生命の化学における細胞秩序の新たな源泉

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世界中の人々をユタ州のグレートソルトレイクに詰め込んだらどうなるか想像してみてください。肩を寄せ合いながら、しかも猛スピードで互いにすれ違いながら進むのです。「典型的な細胞の中に50億個のタンパク質がいかに密集しているか、お分かりいただけると思います」と、ドレスデンにあるマックス・プランク分子細胞生物学・遺伝学研究所の所長で英国の細胞生物学者、アンソニー・ハイマン氏は言います。

細胞が活発に動き回る細胞質の中で、酵素は基質を見つけ、シグナル分子は受容体を見つける必要があります。そうすることで、細胞は成長、分裂、そして生存という営みを遂行できるのです。もし細胞が均一に混ざり合った細胞質が揺れ動く袋だとしたら、それは難しいでしょう。しかし、細胞はそうではありません。膜で囲まれた細胞小器官は、内容物の一部を整理するのに役立ち、物質群を効果的に区画化し、細胞の生化学的燃料であるATPの生成など、重要なプロセスを可能にする表面を提供します。しかし、科学者たちがまだ理解し始めたばかりですが、それらは秩序の源の一つに過ぎません。

最近の実験により、一部のタンパク質が、細胞内の液滴の形成と溶解の間の遷移を正確にバランスさせる分子間力に反応して、凝縮体と呼ばれる一時的な集合体に自発的に集まることが明らかになりました。凝縮体は膜のない細胞小器官とも呼ばれ、特定のタンパク質を細胞質の他の部分から隔離することで、不要な生化学反応を防ぎ、有用な反応の効率を大幅に高めることができます。これらの発見は、細胞の仕組みに関する私たちの根本的な理解を変えつつあります。

例えば、凝縮体は多くの細胞プロセスの速度を説明できるかもしれない。「凝縮体の重要な点は、工場のようなものではなく、むしろフラッシュモブのようなものだ。ラジオをつけるとみんなが集まり、消すとみんないなくなる」とハイマン氏は述べた。

そのため、このメカニズムは「精巧に制御可能」だと、カリフォルニア大学バークレー校およびローレンス・バークレー国立研究所の細胞生物学者、ゲイリー・カーペン氏は述べています。「分子の濃度を変えるだけで、あるいはタンパク質を化学的に修飾するだけで、これらの物質を容易に形成したり溶解したりできます。」この精密さは、遺伝子発現を含む他の多くの現象を制御するための力となります。

このメカニズムの最初のヒントは2008年の夏に現れました。ハイマンと当時ポスドク研究員だったクリフ・ブラングウィン（現在はプリンストン大学ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員）は、有名な海洋生物学研究所の生理学講座で教鞭をとり、線虫C.エレガンスの胚発生を研究していました。彼らと学生たちは、受精卵中のRNA凝集体が液滴を形成し、それらが分離したり融合したりすることを観察しました。そこでハイマンとブラングウィンは、これらの「P顆粒」は、ビネグレットソースの油滴のように、細胞質内で相分離によって形成されるという仮説を立てました。

2009年にScience誌に掲載されたこの提案は、当時はあまり注目されませんでした。しかし、2012年頃には細胞内の相分離に関する論文が少しずつ発表されるようになりました。その中には、ダラスにあるテキサス大学サウスウェスタン医療センターのマイケル・ローゼン研究室で行われた重要な実験も含まれており、細胞シグナル伝達タンパク質もこの相分離挙動を示すことが示されました。2015年までに論文の発表は激増し、それ以降、弾性と粘性の両方の特性を持つ液体状の細胞区画である生体分子凝縮体に関する研究がまさに氾濫しています。

現在、細胞生物学者は、遺伝子発現の調節、有糸分裂紡錘体の形成、リボソームの組み立て、そして核と細胞質における多くの細胞プロセスなど、あらゆるところで凝縮体を発見しているようだ。これらの凝縮体は単に目新しいだけでなく、示唆に富む。その機能が分子の集団的行動から発現するという考えは、凝縮体生物学の中心的な概念となっており、生化学物質とその標的が鍵と鍵穴のようにぴったりと合うという古典的な概念とは対照的である。研究者たちは、これらの発現特性の機能性をどのように探究するかをまだ模索している最中であり、そのためには細胞内の微小液滴の粘性やその他の特性を測定・操作するための新たな技術の開発が必要となるだろう。

