細胞分裂において染色体を分配する綱引き因子を発見

定説を覆す発見により人工的に染色体を分配する装置の開発も視野に

早稲田大学

2022/11/28 11:00

細胞分裂において染色体を分配する綱引き因子を発見　

〜定説を覆す発見により人工的に染色体を分配する装置の開発も視野に〜

詳細は早稲田大学Webサイトをご覧ください。

発表のポイント

細胞分裂における染色体の分裂異常は、細胞死やがん化、不妊やダウン症先天性染色体異常の原因となるため、染色体を正確に分配するメカニズムを明らかにすることは、医学的観点からも重要な課題である。

本研究では、細胞内のどの因子がどのように働くことで染色体を引っ張り、運んでいくのか、染色体の綱引きをおこなう因子とその仕組みを発見した。

従来の定説では微小管を伸長させる因子だと想定されてきた分裂酵母Dis1が、翻って微小管を短縮させる因子であることを実証し、それを基に人工的な染色体運搬装置を作製した。

これまで分裂酵母において不明であった「微小管を短縮して染色体を運搬する実行因子」を発見したことにより、細胞分裂の仕組みの捉え方が変わる可能性がある。

早稲田大学大学院先進理工学研究科生命医科学専攻の博士課程3年村瀬裕一（むらせゆういち）および佐藤政充（さとうまさみつ）教授、東京大学大学院総合文化研究科の矢島潤一郎（やじま　じゅんいちろう）准教授、岡山理科大学生命科学部の濱田隆宏（はまだ　たかひろ）准教授らの共同研究グループは、微小管結合タンパク質の1つであるDis1タンパク質が、微小管の短縮の引き金を引くことで染色体を運搬する仕組みを明らかにしました。

本研究成果は、Nature Portfolio journals発行の『Communications Biology』（論文名：Fission yeast Dis1 is an unconventional TOG/XMAP215 that induces microtubule catastrophe to drive chromosome pulling）にて、2022年11月26日（土）にオンラインで掲載されました。

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

本研究グループは、微小管結合タンパク質の1つであるDis1タンパク質が、微小管の短縮の引き金を引くことで染色体を運搬する仕組みを明らかにしました（図１の右）。

図１：微小管は染色体の動原体部位を捕まえた後、短縮化することで染色体を分配する

Dis1タンパク質は、酵母からヒトまですべての真核生物で保存されているTOGファミリーに属するタンパク質です。私たちの研究室では過去の実験結果から、TOGファミリーに属するDis1タンパク質が微小管を短縮させる候補因子として見いだしていました。Dis1を人為的に欠失させた変異細胞では、減数分裂において微小管の短縮がほとんど起きなくなっていたからです。

しかしながら、私たちのDis1が微小管を短縮するという説は、逆風の中にありました。まず、Dis1のようなモータータンパク質ではない因子が微小管を短縮するという前例はありません。さらに風向きが悪いことに、多くの生物種において、TOGファミリーに属するタンパク質（つまり他生物におけるDis1の類似因子）は、短縮どころかまったく逆の機能を担うことが多くの研究者によって実証されていたからです。

つまり、Dis1は他のTOGファミリーの因子と同様に、微小管の末端にチューブリンを付加することで微小管の伸長を促進する因子だと考えられていました。私たちの過去の研究で得られたデータはこの定説と合致しません。そこで本研究では、試験管内での再構築実験と生細胞観察を用いて、Dis1タンパク質の生化学的な性質を調べることで、Dis1が微小管を短縮するという私たちの仮説の立証に取り組みました。

細胞から精製したチューブリンタンパク質を用いて試験管内で微小管を形成させて、そこに同じく精製したDis1タンパク質を添加した際に起きる微小管の長さの変化を顕微鏡下で観察しました（図２）。すると、Dis1の存在下では微小管のダイナミクスが激しくなること、特に微小管の短縮を促進する効果が見られました。この試験管内での検証実験により、私たちの仮説が正しいことが示されました。

図２：試験管内でDis1の活性を調べたところ、Dis1は微小管を短縮化しうることが分かった

他方で、この検証結果は新たな疑問も生み出しました。もし仮に、Dis1が常に微小管を短縮させる機能を発揮すると仮定すると、微小管は伸長しづらくなり、そもそも染色体を結合することさえ不可能になるはずです。ということは、Dis1は機能を発揮するときと、しないときがあるのでしょうか？

