細胞の中に謎の「水滴」を発見！さまざまな難病を克服する「鍵」とは？

著者：Duan Yuechu、Huang Xianghong

2024 年 8 月 14 日の Scientific American によると、生命の微視的世界では、細胞がすべての生命活動の基本単位です。細胞の中には、生体分子凝縮物と呼ばれる神秘的な水滴が存在し、それが徐々に生命の謎を解き明かし、生物学研究に新たな視点と進歩をもたらしています。

すべての生物は細胞で構成されており、その内部には複雑で精巧な構造があります。ミトコンドリアや細胞核など、私たちがよく知っている膜で囲まれた細胞小器官の他に、膜のない細胞小器官の一種である生体分子凝縮物も存在します。過去 10 年間で、生物学者は、一見小さなこれらの液滴が、細胞機能においてこれまで考えられていた以上に重要な役割を果たしていることに気付きました。

細胞生物学の教科書的な説明では、明確に定義された膜構造を持つ細胞小器官に焦点が当てられる傾向があります。ただし、この説明は不完全です。生体分子凝縮物の発見により、細胞の内部世界についてのより包括的な理解が得られました。これらは細胞内の「小さなコミュニティ」のようなもので、タンパク質やその他の生物学的分子を集中させ、特定のタスクを実行します。これらの液滴の存在は偶然ではなく、長い進化の過程で細胞によって形成された組織化と制御の効率的な方法です。

生体分子凝縮物の物理学は謎に包まれています。熱力学は、熱と他の形態のエネルギーとの関係を研究する物理学の分野であり、液体-液体の相分離を理解するための理論的基礎を提供します。一般的な油と水を例にとると、この 2 つを混ぜると、特定の条件下では自動的に 2 つの異なる相に分離します。同様に、タンパク質、DNA、RNA などの分子が細胞内で高濃度に凝集すると、相分離が起こり、生体分子凝縮物が形成されることもあります。しかし、単純な油水分離とは異なり、細胞内の凝縮物の多くは動的です。これらは一時的に存在し、細胞の必要性や環境の変化に応じて形成されたり消滅したりします。

生体分子凝縮物に関する研究の歴史は、多くの先駆者たちによって辿ることができます。 1782年という早い時期に、デンマークの博物学者オットー・フレデリック・ミュラーは、緑藻類の核様体タンパク質を観察し、地図を作成しました。これは、知られている中で最も古い生体分子凝縮物の一つです。その後、1830 年代にドイツの生理学者ルドルフ・ワーグナーとガブリエル・ヴァレンティンが神経細胞の核内に微小な構造を観察しました。 1899 年、アメリカの生物学者エドマンド・B・ウィルソンは、細胞の細胞質は均質な液体ではないという考えを提唱しました。 2009 年、画期的な研究により、生体分子の凝縮物が生きた細胞内で形成され得ることが初めて直接実証されました。

Trevor Grandpre のような研究者にとって、研究の旅は挑戦と驚きに満ちています。グランプレは生物学専攻として入学したが、物理学の定量的な性質に惹かれた。彼は細胞内相分離現象、特にT細胞内で形成される凝縮物を研究しています。共同研究者との共同研究により、細胞内で特殊な凝縮物が形成される複雑なプロセスが明らかになり、細胞の免疫調節機構をより深く理解するための重要な手がかりが得られました。

生体分子凝縮物の形成メカニズムは多様です。一方では、適切な条件により化学結合の形成が促進され、個々のタンパク質分子が互いに結合して凝縮物を形成することが可能になります。一方、本質的に無秩序な領域 (IDR) を含むタンパク質は、アミノ酸配列の高度な反復性と電荷分布の特性により、水との複雑な相互作用や他のアミノ酸との引力または反発力を通じて別々の相を形成することもできます。さらに、一部の凝縮物は、エネルギーを消費する「能動的な」プロセスを通じて形成されます。たとえば、シャロン・グロッツァーの研究によると、特定の化学反応条件下では、細胞分裂を調整するのに役立つ液体状の細胞構造である中心体が安定して存在することができ、その大きさと数は化学反応に使用されるエネルギーと密接に関係していることがわかりました。