液滴形成を促進するもの

生物学者が生細胞における凝縮の背後にある相分離現象の駆動力について初めて説明しようとしたとき、タンパク質自体の構造が自然な出発点となりました。よく折り畳まれたタンパク質は、通常、親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸が混在しています。疎水性アミノ酸は水分子から離れてタンパク質の折り畳み構造内に埋もれやすく、親水性アミノ酸は表面に引き寄せられます。これらの疎水性アミノ酸と親水性アミノ酸が、タンパク質がどのように折り畳まれ、その形状を維持するかを決定します。

しかし、一部のタンパク質鎖は疎水性アミノ酸が比較的少ないため、折り畳まれる理由がありません。その代わりに、これらの本質的に無秩序なタンパク質（IDP）は形状を揺らがせ、多くの弱い多価相互作用を引き起こします。IDP相互作用は長年にわたり、液滴の挙動を最もよく説明するものと考えられてきました。

しかし昨年、ブラングウィンはIDPの重要性を強調しつつも、「この分野はIDPを重視しすぎている」と指摘する論文をいくつか発表した。彼によると、凝縮体に関与するタンパク質のほとんどは、構造化されたドメインと無秩序な領域を含む共通の構造を持つ。凝縮体をシードするには、分子が他の分子と多数の弱い多価相互作用を持つ必要があり、それを実現する別の方法がある。それがオリゴマー化である。

オリゴマー化は、タンパク質が互いに結合し、オリゴマーと呼ばれる繰り返し単位を持つより大きな複合体を形成することで起こります。タンパク質濃度が増加すると、相分離とオリゴマー形成も増加します。12月に開催されたアメリカ細胞生物学会での講演で、ブラングウィンは、オリゴマー濃度が増加するにつれて、それらの相互作用の強さが最終的に核形成障壁、つまり凝縮体と細胞質の残りの部分を隔てる表面を形成するために必要なエネルギーを超えることを示しました。この時点で、タンパク質は液滴内に自身を包括しています。

過去5年間で、研究者たちはタンパク質の集団的行動が微小な物理的・化学的力からどのように生じるのかを理解する上で大きな進歩を遂げてきました。しかし、細胞が実際にこの現象をどのように（そして実際に）成長と分裂に利用しているのかについては、まだ解明の途上にあります。

凝縮物と遺伝子発現

凝縮物は細胞生物学の多くの側面に関係しているようですが、特に注目されているのは遺伝子発現とタンパク質の生成の領域です。

リボソームは細胞におけるタンパク質合成工場であり、細胞内のリボソームの数はしばしば細胞の成長速度を制限する。ブラングウィンらの研究は、急速に成長する細胞は核内で最大の凝集体である核小体から何らかの助けを得ている可能性を示唆している。核小体は、リボソームRNAを生成する特定の酵素（RNAポリメラーゼI）を含む、必要な転写機構をすべて集めることで、リボソームRNAの急速な転写を促進する。

数年前、ブラングウィンと当時ポスドク研究員だったステファニー・ウェーバー（現在はモントリオールのマギル大学で助教授）は、線虫C. elegansの初期胚における核小体の大きさ（ひいてはリボソームRNAの合成速度）がどのように制御されているかを調査した。母虫はすべての胚に同数のタンパク質を供給するため、小さな胚ではタンパク質の濃度が高く、大きな胚では濃度が低い。そして、研究者らが2015年のCurrent Biology誌に掲載した論文で報告したように、核小体の大きさは濃度依存的であり、小さな細胞では大きな核小体を持ち、大きな細胞では小さな核小体を持つ。

ブラングウィンとウェーバーは、細胞の大きさを人工的に変化させることで、タンパク質濃度と核小体の大きさを増減できることを発見しました。実際、濃度を臨界閾値以下に下げると、相分離は起こらず、核小体も形成されませんでした。研究者たちは、凝縮体形成の物理学に基づいた数理モデルを導き出し、細胞内の核小体の大きさを正確に予測することができました。

現在、ウェーバー氏は、より小さな細胞を持ち、膜で囲まれた区画を持たない細菌における凝縮体を探している。「細菌には他に選択肢がないため、これが区画化にとってさらに重要なメカニズムなのかもしれません」と彼女は示唆した。

ウェーバーは昨年夏、増殖の遅い大腸菌細胞ではRNAポリメラーゼ酵素が均一に分布しているのに対し、増殖の速い細胞では液滴状に密集していることを示す研究を発表しました。増殖の速い細胞は、リボソームRNAを効率的に合成するために、リボソーム遺伝子周辺にポリメラーゼを集中させる必要があると考えられます。

