分野紹介
細胞医学分野

当分野では、生命現象およびヒト疾患(がん、生活習慣病)について、エピジェネティクス機構と細胞核の観点から、基礎研究および臨床応用を推進しています。幹細胞・がん細胞とは何か、発生・再生や発がんのプロセスに何が起こっているか、遺伝子・タンパク質機能はいかに発現するのか、細胞核の仕組みとは何か、エピジェネティックな細胞制御を解明することに挑戦します。

大学院生(熊本大学大学院医学教育部)や研究員・共同研究者を広く募集しております。基本的な活動理念は、「ひと」と「学問」を育てることです。MJC(Monday Journal Club)とFJC(Friday Journal Club)は私達の教育研究活動の歩みです(2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年)。また、これからの大学院が果たす役割について一緒に考えましょう(大学院で学ぶ)。当分野の活動に興味を持たれる方、熱意をもって研究参加される方はご連絡ください。

 

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研究プロジェクト

エピジェネティクス機構は、ゲノム DNAに書き込まれた遺伝情報を活用する仕組みと考えられます。生体を構成する細胞における遺伝子の選択的な活性化と不活性化、さらには、細胞の個性を創出するものです。DNAメチル化やクロマチンで各細胞のゲノムは印付けされており、それを エピゲノム と呼んでいます。多分化能を有する幹細胞、特定の機能を果たすように分化した体細胞、不死化と過増殖性を獲得した癌細胞、分裂を停止した老化細胞などは、それぞれに固有のエピゲノムを有しています。生殖細胞ではエピゲノムをリプログラムして母方または父方のインプリンティングがなされています。iPS細胞は、体細胞から幹細胞への脱分化のリプログラムによって誘導されます。このような、細胞自体のもつ可塑性について科学的に解明したいと考えています。 エピジェネティクス機構および生命活動の分子基盤を明らかにすることで、先進医療と創薬等に貢献する先端的な研究を推進しています。また、高度に専門化・細分化した医学・生命科学を統合的に理解するために、 エピジェネティクス医科学 の学問体系でオリジナルな教育活動を展開しています。 


1 . エピジェネティクスの分子機構
2 . 癌のエピジェネティクス
3 . 幹細胞 のエピジェネティクス
4 . 生活習慣病 のエピジェネティクス
5 . 細胞核の構造機能とバイオイメージング計測
 


[研究プロジェクト1]
エピジェネティクスの分子機構 

ひとつの受精卵が増殖分化することで、組織・器官そしてひとつの個体を形成する過程が発生になります。個体は成長し、時間とともに老化し、時には癌や生活習慣病などの病気を患うこともあります。しかし、細胞や組織の異常が起こっても、自然治癒又は医療を受けることで再生されることがあります。また、個体は生殖細胞を通して次の世代にゲノムを伝える、遺伝という現象があります (図1) 。これらは、同じゲノムをもつ細胞が性質の異なる細胞に変化するというエピジェネティックな生命現象であると理解することができます。細胞の分化や癌化は、その具体例と考えることができます (図2) 。多種多様の細胞の個性はどのように創られるのでしょうか。ひとつの考え方として、その細胞の遺伝子発現のパターンで決められると考えられます。つまり、ゲノム上の遺伝子を選択的に活用することによって、細胞個性がエピジェネティックに確立・維持・消去されることを意味しています。

 

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図1                     図2 

 

エピジェネティクスの制御システムには、 DNAのメチル化、クロマチン、タンパク質の修飾、転写調節因子が遺伝子制御に重要な役割を果たしています (図3) 。現在までに、DNAメチル化酵素、メチル化DNA結合タンパク質、ヒストン修飾酵素、クロマチン構造因子、クロマチンリモデリング因子、インスレーター(エピゲノムの境界)等の新しい分子群や機能的な複合体が相次いで発見されています。現代の生命科学で、最もホットで面白い研究領域です。これらのエピジェネティクス機構によって、遺伝子制御と高次のクロマチン構造の形成がなされています (図4) 。ゲノム上の個々の遺伝子は、組織特異的に、あるいは状況特異的に発現することが可能になります。細胞核内のゲノムは直線ではなく、興味深いことに、機能的なループを形成していることが判明してきました。例えば、ヒトのアポリポタンパク質の遺伝子クラスター領域(高脂血症の発症に関わる)は、 CTCFインスレーター の相互作用によって、少なくとも2つのクロマチンループを形成して発現調節を受けていることを見出しました (図5) 。 エピジェネティクスの制御システムの作動原理を解明して、細胞制御と病態の理解を深めることで、ヒト疾患の新しい診断・治療・予防法の開発を目指しています。 

