶質（細胞外液では主にNaイオン）のバランス『浸透圧』は、運動・熱中症による脱水や、高食塩食によるNa摂取過剰等により常に摂動を受けています。近年、この浸透圧環境の崩れが様々な疾患などと関係する知見が得られています。高食塩食が高血圧や自己免疫疾患を増悪させることや、水分摂取の制限が老化を早めること、がんや感染症の局所にNaイオンが蓄積し、この局所環境が免疫細胞の機能を変化させるなど多岐にわたる病態での関与が指摘されています。

私たちの研究室では、この体内で変化した浸透圧や水/Naバランスの環境を細胞がどのような分子機構で感知し情報伝達しているか、さらに細胞機能としてどう変化するかという点について、分子の視点で解析しています。これまで、浸透圧に両方向性に応答するユニークなキナーゼASK3を発見したり、浸透圧依存的にミトコンドリア代謝（酸素呼吸）が変化する現象を発見したりしました。さらに、浸透圧依存的な遺伝子発現変化の詳細な分子機構も明らかにし、この機構に基づいた体内水/Na環境のモニタリング技術の開発に取り組んでいます。これらの知見を基にした研究により、浸透圧環境変化を伴うがん、感染の患部等における細胞応答の詳細を解き明かし、創薬シーズの提供を含む新たな疾患治療の方針を提案したいと考えています。また、運動や高食塩食、老化に伴う体内水/Naバランスの時空間的変容を把握し、その影響を明らかにすることで、生体の浸透圧、水/Na環境の重要性についてより深い理解とそれに基づく制御を目指しています。

研究テーマ
1. 浸透圧環境を感知するキナーゼASK3の研究（新たな浸透圧感知機構の研究）
2. 浸透圧環境依存的に変化するミトコンドリア代謝の研究（ゲノムワイドsiRNAスクリーニング）
3. 体内局所の浸透圧環境をモニタリングする技術の開発
染谷 明正特任教授

老化は誰もが遭遇する自然な身体機能の低下であり、老化が過度に進むとアルツハイマー病やパーキンソン病をはじめ様々な加齢性疾患となります。これら自然老化や加齢性疾患は細胞の老化が基盤となって起こることが知られています。さらに細胞老化は慢性炎症の惹起、組織損傷の修復、癌の抑制/防止または進展に関わり、全身の様々な場面で重要な役割を担っています。

当研究室のスタッフは、これまで炎症反応を中心に解析を進め、新規タンパク質の発見1, 2)や、細胞機能の解明を進めてきました。また機能性表示食品成分の炎症抑制メカニズムの解明を進めてきました3, 4)。さらに加齢性疾患であるパーキンソン病の病態解明に関する研究も行ってきました5)。このように、これまで老化の進行に関わる炎症反応や、加齢性疾患の病態解明を進めてきた研究経験をもとに、新たなテーマとして細胞老化研究を開始しました。

当研究室では細胞老化がなぜ起こり、どのようにコントロールされているかを分子レベルで解明することを目指しています。そのため新たな視点から、老化に関わる遺伝子タンパク質を探索し、それらが老化の発症・進展にどのように関わっているのかを、生化学、分子生物学的手法を使って解明しようとしています。特に細胞老化が進行すると出現するタンパク質の凝集体形成や、脂質代謝異常による脂肪滴形成に着目して研究を進めています。

細胞老化のメカニズムを知り、その制御法を開発することは、様々な疾患の予防・治療法の開発につながると考えています。そして将来的には基礎研究の成果を健康寿命を延長し「生活の質（QOL）」の向上に役立てることを目指しています。

研究テーマ
4. 異なる表現型を示す老化細胞への誘導とその分子メカニズムの研究
5. 老化細胞が放出する生理活性分子の役割解明
1. 浸透圧環境を感知するキナーゼASK3の研究（新たな浸透圧感知機構の研究）