「相分離は生命のあらゆる領域に存在し、さまざまな機能に特化することが可能になった普遍的なメカニズムのようです」とウェーバー氏は語った。

ウェーバーとブラングウィンは、活発な転写は核小体という一つの大きな凝縮体で起こることを示しましたが、核内の他の凝縮体ではその逆のことが起こります。核内のDNAの大部分は、よりコンパクトで、一般的にタンパク質として発現されないため、ヘテロクロマチンに分類されます。2017年、カーペン、エイミー・ストロム（現在はブラングウィン研究室のポスドク）らは、ショウジョウバエの胚において、あるタンパク質が相分離を起こし、ヘテロクロマチン上に液滴を形成することを示しました。これらの液滴は互いに融合することができ、核内でヘテロクロマチンを凝縮させるメカニズムを提供している可能性があります。

この研究結果は、長年の謎に対する刺激的な説明の可能性を示唆しました。遺伝学者たちは何年も前に、活発に発現している遺伝子をヘテロクロマチンのすぐ隣に置くと、まるでヘテロクロマチンの状態が広がっているかのように、遺伝子がサイレンシングされることを発見しました。「この広がりの現象は初期に現れたもので、誰もその真相を理解していませんでした」とカーペン氏は述べています。

その後、研究者たちはメチルトランスフェラーゼと呼ばれるエピジェネティック制御に関与する酵素を発見し、メチルトランスフェラーゼはDNA鎖をヘテロクロマチンから隣接するユークロマチンへと、ヒストンからヒストンへと進むという、一種の「酵素的プロセッシブメカニズム」だとカーペン氏は述べた。これは過去20年間、拡散現象を説明する有力なモデルであった。しかしカーペン氏は、糸に繋がれた濡れたビーズのようにヘテロクロマチン上に存在する凝縮物は、サイレント状態のヘテロクロマチンの拡散を説明する別のメカニズムの産物である可能性があると考えている。「これらは、生物学の仕組みを考える上で根本的に異なる考え方です」と彼は述べた。彼は現在、この仮説を検証している。

これらのショウジョウバエの胚では、細胞分裂に伴い染色体（ピンク色）が厚くなり、分離していきます。その後、ヘテロクロマチンタンパク質（緑色）が小さな液滴へと凝縮し始め、成長して融合します。これは、細胞が利用できるように遺伝物質を整理するのに役立つようです。動画：ゲイリー・カーペン

フィラメントの形成

凝縮体は、核内ではなく細胞膜に沿った別の細胞の謎を解明するのにも役立ちました。リガンドが細胞表面の受容体タンパク質に結合すると、一連の分子変化と運動が開始され、細胞質を通してシグナルが伝達されます。しかし、それが起こるためには、まず何らかの何かが、このメカニズムにおいて分散しているすべての役割を担う分子を一箇所に集めなければなりません。研究者たちは現在、相分離は細胞が膜受容体に必要なシグナル分子をクラスター化するために用いるトリックではないかと考えています、とローゼン研究室でポスドク研究員として研修を受け、今月マサチューセッツ工科大学で自身の研究室を立ち上げるリンジー・ケースは説明します。

ケース氏は、シグナル伝達に一般的に用いられるタンパク質修飾、例えばリン酸化基の付加は、タンパク質の価数、つまり他の分子と相互作用する能力を変化させると指摘する。したがって、これらの修飾はタンパク質が凝縮体を形成する傾向にも影響を与える。「細胞が何をしているかを考えてみると、実際にはこの価数のパラメータを調節しているのです」とケース氏は述べた。

凝縮体は、小さなモノマーサブユニットが長いタンパク質フィラメントへと重合する過程を制御・組織化する上でも重要な役割を果たしている可能性がある。「凝縮体外よりも長い時間、分子同士が会合しているため、重合が促進されます」とケース氏は述べた。博士研究員としての研究では、凝縮体がアクチンのフィラメントへの重合を促進し、特殊な腎細胞がその独特な形状を維持するのに役立っていることを発見した。

チューブリンの重合は、細胞分裂を助ける有糸分裂紡錘体の形成に重要な役割を果たします。ハイマン氏は、1980年代にケンブリッジ大学分子生物学研究所の大学院研究中に、有糸分裂紡錘体の形成の理解に関心を抱きました。そこで彼は、単細胞生物である線虫C. elegansの胚が2つの細胞に分裂する前に、どのように有糸分裂紡錘体を形成するかを研究しました。現在、彼はこの過程における凝縮体の役割を研究しています。

