大阪大学微生物病研究所の石谷太教授、青木佳南特任助教らの研究チームは、九州大学生体防御医学研究所との共同研究により、動物のからだを構成する細胞集団の秩序が細胞間の張力（フォース）によって守られることを明らかにしました。

動物のからだづくり（発生）や再生の過程では、細胞が分裂し膨大な数の細胞を生み出しますが、その過程では突発的な異常がある一定の頻度で生じます。これまで、動物組織がこのような異常を回避・克服し、健康性を維持する能力を備えていることは予見されていましたが、この異常回避を担うメカニズムの実体は未知の部分がまだ多く残されています。石谷教授らは以前に、生きた組織の細胞や分子の動態を観察するイメージング解析に適したモデル脊椎動物ゼブラフィッシュを用いて、からだを作る細胞集団の中に、発生の進行に必要な化学信号を適切に作動できない不良細胞が頻繁に生じてしまうことと、これら不良細胞が細胞死により除去されることで細胞集団の秩序が回復し、発生が正常に進行できることを明らかにしていました（Akieda et al., Nature Commun 2019）。しかしながら、細胞集団がどのようにして不良細胞の出現を感知しているのかは不明でした。今回、研究チームは、引き続きゼブラフィッシュを使った解析を行い、細胞集団が化学信号を細胞間張力（フォース）に変換することによって、隣り合う細胞同士でお互いの化学信号の作動具合を監視しあっており、化学信号を適切に作動できない不良細胞が生じると、隣接細胞は細胞間張力の変化を介して不良細胞の出現を感知し、不良細胞に細胞死を誘導することを発見しました（図１）。また、この細胞間張力を介した不良細胞の感知・除去が、秩序を持った健康な組織・個体を作るのに必須であることも示しました。

この発見は、細胞同士が物理的な力（ひっぱり合う力）を利用してお互いを監視し合うという細胞社会の新たな秩序維持機構の存在を明らかにしたものです。また、同様の機構は、化学信号によって再生・維持される成体の様々な臓器においても起こることが予見され、信号作動が異常な不良細胞を起源として生じるがんなどの疾患に対する防御機構の理解にもつながる知見です。本研究成果は、米国科学誌「Science Advances」に、2024 年 11 月15日に公開されました。

図1. 細胞集団は細胞間張力（フォース）を利用して、隣り合う細胞同士でお互いの具合を監視しあっており、不良細胞が生じると、隣接細胞は細胞間張力の変化を介して不良細胞の出現を感知し、不良細胞に細胞死を誘導する

モルフォゲン勾配という化学的信号システムが、秩序ある細胞配置を確立する：

健康なからだを作りあげ、維持するためには、特定の機能を備えた細胞を適切な位置に適切な数だけ配置する必要があります。このような秩序正しい細胞配置は、モルフォゲン勾配と呼ばれる化学信号の活性勾配によって作り上げられます。例えば、哺乳類を含む脊椎動物の胚（発生初期の赤ちゃん）の前後軸に沿った細胞配置パターンの形成は、モルフォゲン勾配の一種であるWntモルフォゲン勾配によって作り上げられます（図２A）。まず、初期胚の後方領域からWntタンパク質が分泌されます。Wntの分泌源に近い後方領域の細胞では、高濃度のWntにさらされた結果、Wntシグナルと呼ばれる化学的信号が強く活性化します。一方で、前方に位置する細胞ではWnt濃度が低いためにWntシグナルがほとんど活性化しません。結果として胚の前後方向に沿ってWntシグナル強度の勾配（モルフォゲン勾配）が形成され、この勾配に沿って各細胞が自身の位置情報を把握し、その位置に適合する運命を選択します。より具体的には、後方に位置する細胞では、Wntシグナルが強く働いた結果として、後方神経組織に相応しい細胞（脊髄など）に分化するための遺伝子発現が誘導されます。一方で、前側に位置する細胞では、Wntシグナルが働かない結果、前方神経組織に相応しい細胞（終脳など）に分化するための遺伝子発現が誘導されます。このようにして、初期胚の前後に沿った規則正しい細胞配置が作り上げられます。また重要なことに、このようなWntモルフォゲン勾配は、初期胚だけでなく、構築途上の脳や、心臓、肝臓、腎臓など種々の組織で形成され、それぞれの組織に適切な細胞配置を生み出します。さらに、再生や細胞の入れ替わりが起こる成体組織（肝臓や腸上皮など）でもWntモルフォゲン勾配が形成され、組織部位に適した運命（増殖や機能細胞への分化など）を細胞に誘導し、組織の構造を維持します（図２B）。また、Wntモルフォゲン勾配を乱すような細胞（Wntシグナルが異常に活性化した細胞）は、がんなどの疾患を引き起こしうることがよく知られています。このようなことから、健康な組織を確実に作り出し維持するためにはモルフォゲン勾配の正確な形成・維持は必須です。

