染色体分配に重要な仕組みを発見

染色体分配に重要な張力センサーの仕組みを発見

SET/TAF1がん遺伝子による急性骨髄性白血病の原因を解明

発表のポイント

  • 急性骨髄性白血病の原因のSET/TAF1がん遺伝子が、染色体分配を正確に制御していることを発見
  • がん遺伝子産物であるSETタンパク質の異常が、細胞をがん化する分子機構を世界で初めて解明
  • 急性骨髄性白血病等のがんの治療や、抗がん剤の創薬研究に貢献

早稲田大学理工学術院先進理工学研究科の浅井裕一郎(あさいゆういちろう)助手寺田泰比古(てらだやすひこ)教授の研究グループは、筑波大学の永田恭介(ながたきょうすけ)教授(筑波大学長)らと共同で、急性骨髄性白血病(AML)の原因として発見されたがん遺伝子・SET/TAF1(以下、SET)が、細胞の増殖においてAurora Bキナーゼ(リン酸化酵素)やPP2A(脱リン酸化酵素)とともに第3の張力センサーとして染色体分配を正確に制御していることを解明しました。この仕組みが働くことによって、私たちの遺伝情報が正確に子供達へ受け継がれます。さらに、がん遺伝子産物であるSETタンパク質の異常が、染色体の中心領域であるセントロメア(※1)の張力センサーシステムを破壊することで、染色体の分配制御を撹乱させ染色体異常を誘導しがん化の原因になることを、分子生物学的手法を用いて明らかにしました。この研究成果は、急性骨髄性白血病等のがんの治療に貢献し、抗がん剤の創薬研究において重要な基盤情報となると考えられます。

本研究成果は、細胞生物学の専門誌『The Journal of Cell Biology』(ロックフェラー大学出版)のオンライン速報版に2019年9月16日に掲載されました。

論文情報

  • 雑誌名:Journal of Cell Biology(J Cell Biol. ロックフェラー大学出版)
  • 論文名:Aurora-B kinase activity is regulated by SET/TAF1 on Sgo2 at the inner centromere
  • 著者名:Asai Y, Fukuchi K, Tanno Y, Koitabashi-Kiyozuka S, Kiyozuka T, Noda Y, Matsumura R, Koizumi T, Watanabe A, Nagata K, Watanabe Y and Terada Y.* *:責任著者
  • 掲載日:2019年9月16日
  • 掲載URL:http://jcb.rupress.org/content/early/2019/09/13/jcb.201811060
  • DOI10.1083/jcb.201811060

(1)これまでの研究で分かっていたこと

細胞は一個の受精卵から始まり約37兆個の細胞に分裂することで私たちヒトが誕生します。ヒトの46本の染色体は複製によって92本に倍加し、その後、分裂期において、複製された染色体はセントロメアと呼ばれる中心領域でcohesin(※2)と呼ばれる輪っかのようなタンパク質で束ねられます(図1)。この対になった染色体(姉妹染色分体)(※3)には2つの動原体(※4)(姉妹動原体)があり、紡錘体(※5)極の両極から伸長したロープのような微小管(microtubule)(※6)がそれぞれ動原体に結合し綱引きのように両極へ牽引することで、姉妹動原体間には強い張力が発生するので姉妹染色分体を赤道面上に整列させます(chromosome alignment:染色体整列)。その結果、すべての複製された染色体は正確に46本ずつ均等に2つの娘細胞へ分配されます。しかし、もし染色体が1本でも均等に分配されなければ、ダウン症のような遺伝病や、がんのような重篤な病気の原因になります。このような染色体異常を防ぐために、細胞は「46組の姉妹染色分体全てを正確に整列させる」という非常に緻密な制御を行っています。この制御のために必要なのが、“張力センサー”です。

46本の姉妹染色分体のセントロメア領域には張力センサーが存在し、動原体間にかかる張力を正確に感知します。姉妹動原体間には、張力が働かない状態では0.4umの距離がありますが、微小管による牽引力によって張力が働くと1.6um程度に開きます。46本のすべての姉妹染色分体の姉妹動原体間に張力が働くと、cohesinが同時に切断されることで複製された染色体は均等に2つの娘細胞に分配されます(図2)。では、セントロメアではどのように動原体間の0.4umと1.6umのミクロの短い距離を区別しているのか?このような超高感度の張力センターの仕組みは極めて複雑で正確な分子機構はこれまで解明されていませんでした。