あるin vitro実験において、ハイマン氏らは微小管に結合するタウタンパク質の液滴を作成し、そこにチューブリンを添加しました。チューブリンはタウ液滴内へ移動します。重合をシミュレートするために、この液滴にヌクレオチドを添加すると、チューブリンモノマーは美しい微小管へと集合しました。ハイマン氏らは、相分離は細胞が微小管の重合と有糸分裂紡錘体の形成を開始するための一般的な方法である可能性があると提唱しています。

タウタンパク質は、アルツハイマー病の特徴であるタンパク質凝集体を形成することでも知られています。実際、筋萎縮性側索硬化症（ALS）やパーキンソン病など、多くの神経変性疾患では、細胞内でのタンパク質凝集体の形成に異常が伴います。

これらの凝集体がどのように形成されるのかを調査するため、ハイマン氏のチームは、ALSに関連する変異体を持つFUSと呼ばれるタンパク質に注目しました。FUSタンパク質は通常は核内に存在しますが、ストレスを受けた細胞では核から細胞質へと移動し、そこで液滴を形成します。ハイマン氏のチームは、変異FUSタンパク質の液滴を試験管内で作製したところ、わずか8時間後には、彼が「恐ろしい凝集体」と呼ぶものに固化することを発見しました。変異タンパク質は、通常のFUSよりもはるかに速く液体から固体への相転移を引き起こしました。

もしかしたら、問題はなぜ病気の細胞で凝集体が形成されるのかではなく、なぜ健康な細胞では凝集体が形成されないのか、ということなのかもしれません。「グループミーティングでよく聞く質問の一つは、『なぜ細胞はスクランブルエッグにならないのか』です」と、ハイマン氏は細胞生物学会議での講演で述べました。細胞質に含まれるタンパク質は「非常に濃縮されているため、溶液から溶け出すはずです」

ハイマン研究室の研究者たちが、精製したストレス顆粒タンパク質の凝縮物に細胞燃料であるATPを加えたところ、凝縮物が消失するのを観察した時、手がかりが得られた。さらに詳しく調べるため、研究者たちは試験管に卵白を入れ、片方の試験管にATP、もう片方の試験管に塩を加えて加熱した。塩を加えた卵白は凝集したが、ATPを加えた卵白は凝集しなかった。生細胞内に存在する濃度では、ATPがタンパク質の凝集を阻害していたのだ。

しかし、どのようにして？それは謎のままだった。バンガロールでのセミナー中に、ハイマンが偶然ある化学者に出会うまで。その化学者は、工業プロセスにおいて疎水性分子の溶解性を高めるためにハイドロトロープと呼ばれる添加剤が使用されていることに気づいた。研究室に戻ったハイマンと同僚たちは、ATPがハイドロトロープとして非常によく機能することを発見した。

興味深いことに、ATPは細胞内に非常に豊富に存在する代謝物であり、その濃度は通常3～5ミリモルです。ATPを利用する酵素のほとんどは、これより3桁低い濃度でも効率的に機能します。では、代謝反応を促進するのにATPが必要ないのであれば、なぜ細胞内でATPがこれほど濃縮されているのでしょうか？

ハイマン氏は、一つの説明として、ATPは3～5ミリモル以下の濃度ではハイドロトロープとして作用しないという可能性を示唆している。「一つの可能性として、生命の起源において、ATPは生体分子を高濃度で溶解状態に保つための生物学的ハイドロトロープとして進化し、後にエネルギー源として利用された可能性がある」とハイマン氏は述べた。

ハイマン氏も認めるように、この仮説を実験的に検証するのは困難です。ATPのエネルギー機能に影響を与えずに、その加水分解特性を操作するのは困難だからです。しかし、この考えが正しければ、加齢に伴う疾患でタンパク質凝集体がよく形成される理由、つまりATP産生が加齢とともに効率が低下することを説明するのに役立つかもしれません。

液滴のその他の用途

タンパク質凝集体は神経変性疾患において明らかに有害です。しかし、他の状況では、液体から固体への移行は適応的に作用する可能性があります。

原始卵母細胞は卵巣にあり、卵子に成熟する前に数十年にわたって休眠状態にあることがある。これらの細胞はそれぞれバルビアニ小体を持っている。バルビアニ小体とは、クモから人間までさまざまな生物の卵母細胞に見られるアミロイドタンパク質の大きな凝縮物である。バルビアニ小体は、ミトコンドリアの大部分を長いアミロイドタンパク質繊維とともにクラスター化することにより、卵母細胞が休眠期にミトコンドリアを保護すると考えられている。バルセロナのゲノム調節センターの細胞生物学者および発生生物学者であるエルヴァン・ボーケ氏は、卵母細胞が卵子に成熟し始めると、これらのアミロイド繊維は溶解し、バルビアニ小体は消失すると説明する。ボーケ氏は、これらのアミロイド繊維がどのように形成され、溶解するかを解明しようと研究しており、これは不妊症や神経変性疾患の治療への新しい戦略につながる可能性がある。

