東大など、粘菌の「集まれ！」の合図への応答にはダイオードのような整流作用が働いていることを解明

粘菌の「集まれ！」の合図への応答には
ダイオードのような整流作用が働いている。


１．発表者：
　澤井　哲（東京大学　大学院総合文化研究科広域科学専攻　准教授）
　中島昭彦（東京大学　大学院総合文化研究科広域科学専攻　複雑系生命システム研究センター　特任助教）


２．発表のポイント：
　◆細胞性粘菌が細胞間を波のように伝播する誘引物質を合図に集まる性質により、理論上、去りゆく波にも反応して元居た場所へ戻っていってしまう「走化性パラドクス」が生じる。
　◆２つの新技術の開発（微小流路内の高精度な層流制御技術、細胞内反応の定量的測定技術の開発）と理論モデルの検証によって、「走化性パラドクス」が起こらない仕組みが分かった。
　◆誘引物質によって動く方向が定まる性質は、細胞性粘菌から免疫細胞まで共通してみられるため、体内の目的の組織へ正確に移動する仕組みの理解につながることが期待される。


３．発表概要：
　細胞性粘菌（注１）は、単細胞として過ごす時期と、細胞が集合して子実体と呼ばれる多細胞構造を形成する時期とを繰り返します。細胞性粘菌の集合の合図は、細胞間を波のように伝搬する誘引物質が担っており、細胞は誘引物質の濃度がより高い方へ移動します。しかし、それでは、誘引物質の波が進行方向からやってきて去りゆく過程においては細胞が元居た場所へ戻っていってしまう「走化性パラドクス」（図１）が生じます。細胞が去りゆく波に“惑わされず”、一方向に動いていく仕組みの解明が待たれていました。
　東京大学大学院総合文化研究科の澤井哲准教授らの研究グループは、細胞性粘菌は誘引物質が経時的に増加する場合のみ、移動するための信号を細胞内に伝達することを明らかにしました。このような細胞応答は、「整流作用（注２）」と呼ばれる信号処理特性でコンピュータなどの集積回路に用いられるダイオードが一方向にのみ電気を流す特性と同じです。また、この「整流作用」は、誘因物質の濃度変化に応答する反応機構に、ある範囲での変化に対してのみ鋭敏に反応する性質があるために生じることを示しました。この発見は、微小流路内の高精度な層流制御技術と細胞内反応の定量的測定技術の開発、および理論モデルによる検証から可能となったものです。
　今回の結果は、多細胞組織のように外部刺激が時間的にかつ空間的に大きく変化する環境における、細胞の移動方向の決定の動作原理について、大きな手がかりとなるものです。ヒトを含む動物の発生や創傷治癒、免疫反応などにおける細胞移動の機構の理解と、その操作法の開発につながることが期待されます。