我々はASK3というキナーゼが細胞を低・高浸透圧環境に晒した際に独特の両方向性の活性変化（低で活性化、高で不活性化）をすることを世界に先駆けて報告しました1)。これまでにASK3はp38MAPKやWNK-SPAK/OSR1経路をキナーゼ活性依存的に制御し、細胞のイオン輸送を介した細胞体積調節や全身血圧の制御に関与することを報告しています2,3)。また、ASK3は高Na環境において液-液相分離（LLPS）により液滴を形成し、これがASK3活性の変化に必要であることも発見しました4)（図１）。そこで、ASK3液滴を手掛かりとして細胞がLLPSを介して浸透圧環境を感知する分子機構の詳細について解析を進めています。細胞内のNaイオンやpoly(ADP-ribose) (PAR)がASK3液滴の物性や界面形成を調節し活性に影響することも発見していることから4,5)、ASK3液滴の流動性、界面の物性制御や構造という物理的な観点や、液滴に含まれる分子の同定を通じて相分離による水/Na感知の具体的な分子機構の解明を進めています。これにより、キナーゼの相分離を介した環境感知機構という新たな分子基盤の提案を行います。

ASK3の発現分布は腎臓、脈絡叢など水輸送を担う組織や、水/Na環境に応答して機能を変えるマクロファージに発現する知見を得ていることから、水輸送におけるASK3の役割と、マクロファージ機能におけるASK3の役割に注目して研究を進めています。実際に、ASK3ノックアウト（KO）マウスから単離した脈絡叢や腹腔マクロファージを種々のNa濃度環境で培養しRNA-Seqにてトランスクリプトーム解析を行っており、WTとの違いからASK3の役割がわかりつつあります。脈絡叢の水輸送は、近年アルツハイマー病態などで注目されている脳内老廃物のクリアランスを担う脳脊髄液産生に関与しており [Lohela et al., Nat. Rev. Drug Discov., 2022]、この機構におけるASK3の役割を明らかにします。また、マクロファージは腫瘍局所での働きが広く知られているが、我々の知見から腫瘍患部の浸透圧環境にマクロファージが応答して機能を変える可能性があることから、この文脈でのASK3の重要性と共に、腫瘍微小環境における浸透圧環境の意義についても明らかにします。

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2. 浸透圧環境依存的に変化するミトコンドリア代謝の研究（ゲノムワイドsiRNAスクリーニング）

我々は複数の共同研究によるメタボローム解析、リピドーム解析などから細胞周囲の浸透圧環境を変化させた際に細胞代謝が分単位で変動することを発見しました（図2左）。この変化はがん細胞（HeLa）やマクロファージ細胞（Raw264.7）で共通に観察され、解糖系においてピルビン酸からの乳酸産生とアセチルCoA産生の分岐に位置するピルビン酸脱水素酵素（PDH）の抑制性リン酸化の変化と、ミトコンドリアでの脂肪酸のβ酸化活性の変化が要因であることを報告しています6)。低浸透圧でPDHが活性化（脱リン酸化）、逆に高浸透圧でPDHが抑制（リン酸化）、β酸化活性も抑制されることでTCA回路へのアセチルCoA供給が両方向性に変化し、ミトコンドリア呼吸活性も低・高浸透圧環境で両方向に制御されます（図2左）。興味深いことにミトコンドリアを細胞から単離して直接刺激した場合でも浸透圧環境によるPDHリン酸化の両方向性の変化は観察されることから、ミトコンドリア自体が浸透圧環境を感知して代謝変化が誘導されると示唆されています。現在、この全く知られていなかったミトコンドリア自身による浸透圧環境の感知に関わる分子について解析を進めています。我々の持つ強力な解析手段として、独自に開発してきたハイコンテント画像解析を組み合わせたゲノムワイドsiRNAスクリーニング技術2, 7-9)を活用した網羅的な探索があります（図2右）。この技術は、ヒトの18,000種類以上にのぼる遺伝子に対する個々のsiRNAにより個別に遺伝子をノックダウンして、特定の細胞応答に関与する分子をアンバイアスに同定することができます。浸透圧環境によるミトコンドリア代謝の変化は、全く未知の分子機構の可能性も示唆されているため、ゲノムワイドsiRNAスクリーニング技術による網羅的な探索が威力を発揮します。