不良細胞は細胞死により除去される：

石谷教授らは以前に、健康な親から生まれた正常なゼブラフィッシュ胚において、Wntシグナルを適切に作動できない不良細胞（本来シグナルが活性化されるべき領域で不活性だったり、シグナルが動くべきでない領域で活性化している細胞）が頻繁に生じることと、これら不良細胞が細胞死により除去されることを明らかにしていました（図３; Akieda et al., Nature Commun 2019）。こうした不良細胞の出現は、成体組織で生じると“がんの一因”になることは古くから知られていましたが、近年、免疫系が未発達なヒトやマウスの着床前胚においても不良な細胞が高頻度で出現し時間経過とともに消失することが明らかにされています（van Echten-Arends et al. Hum Reprod Update 2011; Lightfoot et al., Dev Biol 2006; Greco et al., New Engl J Med 2015; Bolton et al., Nature Commun 2016）。この事実は、動物組織が免疫系を使わずに不良細胞を排除する能力の存在を示唆しています。しかしながら、動物組織がどのようにして不良細胞の出現を感知しているのかは不明でした。

図2. モルフォゲン勾配が、秩序ある細胞配置を確立する
A. Wntモルフォゲン勾配による脳の前後パターン形成
B. Wntモルフォゲン勾配は腸のパターンの形成・維持も担う

図3. モルフォゲン勾配を乱す「シグナル異常を持つ不良細胞」が頻繁に生じるが、それらは細胞死を起こして排除される。

細胞間張力（フォース）を利用して不良細胞の出現を感知する：

今回の課題解決の糸口となったのは、Wntシグナルと細胞接着分子カドヘリンの連関でした。石谷教授らは以前に、Wntモルフォゲン勾配が形成される組織においてWntシグナルの強さが細胞膜のカドヘリンの量に変換されることと、不良細胞の除去にカドヘリンの存在が必須であることを見つけていました（図４上段、Akieda et al., Nature Commun 2019）。カドヘリンは、細胞膜を貫通するタンパク質であり、細胞外では隣接細胞のカドヘリンと結合することで細胞接着を形成しますが（図４上段）、細胞内ではアクトミオシン（アクチンミオシン複合体）と結合することで引っ張る力（張力）を発生させます（図４上段、黄色矢印）。このため、カドヘリンを介して結合する細胞と細胞の間にはお互いを引っ張り合う力、細胞間張力が生じます。石谷教授らは、このアイデアから、「Wntシグナルの強さが細胞膜のカドヘリンの量に変換され、最終的に張力に変換される」という仮説を立て、ゼブラフィッシュ胚で検証を行いました。その結果、この仮説が正しく、Wntシグナルが活発な領域では強い張力が発生し、不活発な領域では張力が弱いことがわかってきました（図４上段）。