４．発表内容：
　アメーバ細胞や免疫細胞などの這い回る細胞の移動方向が、場の情報からいかにして決定されているかは未解決の問題です。這い回る細胞の多くは誘引物質の濃度を細胞の前と後ろで比べ、濃度の高い側でのみ、アクチンとよばれるタンパク質が樹状の線維を形成し、これによって膜を伸張し、濃度の高い方へ移動すると考えられています。これを走化性運動（注３）と呼びます。こうした運動の理解は、生化学、分子遺伝学的な実験を実施しやすい細胞性粘菌（注１）において進展しています。細胞性粘菌は微生物の一種ですが、単細胞で過ごす時期と細胞が集合して子実体と呼ばれる多細胞構造を形成する時期とを繰り返します。細胞が集合する際の誘引物質は、個々の細胞が分泌するサイクリックAMP（cAMP）という化学物質で、粘菌の細胞は、このcAMPが波のように細胞集団中を伝搬するときの濃度変化を頼りに集合し、多細胞組織を構築します（添付資料図［１a］）。しかし、cAMPの濃度が高い方に移動するというだけでは、「走化性パラドクス」（添付資料図［１b］）と呼ばれる問題が生じます。つまり、cAMP波が細胞へ近づいてくるときはcAMP濃度がより高い方へ動けばよいのですが、cAMP波が細胞から離れていくときに、細胞がcAMP濃度の高い方へ動いてしまっては、細胞は結局元の位置に戻ってしまいます。「走化性パラドクス」が実際の細胞性粘菌に起こらない分子機構として、これまで、細胞が波を積極的に検知しない時期を仮定するものや（不応期説）、細胞の動きが記憶されてそれが持続する（メモリー説）などが提唱されてきましたが、いずれも決定打ではなく、長年、未解決のまま残されてきました。
　今回、東京大学大学院総合文化研究科の澤井哲准教授らの研究グループは、細胞性粘菌が、誘引物質cAMPの濃度が経時的に増加する場合のみ、移動するための信号を細胞内に伝達することを明らかにし、この性質によって走化性パラドクスを解決できることを示しました。これは、微小流路内の層流形成によって空間的、時間的に誘引物質の濃度を高精度に制御する技術と、細胞の先端が形成される際の細胞内反応の定量的測定技術、という２つの革新的技術の組み合わせによって初めて可能になったものです。研究グループは、人工的に形成した動的勾配について、さまざまな時定数と、時間変化、空間変化の符合の組み合わせを検討しました（添付資料図［２a］）。また、細胞先端の形成を促す物質の一種であるRasタンパク質（低分子量GTP結合タンパク質）の活性化を、蛍光タンパク質を用いてレーザー共焦点顕微鏡により測定し（添付資料図［２b］）、データを理論モデルと比較、解析しました。その結果、Rasの局所的活性化と大域的抑制化で構成されるフィードフォワード型の反応ネットワーク（添付資料図［３］）に強い抑制がかかっている場合に、cAMP濃度の上昇に反応してスイッチ的な応答（ゼロ次の超感度性（注４））を示すこと、この性質によって細胞の適応応答（注５）に整流作用（注２）が出現すること、整流作用によって観測された細胞の振る舞いのほとんどが矛盾なく説明できることが示されました（添付資料図［４］）。ゼロ次の超感度性は、Rasが活性化された場合の細胞内伝達経路において出現しやすいことが従前予想されており、このことと整流作用がみられることとはよく整合しています。今回の結果は、誘引物質濃度が時間とともに減少する場合に誘引物質が存在するとういシグナルを細胞内伝達経路の下流に伝えないこと（整流作用）で、波の背面が無視されていることを示しています（添付資料図［５］）。
　細胞の運動に関わる分子群は、細胞性粘菌と免疫細胞において多くの共通性がみられます。今回の発見は、細胞性粘菌の理解に限らず、従来、時間的に変化しない濃度勾配で調べられてきた細胞の移動方向の決定機構について、大きな手がかりとなります。濃度勾配検出の時間変化依存性は、免疫細胞などで示唆されてきており、こうした細胞が場の時空間情報を読み取って体内の目的の組織へ正確に移動する仕組みの理解につながることが期待されます。整流作用は、元来、ダイオードなど一部の電子素子が持つ特性として知られてきたものですが、今後、細胞においていかにこの効果が実装されているかを解明することで、動作原理に基づいた細胞の操作法への応用開発が期待されます（添付資料図［６］）。
　本成果は、文部科学省および学術振興会の科学研究費　新学術領域「動く細胞と場のクロストークによる秩序の生成」公募研究、若手研究（A）、（B）、文部科学省の生命動態システム科学推進拠点事業ならびに独立行政法人科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業の支援の下、東京大学大学院総合文化研究科の中島昭彦（東京大学特任助教）、石原秀至（東京大学助教（現・明治大学准教授））、修士課程２年の井元大輔（当時）、澤井哲（東京大学准教授、兼科学技術振興機構さきがけ研究者）によって得られました。


５．発表雑誌：
　雑誌名：「Nature　Communications」（オンライン版　１１月６日）
　論文タイトル：Rectified　directional　sensing　in　long−range　cell　migration
　著者：中島昭彦　石原秀至　井元大輔　澤井哲（＊）（＊corresponding　author）

　DOI番号：DOI：１０．１０３８／ncomms６３６７
　アブストラクトURL：


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　　・添付資料
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