1996年、寺田研究室では動物細胞の新規SAC(※7)遺伝子の探索を行い、分裂期停止を強く誘導するリン酸化酵素であるAurora B/AIM-1の遺伝子クローニングに世界で初めて成功し、染色体分配と細胞質分裂制御に重要なタンパク質であることを明らかにしました(文献1,3)。その後、Aurora Bは染色体分配における張力センサーとして最も重要なタンパク質であることが明らかになりました。セントロメアに局在するAurora Bは動原体の微小管結合部位のタンパク質をリン酸化することで微小管と動原体の誤った接着を脱離させ修正します。その結果、正しい微小管接着が形成され動原体を紡錘体の両極へ牽引する力が働くため、動原体とセントロメアの間の距離が徐々に広がります。そのためセントロメアに局在するAurora Bは距離の離れた動原体をリン酸化することができず動原体と微小管の接着は逆に強固になっていきます。すなわち、Aurora Bは「前中期では動原体への誤った微小管接着を修正しながら、染色体整列が成立する中期では徐々に接着を安定化する」張力センサーとして最も中心的な役割を担っていることが近年明らかになってきました(図2)。

また、PP2Aと呼ばれる脱リン酸化酵素がAurora Bと拮抗しながら協調的に働くことによって動原体タンパク質のリン酸化バランスを調節するため、染色体整列が精巧に制御されることが明らかとなってきました。しかし、「染色体がまだ整列していない低張力状態ではAurora Bの活性が強く維持され誤った微小管接着を修正するのに対して、染色体整列が完了する中期ではAurora Bの活性が急速に低下し、結果として微小管接着を安定化する」という、張力依存的なAurora Bキナーゼの活性調節機構の詳細は不明であり長い間、解明が求められていました。

多くのヒトのがん細胞ではAurora Bの過剰発現や異常が起きており、また、正常なヒト細胞にAurora Bの過剰発現を起こすとがん化につながる染色体異常を誘導することから、Aurora Bの活性異常と細胞のがん化には密接な関連があることを1998年に発見しました。一方、がん細胞ではAurora Bの機能を抑制するとアポトーシス(細胞死)を誘導できることから、Aurora Bが新しい抗がん剤の分子標的薬になる可能性を示しました(文献2、3)。これらの寺田研究室の発見を基に、世界の多くの製薬会社がAurora Bを分子標的とする抗がん剤の開発に挑戦し(国際特許6)、英国のAstraZeneca 社からAurora Bを標的とした抗がん剤の新薬AZD1152(バラセチブ)が急性骨髄性白血病などの治療において臨床の現場に登場することになりました。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回、本研究グループは、セントロメアに局在し、PP2A阻害機能を有するSETタンパク質が、Aurora BとPP2Aのそれぞれの酵素活性を微調整することで染色体分配における第3の張力センサーとして機能することを明らかにしました。

RNA干渉を用いてSETを欠失した細胞では、Aurora Bの活性が低下し、動原体への誤った微小管結合を修正できず、正確に染色体を整列させることができなくなることがわかりました。Aurora Bは自己リン酸化することで活性化されますが、共局在する脱リン酸化酵素のPP2AはAurora Bを脱リン酸化し、その機能を阻害するという拮抗関係にあります。すなわち、SETはPP2Aを阻害することで間接的にAurora Bの活性を維持していることがわかりました(図3)。