 

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図3                    図4

 

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図5

 

[研究プロジェクト2]
癌のエピジェネティクス 

体内で自己の細胞から発生する癌細胞の起源は何かという問いは、癌の本態解明に重要な視点になります (図6) 。おそらく、成人の各組織に少数存在する組織幹細胞や前駆細胞が、何らかの変異や微小環境(ニッチ)の異常によって、 癌幹細胞(cancer stem cell) または癌前駆細胞にエピジェネティックに変化すると予想することができます。癌幹細胞では、高い浸潤・転移能と腫瘍形成能をもつと共に、抗癌剤に抵抗性を有すると考えられています。さらに変異が加わることで、高い増殖能と不死化、そして癌組織を形成します。実際に、組織の慢性炎症や感染症が癌幹細胞の発生誘因になることは、胃癌や大腸癌、肝癌などで有力視されています。 

自然発生の癌細胞のほとんどに、 DNAメチル化とクロマチンの異常があると推測されています。癌細胞では、ゲノム全体のDNAメチル化の低下が染色体不安定性を増大すること、プロモーター領域の高メチル化によって癌抑制遺伝子の発現が抑制されること、が知られています。ゲノム全体の低メチル化と癌抑制遺伝子の高メチル化は、一見、逆の現象のように見えますが、反復配列に富む非コードの多いゲノム領域と遺伝子のプロモーター領域では、DNAのメチル化の制御機構が異なることを示唆しています。また、 図2 に見られるように、 核構造異常(核異型)は癌細胞に共通した特徴ですが、ゲノム全体の低メチル化によるクロマチンの変化を反映すると考えられます。このように、癌化におけるエピジェネティックな制御異常は、癌細胞に共通の特性と理解できます。 高メチル化された癌抑制遺伝子の不活性化に関わる MBD1 、癌細胞で高発現する MCAF1 、癌細胞の悪性形質に関わる HMGA1 HMGA2 などに着目して、癌の遺伝子制御異常とエピジェネティックな異常について解明を進めています。 

 

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図6

 

[研究プロジェクト3]
幹細胞のエピジェネティクス 

発生過程では、胚性幹細胞(ES細胞)、 組織幹細胞 、そして分化した細胞が創出されます (図7) 。それぞれの段階の細胞のゲノム(青色と赤色の 2対の染色体で示す)が異なる印付けをされています。通常、ES細胞と組織幹細胞は正常な組織を形成するものですが、ES細胞が成人組織に移植された場合には、3胚葉で構成された奇形腫を発生することは周知の事実です。幹細胞と癌細胞の特性の交差点として、また、安全な再生医療の実現のためにも、このメカニズムについては解明を要すると考えています。また、興味深いことは、ES細胞は全能性(pluripotency)をもつために、組織特異性に乏しいが、組織幹細胞は多能性(multipotency)という組織特異性を有することです。例えば、神経幹細胞(神経前駆細胞)は、ニューロンやグリア等の神経系の細胞に分化し、他方、脂肪前駆細胞は脂肪細胞に分化誘導されます (図2) 。前述した癌幹細胞は、癌組織を形成するものですが、胎児性癌細胞を除いて、通常は組織特異性を有しています。大腸癌細胞は肝臓に転移しても、本来の性質である大腸癌であり、肝臓癌にはならないものです。このような組織特異性は、遺伝子制御とエピゲノムで規定されていると考えています。 

ES細胞および組織幹細胞で、その細胞状態は均一ではなく、少なくとも2~3のmetastableな平衡状態にあることが知られています。ある幹細胞状態が分化に進みやすくなっており、このエピジェネティックな平衡状態は、転写因子やクロマチン修飾のパターンと相関していると推測されています。実際に、エピジェネティクス機構において、クロマチンの修飾または脱修飾に関わる酵素群、特定の修飾または脱修飾を認識する分子群が同定されており (図3) 、可変的に調節されています。分化した細胞では、エピゲノムは比較的に安定に維持されていると考えられます。 