タンパク質凝集体は、損傷後の出血を止めるといった、非常に迅速な生理学的反応を必要とする問題にも対処できます。例えば、Mucor circinelloidesは、根のような菌糸が相互に連結し、加圧されたネットワークを形成し、そのネットワークを通して栄養分が流れ込む真菌です。進化細胞生物学者グレッグ・ジェッド氏が率いるテマセク生命科学研究所の研究者たちは最近、 Mucorの菌糸の先端を傷つけると、最初は原形質が噴出するが、ほぼ瞬時にゼラチン状の栓を形成して出血を止めることを発見しました。

ジェッドは、この反応は長いポリマー、おそらく反復構造を持つタンパク質によって媒介されているのではないかと考えました。研究者たちは2つの候補タンパク質を特定し、それらが存在しない場合、損傷した菌類は原形質の塊へと壊滅的な出血を起こすことを発見しました。

ジェッド氏と彼の同僚たちは、ゲリンAとゲリンBと名付けた2つのタンパク質の構造を研究した。これらのタンパク質は10個の反復ドメインを持ち、その一部には細胞膜に結合できる疎水性アミノ酸が含まれていた。また、これらのタンパク質は、損傷部位から原形質が噴出する際に経験するのと同等の力で展開した。「流動が大幅に加速しているので、これがゲリンに状態変化を指示する引き金なのではないかと考えました」とジェッド氏は述べた。このプラグは、ゲリンを液体から固体へと変化させる物理的な刺激によって作動し、不可逆的に凝固する。

対照的に、アカパンカビ（Neurospora）という真菌種では、菌糸は複数の区画に分かれており、水と栄養分の流れを調節する孔が存在します。ジェッド氏は、これらの孔がどのように開閉するのかを解明したいと考えました。「私たちが発見したのは、本質的に無秩序なタンパク質が凝縮を起こして孔に集まり、孔を閉じるメカニズムを提供しているようです」とジェッド氏は説明しました。

ジェッド氏のチームは、この役割の候補となるアカパンカビのタンパク質には、哺乳類のタンパク質にも見られる繰り返しの混合電荷ドメインがあることを突き止めました。研究者たちは、様々な組成を持ちながらも、長さと電荷パターンが類似したタンパク質を合成し、哺乳類細胞に導入しました。その結果、これらのタンパク質は、哺乳類細胞核内の凝縮体である核スペックルに取り込まれることが分かりました。これは、ジェッド氏とセントルイス・ワシントン大学のロヒット・パップ氏率いる同僚たちが、2020年のMolecular Cell誌に掲載した論文で報告したものです。

ジェッド氏は、菌類界と哺乳類界は、凝縮に基づくメカニズムにおいて無秩序な配列を利用する戦略に独立して到達したようだが、「しかし、両者は全く異なる理由で、異なる区画でそれを使用している」と述べた。

古い説明を再考する

相分離は至る所で見られる現象であり、研究者たちはこの現象が様々な細胞機能にどのように関与しているかについて多くのアイデアを生み出してきました。「相分離によって多くの刺激的な可能性が生まれるため、この分野への関心が高まっているのだと思います」とカーペン氏は述べました。しかし同時に、試験管内で分子が相分離を起こすことを示すのは比較的容易ですが、細胞内で相分離が機能していることを実証するのははるかに困難だと警告しています。「まだ分かっていないことがたくさんあります」と彼は言いました。

ブラングウィン氏も同意見だ。「正直に言うと、この分野全体はまだ、ほとんど理解されていない段階です」と彼は言った。「この仕組みを理解するのは、まだ初期段階です。理解されていないからといって、液体の相分離が重要な推進力ではないということではありません。実際、そうだと思います。でも、実際にはどのように機能するのでしょうか？」

こうした不確実性も、ハイマン氏を落胆させることはない。「相分離によって、誰もが行き詰まっていた過去の問題を振り返り、『今なら別の方法で考えることができるだろうか』と考えることができるようになりました」と彼は語った。「これまで行われてきた構造生物学はどれも素晴らしい成果を上げてきましたが、多くの問題は行き詰まっていました。実際には物事を説明できなかったのです。相分離によって、誰もがこれらの問題について改めて考えることができるようになったのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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