さらに興味深いことに、中期へ移行すると染色体が整列して高い張力が発生すると姉妹動原体間は次第に広がっていきますが、Aurora Bは姉妹動原体間の中央のセントロメアに残存する一方、PP2AとSETはAurora Bから離れ姉妹動原体へ移動し、その後、SETだけが動原体から脱離することが観察されました。すなわち、染色体が整列すると、SETが動原体から解離することで動原体でのPP2A活性が亢進するため、Aurora Bの活性が低下して微小管接着を安定化することが明らかになりました。「染色体が整列していない前中期(低張力状態)ではSETがPP2Aの阻害を介してAurora Bの活性を高く保ち、誤った微小管接着を修正させる」一方で、「染色体が整列した中期(高張力状態)ではSETが動原体から解離してAurora Bの活性を低下させ、微小管と動原体の接着を安定化させる」という時間空間的で精密な制御をSETが行っていることが明らかとなりました(図3)。

1992年に、NCI(米国国立がん研究所)で急性骨髄性白血病の患者から融合遺伝子SET-CANとして発見されたSET遺伝子がどのように正常細胞をがん化させるかはこれまで大きな謎でした。セントロメアに局在できない変異型SETとSET-CANがん遺伝子の過剰発現を培養細胞に行ったところ、正常型のがん遺伝子産物ではいずれもセントロメアの張力センサーを狂わせ染色体の分配異常を誘導する一方、変異型タンパク質では染色体の異常が起きないことから、SETタンパク質のセントロメアにおける機能の異常がAurora Bの過剰な活性化を引き起こすことでセントロメアの張力センサーシステムを狂わせ、染色体の分配異常を誘導することががん化の一因となり得ることを明らかにしました。すなわち、染色体分配の管制塔ともいうべき最も重要な中枢システムをがん遺伝子産物であるSETタンパク質が撹乱し正常な染色体分配制御を破壊することで細胞をがん化する分子機構を世界で初めて解明しました。この発見は、Aurora Bの活性の異常がヒトの多くのがん細胞で起きていて、正常細胞にAurora Bを過剰に発現すると染色体異常を誘導することを示したこれまでの発見(文献2)を強く支持するものです。

(3)そのために新しく開発した手法

がん遺伝子であるSETとSET-CANのがん化の分子機構を調べる目的で、PCR(Polymerase Chain Reaction:ポリメラーゼ連鎖反応)を用いてランダムにSET遺伝子に変異を導入することによってYeast-Two hybrid スクリーニングを用いてセントロメアに局在できない変異型SETとSET-CANを作製しました。セントロメアに局在できないSETとSET-CAN遺伝子では、染色体異常を誘導できず細胞をがん化できないことが明らかになりました。このことから、SETとSET-CANはセントロメアの張力センサーシステムを直接、破壊することで染色体異常を誘導し、細胞をがん化させることが明らかになりました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

1996年に寺田研究室で発見されたAurora B/AIM-1(文献1,2)は、20年以上の研究を経てその役割は徐々に明らかになってきたものの正確な活性制御機構は明らかになっていませんでした。本研究では、PP2Aの阻害タンパク質であるSETがセントロメアに局在し、Aurora BとPP2Aのそれぞれの酵素活性を微調整することで第3の張力センサーとして機能し、これらの3つのタンパク質が相互に協調して働くことで、ヒトの細胞では、複製された92本の染色体をそれぞれ46本ずつ娘細胞に均等に正確に分配することで、がんやダウン症等の染色体異常を防ぐことができることを明らかにしました。この発見は、染色体整列機構のより詳細な解明とともに、染色体分配異常を介したがんの悪性化の分子機構の解明や、白血病の発生過程の解明への重要な足掛かりになると考えられます。また、SETやAurora Bを分子標的とした抗がん剤の創薬研究において重要な基盤情報となると考えられます。

(5)今後の課題

なぜ、前中期から中期へ移行し姉妹動原体間の張力が強くなるとSET, Aurora B, PP2Aはセントロメアと動原体の間でそれぞれ局在を変化させるのか? このような時間空間的な制御が張力センサーとして機能する上で極めて重要と考えられます。しかし、SETが染色体整列に伴ってセントロメアから解離し、PP2Aが活性化し正しい微小管接着を安定化する機構については未だ不明です。この仕組みを解明することが張力センサーの複雑な分子機構の謎を解く鍵になります。セントロメアの張力センサーは、動原体への微小管の結合をモニターしているのか? あるいは、姉妹動原体間の距離をモニターしているのか? 明らかになっていません。今後、このような研究方法によって張力センサーの分子機構の詳細が明らかになっていくことが期待されます。