再生医療を実現するために、体細胞から幹細胞にリプログラムする技術として、 iPS細胞( induced pluripotent stem cell)の開発がなされました。核移植等の従来の方法に取って代わるものです。現在、導入する転写因子や化合物等の組み合わせで、リプログラムの効率化、生じたiPS細胞の癌化能の低減、安全なiPS細胞の選択など、様々な取組が進行中にあります。学術的に、iPS細胞に至るリプログラムというエピジェネティックな経路を解明することは重要な研究に位置づけられます。また、iPS細胞からの分化誘導については、ES細胞を用いる場合と同様ですが、分化誘導した組織幹細胞や前駆細胞をそのまま増やすという増幅技術があれば、より有効性が高まると考えられます。 ヒトおよびマウスの幹細胞・前駆細胞を用いて、エピゲノムと細胞核構造の観点から、その細胞制御の基盤について解明を進めています。

 

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図7

 

[研究プロジェクト4]
生活習慣病のエピジェネティクス 
エピゲノムは、選択的な遺伝子発現、染色体の安定性、 X染色体の不活性化、ゲノムインプリンティング、外来DNAの不活性化などに働いています。最近、エピゲノムの状態は、多くの環境因子の影響を受けることが判明し、生活習慣病との関係が注目されています (図8) 。 DNAのメチル化やクロマチン修飾は、細胞応答として変化しますが、影響を与える多因子には、 栄養や食事、物質代謝、成育環境と生活習慣、天然化合物、薬剤・化学物質などが挙げられます。 

一卵性双生児は、遺伝学的に同一であるために、成育環境が及ぼす個体レベルの影響について重要な示唆を与えてくれます。例えば、 X連鎖性副腎白質ジストロフィー(X-linked adrenoleukodystrophy)の同じ遺伝子変異をもつ一卵性双生児が、臨床的に全く異なった症状や経過を示すことが報告されました。また、一卵性双生児における統合失調症(schizophrenia)の発症不一致例についても報告がなされています。近年、欧米で大規模スタディーが行われて、一卵性双生児のふたりにおいて、加齢とともに、調べた細胞のDNAメチル化やヒストンの修飾に差異が生じていることが証明されています。このように、成育環境がエピゲノムに影響することが明らかになっています。

viable yellow agouti マウスを用いた研究では、母マウスの餌に DNAメチル化に必要なコファクター(葉酸、B12、ベタイン)を添加すると、添加しない場合と比較して、仔マウスの毛色が黄色から黒色に変わることが示されました。 黄色色素をメラノサイトで合成する働きをもつ Agouti 遺伝子が高くメチル化されて発現が抑制されていました。 これは、食物が個体レベルのエピゲノムの状態(エピジェノタイプ)に影響することを示唆するものです。 

ヒトの低出生体重児に関するスタディーにおいて、心疾患、2型糖尿病や肥満などの成人病の発症率が高くなるという報告がなされました。母胎内で栄養不足の状態にあった低出生体重児は、少ない栄養を効率よくエネルギー源とできるように適応しており、出生後に通常の栄養を受ける環境に置かれた場合には、過栄養の状態に陥りやすいというモデルです。このモデルは、胎児期の飢餓状態に適応するように、細胞内のエピゲノムや遺伝子制御を獲得するのではないかと解釈されています。低栄養状態がエピゲノムに記憶されるために、 代謝メモリー または エピジェネティック・メモリー とも呼ばれています。 環境因子がエピゲノムに影響を与える仕組み、多因子疾患の発症に関わる責任遺伝子座のエピゲノムを通して、多因子疾患(肥満、高脂血症、糖尿病、心疾患、炎症性疾患、精神神経疾患など)の素因と病態解明を目指しています。 

 

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図8

 