細胞内の謎の水滴は、さまざまな病気に関与しています。筋萎縮性側索硬化症 (ALS)、アルツハイマー病、パーキンソン病などの神経変性疾患では、異常なタンパク質相転移と凝集体形成が神経機能障害と神経細胞死の重要な原因です。 ALS を例にとると、FUS をコードする遺伝子の変異が遺伝性 ALS を引き起こし、試験管実験におけるその変異体の凝集体は患者の脳組織内の FUS タンパク質クラスターと類似しています。時間が経つにつれて、これらの液滴の特性は変化し、密度が増して変形するのに大きな力が必要になります。同様のプロセスは、アルツハイマー病におけるアミロイド線維形成やパーキンソン病におけるリボ核タンパク質沈着など、他の神経変性疾患でも発生する可能性があります。これは、正常な生理学的条件がこれらのタンパク質の液体状態をサポートし、疾患の発生が液体状態から固体凝集状態への移行に関連している可能性があることを示唆しています。

がん研究では、がん関連タンパク質の中には凝集体を形成することで細胞の増殖、分化、アポトーシスを制御するものがあると考えられます。例えば、腫瘍細胞の耐性に関わる重要な経路タンパク質である YAP は相転移を起こして生体分子凝集体を生成し、過剰な YAP 凝集体の形成は耐性の発現と密接に関係しています。その形成を阻害することで、がん治療の新たな戦略を提供できると期待されています。

心血管疾患に関しては、心血管機能に関連する一部のタンパク質凝集体の異常が心臓や血管の正常な生理機能に影響を及ぼす可能性がありますが、具体的なメカニズムについてはさらなる研究が必要です。

生体分子凝縮物が病気に及ぼす役割をさらに研究するために、科学者たちはさまざまな先進的な技術的手法を採用してきました。 CRISPR-Cas9 などの遺伝子編集技術は、凝縮物の形成に関与する遺伝子を正確に変更し、疾患モデルにおける遺伝子変化の影響を観察することができます。プロテオーム解析では、質量分析などの技術を使用して、疾患状態における細胞内タンパク質、特に凝集体に関連するタンパク質の組成と変化を包括的に検出します。共焦点顕微鏡や超解像顕微鏡などの高解像度顕微鏡技術により、細胞内凝縮物の微妙な形態、分布、動的変化を直接観察することができます。

蛍光標識と組み合わせた生細胞イメージング技術により、細胞が生理的に活性なまま、生体分子の凝縮物を長時間リアルタイムで観察することが可能になります。蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) 技術は、蛍光分子間のエネルギー移動を検出することにより、凝縮物内の分子間の相互作用を明らかにします。全反射蛍光顕微鏡 (TIRF) は、細胞膜表面近くの蛍光分子を選択的に励起し、細胞表面近くの凝縮物の観察を容易にします。蛍光寿命イメージング (FLIM) は、蛍光分子の寿命の変化を測定することで、周囲の環境や相互作用の変化を反映します。 2光子励起蛍光顕微鏡は、長波長レーザーを使用して蛍光分子を励起し、細胞への光損傷を軽減し、長期のリアルタイム観察に適しています。ライトシート蛍光顕微鏡は、高解像度の 3 次元画像を迅速に取得でき、細胞内の凝縮物の空間分布と動的変化を研究するための独自の利点があります。

生体分子凝縮体の新しい物理学は、疾患研究における重要性に加えて、他の分野にも幅広い応用の見通しを持っています。クロマチンの組み立ての研究では、ヌクレオソームのアセチル化修飾によって特定のタンパク質がリクルートされ、新しい液相が形成され、それによってクロマチンの組み立てが動的に制御されることがわかりました。細胞骨格の形成中に、アクチンに結合する特定のタンパク質は、液液相分離を起こし、自己組織化して平面状の f-アクチン ネットワークを形成します。このネットワークは、複数のマイクロフィラメントを束状に接着するための核形成中心として機能します。ショウジョウバエの個体発生の研究では、神経芽細胞の非対称分裂に関与する生体分子凝縮物が細胞の両極に非対称に分布し、ニューロンの分化に重要な役割を果たすことが示されています。シナプスの形成と変化の過程で、タンパク質間の相互作用が相分離を引き起こし、脂質膜表面への「沈着」が神経伝達物質のシグナル伝達に関与し、人間の睡眠や意識などの複雑な生理学的プロセスにも密接に関連しています。

一般的に、生体分子凝縮体の新しい物理学は、細胞内の微視的世界への新たな窓を開きます。私たちの理解はまだ継続的な発展と改善の段階にありますが、研究の深化と技術の進歩により、この分野の研究は人類が生命の謎を理解し、さまざまな病気を克服し、生物科学の発展を促進するための前例のない機会とブレークスルーをもたらすと信じる理由があります。今後、生体分子凝縮物のさらなる謎が解明され、人類の健康と科学の進歩にさらに貢献することを期待しています。