(6)用語解説

  • ※1 セントロメア(centromere): 分裂期の姉妹染色分体はX字型をとり、このX字の中心部分はセントロメアと呼ばれる領域でcohesinによって2つの複製された染色体が繋ぎとめられます。セントロメアの外側には2つの動原体があり、微小管が結合すると、46本の姉妹染色分体にそれぞれ張力がかかると、SACが解除されてcohesinが切断されるために均等に46本の染色体が2つの娘細胞に分配されます。
  • ※2 Cohesin: S期で複製された染色体は輪っかのようなタンパク質で束ねられます。中期から後期が開始する時に、ハサミのようなseparaseと呼ばれる酵素によってこの輪っかが同時に切断されるために、姉妹染色分体が一斉に分離し紡錘体の両極に均等に染色体が分配されます。Kim Nasmyth博士(オックスフォード大学)による染色体分配制御研究における最大の発見です(https://www.bioch.ox.ac.uk/research/nasmyth)。
  • ※3 姉妹染色分体(sister chromatids): 細胞周期のS期(DNA合成期)でreplication folkで複製された92本の染色体はバラバラにならず、複製直後にcohesinと呼ばれる輪っかのようなタンパク質でペアとなってつなぎとめられ46本の姉妹染色分体となります。しかし、分裂期になるとcohesinは切断され46本の染色体は2つの娘細胞にそれぞれ均等に分配されます。もしも、cohesinがなければ、92本の染色体はバラバラになってしまい均等に分配されず、ダウン症のような遺伝病や、がんの原因になります。
  • ※4 動原体(kinetochore):姉妹染色分体には2つの動原体(姉妹動原体)があり、紡錘体の両極から伸長したロープのような微小管がフックのような動原体をそれぞれ捕捉します。ヒトの動原体には30-40本の微小管が動原体に結合し紡錘体極へ牽引することによって、張力が均等になり赤道面上に染色体が整列することができます。
  • ※5 紡錘体(spindle): 分裂期に入ると中心体から伸長した微小管によって、提灯のような構造の紡錘体と呼ばれる分裂期装置が形成されます。微小管の先端は姉妹染色分体の2つのフックのような動原体を捕捉し紡錘体極へ牽引します。
  • ※6 微小管(microtubule): アクチンと並ぶ代表的な細胞骨格の1つで、分裂期では微小管の先端(+端)はtubulin二量体が結合と脱離をすることで伸長(growth)と短縮(catastrophe)を目まぐるしく繰り返す(dynamic instability)ことで、姉妹染色分体の動原体部位を探し捕捉しようとします(Search and Capture)。
  • ※7 紡錘体チェックポイント(Spindle Assembly Checkpoint/SAC): 46本の姉妹染色分体は、紡錘体の両極から伸長した微小管によって2つの動原体が捕捉されて、張力が均等になった時に全ての姉妹染色分体は紡錘体の中心の赤道面上に規則正しく整列します(chromosome alignment:染色体整列)。たった一個の染色体が整列しないと、全ての染色体を分配させないように、cohesin切断を阻害し染色体分配を停止させるSACシステムが機能します。このシステムがあるために、複製された92本の染色体は2つの娘細胞に正確に、均等に分配されます。このシステムが機能しなければ、ダウン症のような遺伝病やがんの原因になります。SACシステムの発見は、Cohesin の発見と並ぶ、Andrew Murray博士(ハーバード大学)による染色体分配制御研究における最大の発見です(https://www.mcb.harvard.edu/directory/andrew-murray/)。

(7)参考図

図1:複製された染色体は、cohesinと呼ばれる輪っかのようなタンパク質(緑色)でペアとなってつなぎとめられ姉妹染色分体となります。姉妹染色分体には2つの動原体(ピンク色:姉妹動原体)があり、紡錘体の両極から伸長したロープのような微小管がフックのような動原体をそれぞれ捕捉すると張力が発生し、染色体は赤道面上に整列します。