腫瘍環境の細胞や免疫細胞の代謝変化は、がん細胞の生存[Intlekofer et al., Nat. Metabol., 2019]や、マクロファージの機能的なサブセット分化（M1/M2分化など）などに深く関与することが広く知られています[Pearce et al., Immunity, 2013]。近年報告されている腫瘍微小環境に存在する高Na環境の存在[Poku et al., J. Magn. Reson. Imaging, 2021]も考慮すると、このミトコンドリアによる浸透圧環境の感知機構を明らかにすることで、腫瘍微小環境に存在する細胞の機能変化を代謝分子の視点から見直し、革新的ながん病態の理解へと繋げられる可能性があります。

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3. 体内局所の浸透圧環境をモニタリングする技術の開発

浸透圧環境依存的な遺伝子発現変化を担うNFAT5という転写因子[Choi et al., Nat. Rev. Nephrol., 2020]が知られており、これまでに細胞の浸透圧耐性や、マクロファージの浸透圧環境応答に依存したサイトカイン発現などに関与することが報告されています[Müller et al., Nat. Rev. Immunol., 2019]。我々は高浸透圧刺激によるNFAT5の核内移行を指標としたゲノムワイドsiRNAスクリーニングを実施し、NFAT5ターゲット遺伝子の発現にNotchシグナルのエフェクターであるHES1が関与する新たな機構を発見しました7)。浸透圧環境感知にHES1が関与することは新奇の知見であり、このNFAT5とHES1の協働的な遺伝子発現が非常に強い高浸透圧依存性を持っていたことから、この細胞応答を利用して体内局所の浸透圧環境の時空間的広がりについてこれまでにない細胞スケールのモニタリングシステムの開発を進めています。現在、NFAT5とHES1が協働するプロモーター配列を使った人工プロモーターにより蛍光タンパク質を発現させるレポーターを作成し、導入した培養細胞において周囲の浸透圧が高いほど強い蛍光を発する定量的かつ感度の高い強力なレポーターの作成に成功しています（図3）。このレポーターをマウス個体に遺伝子導入し、体内局所の浸透圧に従った蛍光強度を示すトランスジェニックモニタリングマウスの樹立を進めています。このマウスが樹立できれば、病態モデル（がん、創傷治癒）や、高食塩食、脱水モデル（運動、老化）において注目する局所の細胞の蛍光強度から浸透圧や水/Naバランスの高低をモニターし、各モデルでの水/Na環境の時空間的広がりを明らかにできます。また、個々の細胞の蛍光量をどの程度の強度の浸透圧環境に晒されたかの指標として利用し、シングルセル解析を行えば、浸透圧環境が細胞に与える影響の精緻な理解が進むと考えられます（図3）。

このモニタリングシステムの開発を通じて得られる体内の水/Na環境の時空間的広がりの情報は、特に浸透圧環境変化を伴うがん、感染の病態や高食塩食、老化・運動による脱水などの体内状況をより詳細に理解する革新的なツールとして活用でき、これまで全身性で捉えられがちだった生体の浸透圧、水/Na環境の意義に関して局所環境の存在とその意義という全く新しい視点を提供するものになると期待しています。