[研究プロジェクト5] 
細胞核の構造機能とバイオイメージング計測

細胞核は細胞自体の司令塔にあたる役割を果たしており、細胞内外の刺激によるシグナリングを集約して、遺伝子発現として応答しています (図9) 。核と細胞質は核膜で隔てられると共に、核膜孔を通して様々な分子輸送がなされています。クロマチンにおいては、主に転写、複製、修復、組換えなどのゲノム機能が実行されており、他方、クロマチン間領域には、核小体、その他の 核内構造体 (核スペックル、 PMLボディー、カハールボディーなど)が形成されています。興味深いことは、これらの核内構造体には、膜構造はなく、いわゆる分子集合体として形成と離散という動的な平衡状態にあるという点です。分子集合体として分子密度を局所的に高めることで、生化学反応を効率よく進めることが可能になります。さらに、異なる核内構造体が機能的に連携することで、遺伝子発現からRNAのプロセシングや核外輸送などがスムーズに行われるようです。このように、細胞核の構造機能は密接に相関していますが、例えば、 核スペックル や PMLボディー がどのように形成されて機能を果たすのかは不明な点が多い現状です。 細胞応答において、核内構造体や分子集合体が時空間的に協調的に作動する仕組みについて解明を進めています。 さらに、 細胞核構造は、癌、神経筋疾患、感染症、発生異常、早老症などで大きく変化することから、DNA/RNA/タンパク質の可視化および最新の バイオイメージング計測解析 を用いて、細胞核および核内構造、細胞集団としての組織構築の形態を定量評価することで、細胞同定法および細胞診断法を開発しています。 

 

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「 大学院で学ぶ 」

 

熊本大学大学院医学教育部は平成15年4月に新編成されて、大学院博士課程および修士課程から構成されています。私達の研究室は、細胞医学分野を担当しています。

 

— 教育・研究の基本ビジョン —

 

 “ひとつの個体内で多様に分化した体細胞、幹細胞、異常な場合の不死化細胞、がん細胞は基本的に同一のゲノムを有する。生殖細胞は遺伝情報をリプログラミングして次世代に継承している。これらは、ゲノム上の遺伝子機能を選択的に活用すること(エピジェネティクス)で細胞個性が確立・維持・消去されることを意味する。分子レベルでは、DNA メチル化、クロマチン、タンパク質の翻訳後修飾、細胞核動態で主に調節されている。このような視点から、発生・再生・がんなどの生命現象、医学・薬学分野に関する教育と基礎・応用研究を推進する。“
 私達の研究室では、「ひと」と「学問」を育てることを中心に置いており、研究室のレベルは大学院学生が到達するレベルで決まると考えています。バックグラウンドが異なるヘテロな集団から成り立ち、ひとりひとりの個性と能力、そして研究活動が自然な形で高められるような環境づくりを目指しています。「ひと」の能力や可能性は自分でも分からないもので、それを発揮できる環境に身を置くことで初めて開花することが多いものです。多くの「ひと」が育つと、コロニーの数と大きさが増えるように、それぞれの「学問」が進んでいきます。このようなインキュベーションの最初の土壤が「大学院」の役割であると考えています。

 

・大学と大学院
大学教育では、膨大な基礎・専門知識を消化・吸収することに重点が置かれています。大学院では、未知の事象を自ら発見して、学問の中に新たに位置づける立場になります。目的のテーマを多面的に考えて、人とディスカッションを繰り返し、独自のアイデアと堅実な理論のもとに研究を行います。新しい発想が出てくるプロセスを皆で共有することができます。興味と集中力、モチベーションをもてば、若いパワーと相まって、生命科学を直接に推進できます。

 

・生命科学の流れ
21世紀は知の時代と言われています。生命科学が人文・社会科学、理工学、医学・薬学など多分野を統合しながら展開しています。ゲノム、RNA、タンパク質、分子間相互作用、モデル生物、生命現象、データベースの研究が拡大しています。この流れの中、生命の本質に迫る重要なテーマに関して真正面から取り組むことを求められています。未来に向かって発展を続けるテーマを選び、さらに医学・薬学・産業・科学技術等に貢献する研究に取り組みたいものです。

 

・自己を高める
大学院では、知識や技術を身につけるだけでなく、未知の課題に挑戦するプロセスで思考過程を根本的に鍛錬することができます。研究活動には困難が伴いますが、新知見を自ら発見する感動と楽しみ、学問としての生命科学の意義を実感できます。国際的に一流の研究者の論文・学会発表に触れて、自分の研究を同一視することで、思考と論理、あらゆる能力が格段に強化されます。尊敬できる mentor との出会いがあれば、人間性の成熟を深めることになります。

 

・熊本という環境
創造的にサイエンスに取り組む時、それを支える生活環境が極めて大切な役割をもっています。言い換えれば、大学のある都市は、若く感受性の鋭い世代にとって多角的な魅力と適度な刺激のある場所である必要があります。欧米の有力な大学に見られるように、その土地の社会と歴史、自然と共生する一体感が望まれます。最新情報がリアルタイムで行き来する時代に、熊本と熊本大学には、雑多な都会にはない高質の環境と学問に集中できる素地が備わっています。

 

(平成15年7月1日 中尾光善)