そこで次に生細胞観察をおこないました。その結果、微小管が染色体の動原体を結合できたときのみ、Dis1が安定的に微小管に存在できることが分かりました。動原体を結合する前の微小管では、Dis1の局在が微小管の末端から消失しやすく、結果として微小管が伸長しやすいといえます（図３の左）。これに対して、動原体を結合した後の微小管末端においては、Dis1の局在が長い時間維持されていました（図３の右）。すなわち、微小管が動原体を結合した後のみ、Dis1がそこで微小管を短縮化できることを意味しています。このように、微小管が動原体を結合する前はDis1の機能はオフであり、結合後にオンになるといえます。

図３：微小管が動原体と結合することによってDis1が機能を発揮しやすくなる

だからこそ、最初は微小管がじゅうぶん伸長でき、動原体を結合した後は一転してDis1が微小管を短縮することで染色体を運搬できるといえます。

これらの実験結果から、Dis1は微小管を短縮化することで染色体を運搬することが見えてきました。では、細胞内に多種多様な因子がある中でも、Dis1さえあればじゅうぶんに染色体を運搬できるのでしょうか。私たちはこれを検証するために、細胞内に人工的な「バーチャル動原体」を作製して実験しました。この「バーチャル動原体」は、本来の動原体とは異なる場所（染色体腕部のクロマチン領域）に、Dis1タンパク質だけを人工的に集積させて作りあげたものです（図４）。染色体の１カ所にDis1を集積させただけの集合体であり、Dis1以外の動原体の因子は「バーチャル動原体」には存在しません。

減数分裂をおこなう分裂酵母細胞内にこれを導入したところ、微小管は、Dis1集合体である「バーチャル動原体」を結合したまま短縮を開始して、見事に染色体を運搬することができました。これらの検証結果から、微小管が染色体を運搬するためにはDis1さえあれば目的を達成できることが実証されました。いわば、「人工的な染色体分配システム」の基盤ができあがったと捉えており、今後さらなる応用を視野に入れています。

図４：発見をもとに、人工的に染色体を運搬するシステムを構築した ---Dis1さえあれば運搬できる？

以上の結果から、これまで微小管を伸長させる因子だと想定されてきた分裂酵母Dis1は、逆に微小管を短縮させる因子だと結論づけました。Dis1は動原体に繋ぎ止められることによって微小管の短縮を高頻度かつ継続的に引き起こし、染色体を運搬すると結論づけました。同時に、これまで分裂酵母において不明であった「微小管を短縮して染色体を運搬する実行因子」がひとつ発見できたといえます。

研究の波及効果や社会的影響

従来は、Dis1をはじめとするすべてのTOGファミリーのタンパク質は微小管を伸長する因子であると考えられてきましたが、今回の私たちの研究結果は、Dis1が微小管を短縮化する意外な事実を示しています。本研究によって、これまでモータータンパク質だけが染色体を運ぶ原動力だと思われてきた常識が覆り、Dis1という非モータータンパク質による新しいメカニズムが発見できました。この発見は生物学的に細胞分裂研究の新しい１ページとなることでしょう。本研究内で開発したDis1によるバーチャル動原体の考え方をさらに応用すれば、人工的な染色体分配システムの作製が可能になり、合成生物学的な、あるいは医学的な応用ができるかもしれません。さらに、TOGファミリーがヒトでも酵母と同じように減数分裂においてこの機能を発揮しているとすれば、その異常が、ヒトの不妊やダウン症などの先天性染色体異常の原因となる可能性が高いため、生殖補助医療への応用が期待されます。

研究者のコメント

Dis1が微小管の短縮に関わるという私たちの過去の観察結果は、この分野の定説に反することでした。しかし自分たちのデータを信じて、自分たちの仮説を検証しようと考え、試験管内における再構築実験と生細胞の観察を遂行しました。その結果、「未知なる染色体運搬因子の発見」と「常識やぶりといえるDis1の微小管の短縮化機能の実証」をともに達成できたと考えています。