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参考文献
  1. Naguro I, Umeda T, Kobayashi Y, Maruyama J, Hattori K, Shimizu Y, Kataoka K, Kim-Mitsuyama S, Uchida S, Vandewalle A, Noguchi T, Hishitoh H, Matsuzawa A, Takeda K, Ichijo H. ASK3 responds to osmotic stress and regulates blood pressure by suppressing WNK1-SPAK/OSR1 signaling in the kidney. Nat. Commun. 2012; 3 1285.
  2. Watanabe K, Umeda T, Niwa K, Naguro I, Ichijo H. A PP6-ASK3 Module Coordinates the Bidirectional Cell Volume Regulation under Osmotic Stress. Cell Rep. 2018l; 22(11) 2809-2817.
  3. Maruyama J, Kobayashi Y, Umeda T, Vandewalle A, Takeda K, Ichijo H, Naguro I. Osmotic stress induces the phosphorylation of WNK4 Ser575 via the p38MAPK-MK pathway. Sci. Rep. 2016; 6 18710.
  4. Watanabe K, Morishita K, Zhou X, Shiizaki S, Uchiyama Y, Koike M, Naguro I, Ichijo H. Cells recognize osmotic stress through liquid–liquid phase separation lubricated with poly(ADP-ribose).  Nat. Commun. 2021; 12(1) 1353-1353.
  5. Morishita K, Watanabe K, Naguro I, Ichijo H. Sodium ion influx regulates liquidity of biomolecular condensates in hyperosmotic stress response. Cell Rep. 2023; 42(4) 112315-112315. 
  6. Ikizawa T, Ikeda K, Arita M, Kitajima S, Soga T, Ichijo H, Naguro I. Mitochondria directly sense osmotic stress to trigger rapid metabolic remodeling via regulation of pyruvate dehydrogenase (PDH) phosphorylation.  J. Biol. Chem. 2022; 299(2) 102837-102837.
  7. Ryuno H, Hanafusa Y, Fujisawa T, Ogawa M, Adachi H, Naguro I, Ichijo H. HES1 potentiates high salt stress response as an enhancer of NFAT5-DNA binding. Commun. Biol. 2024; 7, 1290.
  8. 名黒 功. 実験医学増刊 知る・見る・活かす!シグナリング研究2015 : シグナル伝達の要素発見から時空間ダイナミクスへ. 2015; 羊土社  (ISBN: 9784758103473)
  9. 渡邊 謙吾, 名黒 功, 一條 秀憲. 実験医学「特集」代謝の主役に踊り出た骨格筋ワールド : 最大の代謝・内分泌器官が制御する全身性メカニズム. 2014; 羊土社  (ISBN: 9784758101288)
4. 異なる表現型を示す老化細胞の誘導とその分子メカニズムの研究

細胞老化はDNA損傷等のストレスによる細胞周期の停止をきっかけに、細胞の様々な機能異常が起こります。その結果、細胞が老化すると扁平・肥大化を起こし、タンパク質の折りたたみ不全による凝集体が形成されます。例えばアルツハイマー病ではアミロイドβやタウが、パーキンソン病ではαシヌクレインが凝集体を形成し、これら凝集体が疾患の発症・進展に関与しています。また近年、老化細胞で脂質変化がおこり、タンパク質凝集体とともに多量の脂肪滴が出現することがわかり、その役割が注目されています。（図1）。

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しかしこれらタンパク質凝集体や脂質代謝変化・脂肪滴形成がどのように老化や加齢性疾患に関わっているのか、またそれぞれの形成が相互にどのような影響を及ぼすのか、細胞老化誘導におけるそれぞれの役割はわかっていません。その一つの原因として、老化した細胞ではタンパク質凝集体と脂肪滴が混在し、それぞれの作用・役割が明らかとなっていないことが挙げられます。
我々は、最近単一培養細胞からタンパク質の凝集体形成または脂肪滴形成を特異的に起こさせた老化細胞の誘導に成功しました6)。

biomolecular-response_05そしてそれぞれ形質の異なる老化細胞の性質を比較しながら、新たな老化誘導メカニズムの解明を目指しています。具体的にはそれぞれの老化細胞について、トランスクリプトーム解析やプロテオーム解析など様々な網羅的解析を行い、 老化細胞の性質特異的に発現が変動する遺伝子・タンパク質を抽出し、細胞老化における役割の分子メカニズムで調べています。このようにして「老化および加齢性疾患で出現する老化細胞のタンパク質凝集体と脂肪滴がどのような働きをしているのか」を明らかにすることを目指しています。