図2:前中期では、まだ張力が均等にならないために、姉妹染色分体は赤道面上に整列しませんが、張力が均等になるにつれて、中期で全ての姉妹染色分体が整列すると、動原体の距離が0.4umから1.6umに開き、全ての姉妹染色分体間に高い張力が発生するとSACと呼ばれるチェックポイント機構が解除されcohesin(緑色)が切断されるために、一斉に46本の姉妹染色分体は2つの紡錘体極へ均等に分配されます。46本の姉妹染色分体のセントロメアには張力センサーが存在し、姉妹動原体間の0.4umと1.6umの距離の違いをモニターしています。もしも、1個の染色体が低い張力のために整列できなければ、SACによってcohesinの切断を抑制する仕組みが働くために中期で染色体の分配を停止します。

図3:ヒトの動原体には、30−40本の微小管が結合することができますが、左右の紡錘体極から伸長した微小管がそれぞれ左右の動原体を正しく捕捉できるわけではなく、誤った微小管接着が生じるために前中期では張力がかからず、赤道面上に整列することができません(左図)。CPCと呼ばれる複合体に含まれるAurora Bは動原体タンパク質をリン酸化することによって、誤った微小管接着を修正する働きがあります。前中期ではセントロメアには、Sgo2タンパク質を足場にしてAurora BとPP2Aが共局在しています。Aurora Bは自己リン酸化することによってキナーゼ活性が亢進しますが、PP2Aが自己リン酸化部位を脱リン酸化するために、最も高い活性が必要な時期にAurora Bは阻害されます。そのため、PP2Aが結合するSgo2の隣接する部位にSETが直接、結合することで、前中期では、PP2Aの活性を抑制することによって、SETはAurora Bの活性を維持する働きがあります。しかし、誤った微小管接着が修正され、紡錘体の両極へ張力が発生する中期で姉妹動原体間の距離が離れていくと、セントロメアにAurora Bは残り、動原体にはPP2Aが移動し、さらに、SETは乖離していくために、Aurora Bは動原体をリン酸化できず、さらに、SETによって阻害を受けなくなったPP2Aはリン酸化された動原体タンパク質を脱リン酸化するために、正しい微小管接着が安定化されます(右図)。Aurora B, PP2A, SETの張力センサーが正しく機能することによって、動原体のリン酸化バランスが保たれて、染色体は赤道面上に整列できるので、92本の複製された染色体は、46本ずつ娘細胞に均等に分配されます。しかし、この張力センサーの異常が起きると染色体の不均等分配の原因となり、異数化と呼ばれる染色体異常を引き起こし、ダウン症などの遺伝病や、がんの原因になります。

(8)参考文献と特許                                                                

  • (1)AIM-1: a mammalian midbody-associated protein required for cytokinesis. Terada Y, et al., EMBO J. 17:667-76. 1998
  • (2) Multinuclearity and increased ploidy caused by overexpression of the aurora- and Ipl1-like midbody-associated protein mitotic kinase in human cancer cells. Tatsuka M, et al., Cancer Res.58:4811-6. 1998
  • (3) Role of chromosomal passenger complex in chromosome segregation and cytokinesis. Terada Y. Cell Struct Funct. 26:653-7. 2001
  • (4)Aurora-B/AIM-1 regulates the dynamic behavior of HP1alpha at the G2-M transition. Terada Y. Mol Biol Cell. 17:3232-41. 2006
  • (5)Interaction of Aurora-A and centrosomin at the microtubule-nucleating site in Drosophila and mammalian cells. Terada Y, et al., J Cell Biol. 162:757-63.2003
  • (6)国際特許:出願番号:特願平9-235371
    発明の名称:細胞周期調節蛋白質(Aurora-B/AIM-1)
    発明者:中外製薬、寺田泰比古、達家雅明
    出願日: 1998年12月3日
  • 寺田教授による、中学生にもわかりやすく解説した本研究の説明です。
    「シュレディンガーの猫」と「無重力状態の宇宙飛行士」
    張力センサーとは一体、何なのか?:生命科学の最大の問題の一つ
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