5. 老化細胞が放出する生理活性分子の役割解明

老化した細胞は、サイトカイン、増殖因子、成長因子などの様々な生理活性物質を周囲に分泌し、周囲の細胞に影響します。これを細胞老化随伴分泌現象(Senescence-Associated Secretory Phenotype; SASP)と呼びます。
SASPは、様々な加齢性疾患の発症や病態悪化に関わる一方で、創傷治癒などにも関わることが報告されています。すなわち老化細胞がどのようなSASP因子を放出するかで、周囲の細胞に有害にも有益にも働くと考えられています。そこで我々は前述のタンパク質凝集体または脂肪滴を特異的に発現している老化細胞から産生・放出されるSASP因子の役割を明らかにしたいと考えています。そのため、それぞれの特性を持った老化細胞から産生されるSASP因子を同定し、周囲細胞に与える影響を明らかにしたいと考えています。このことは、老化細胞ががんの抑制/促進の両面を持つことの解決にもつながると考えています。

現在、老化・細胞老化の研究は全世界で活発に進められています。しかし、一定の見解が得られなかったり矛盾する結果も散見されます。その理由として細胞老化研究の多くは細胞・組織・臓器ごとにそれぞれ独自の研究をしているため、研究全体の繋がりを持って、老化細胞の役割を理解するのが難しいためと考えています。この問題を解決するコンセプトとして「細胞は状況に応じて多様な老化細胞となり、それぞれ異なる老化過程を経て、個別の役割を持つ」と考えています。そしてこの問題を解決するための方策として、同一細胞から性質の異なる老化細胞を誘導し、それぞれの機能、役割および誘導メカニズムを調べることは有効であると考えています。
これらの研究テーマを軸に、老化が起こるメカニズムを様々な角度から調べ、理解し、得られた研究成果を基盤として新たな予防や治療法の開発につなげたいと考えています。

参考文献
  1. Someya A, Nagaoka I, Yamashita T. Purification of the 260 kDa cytosolic complex involved in the superoxide production of guinea pig neutrophils. FEBS Lett. 1993; 330(2): 215-218.
  2. Someya A, Sata M, Takeda K, Pacheco-Rodriguez G, Ferrans VJ, Moss J, Vaughan M. ARF-GEP100, a guanine nucleotide-exchange protein for ADP-ribosylation factor 6. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001; 98(5): 2413-2418.
  3. Someya A, Ikegami T, Sakamoto K, Nagaoka I. Glucosamine downregulates the IL-1β induced expression of proinflammatory cytokine genes in human synovial MH7A cells by O-GlcNAc modification-dependent and -independent mechanisms. PLOS One 2016; 11(10); doi 10.1371/journal.pone.0165158.
  4. Someya A, Nagaoka I. Glucosamine suppresses the nuclear factor-κB signaling via the O-linked-N-acetylglucosamine modification of inhibitor of κB kinase β in human synovial MH7A cells. Biosci Biotechnol Biochem. 2025; doi: 10.1093/bbb/zbaf191. in press.
  5. Nakamura R, Nonaka R, Oyama G, Jo T, Kamo H, Nuermaimaiti M, Akamatsu W, Ishikawa K, Hattori N. A defined method for differentiating human iPSCs into midbrain dopaminergic progenitors that safely restore motor deficits in Parkinson's disease. Front Neurosci. 2023; 17; doi: 10.3389/fnins.2023.1202027
  6. 野中里紗, 洲崎悦生, 染谷明正： 老化細胞内の脂肪滴形成・蓄積における特異的変動タンパク質の探索. 第25回日本抗加齢医学会総会. 2025. Jul  (大阪).