　さらに、このシグナルの張力への変換が不良細胞の感知に関わることを発見しました（図４）。具体的には、①場に適さないWntシグナル活性を持った不良細胞が生じると、②その細胞で張力が異常変化し、局所的な張力異常が生じること（シグナルが高すぎると張力が異常に増え、低すぎると張力が異常に低下すること）、不良細胞で張力異常が生じた結果として隣接細胞との細胞間張力のバランスが崩れ、③隣接細胞が不良細胞に引き寄せられ（あるいは遠ざかり）、この急激な隣接細胞の動きがストレスとなって、④細胞膜の物理的ストレスによって開閉するカルシウムイオンチャネルPIEZOが開いてカルシウムイオンが隣接細胞内に流入し、それを受けて⑤隣接細胞がアネキシンA1（Anxa1）という分子を放出することで不良細胞を殺す、という不良細胞の感知・排除の一連のプロセスが明らかになりました。

図4. 隣接細胞は、細胞間張力を利用して不良細胞の出現を感知し、細胞死を誘導することで集団の秩序を回復する

また、Anxa1やPIEZOの機能を阻害したゼブラフィッシュを作製したところ、自然発生した不良細胞が排除されずに蓄積してWntモルフォゲン勾配が乱れ、脳や脊髄の細胞配置があべこべになり、一部の個体では腫瘍形成が起きました（図５）。すなわち、この細胞間張力を介した不良細胞の感知・除去が、秩序正しい細胞配置を持った健康な組織・個体を作るのに必須であることが示唆されました（Aoki et al. Science Adv 2024）。

図5. PIEZOやAnxa1を抑制すると、不良細胞が蓄積して脳や脊髄の細胞配置があべこべになり、一部の個体では腫瘍が形成される

今回の研究では、ゼブラフィッシュ胚におけるWntモルフォゲン勾配をモデルに「細胞間張力を介した不良細胞の感知・排除機構」を明らかにしましたが、上述の通り、Wntモルフォゲン勾配は多様な臓器の形成・維持過程で一生涯を通じて働いており、また、種を超えて保存されたシステムであるため、この「不良細胞感知・除去機構」がヒトを含む哺乳類の様々な臓器でも機能し、健康な形態形成と恒常性維持を支えている可能性が期待できます。また、モルフォゲン勾配にはWntタンパク質により作り出されるWntモルフォゲン勾配だけでなく、Shhタンパク質が作り出すShhモルフォゲン勾配など多様なタイプが存在し、それぞれに異なる細胞の配置を制御しています。こうした別のモルフォゲン勾配においても同様の制御が働く可能性も大いに期待できます。

また、重要なことに、モルフォゲン勾配を作り出すWntやShhのシグナル異常は、がんの起源となると考えられています。例えば、大腸がんの70-80%ではWntシグナルの異常活性化が起きており、Wntシグナルが異常活性化した細胞が大腸がんの起源となりうると考えられています。注目すべきことに、Wnt シグナル異常活性化細胞をマウスの腸に少数導入すると、Eカドヘリンの発現が上昇し、細胞死を起こすことが報告されており (Wong et al., J. Cell Biol. 1998)、この事実は、我々が見つけた不良細胞排除機構がマウスの腸でも機能する可能性を期待させます。加えて、この不良細胞排除に関わる分子群であるE カドヘリンやANXA1 は腫瘍抑制因子としても知られており、このことは、不良細胞排除機構と腫瘍抑制の密接な関係を示唆しています。

また、本研究は、細胞生物学・発生生物学にも新たな視点をもたらします。細胞集団に生じた不良な細胞が排除される現象は古くから知られており、「細胞競合」と呼ばれ、国内外の細胞生物学者によって研究が進められてきました。細胞競合は、５０年ほど前に、タンパク質合成能力の低い不良細胞をショウジョウバエ組織に人為的に導入すると正常細胞とのコミュニケーションを経て排除される現象として最初に発見されました(Morata & Ripoll Dev Biol 1975)。その後、ショウジョウバエや哺乳類培養上皮をモデルとして「人為的に誘導した不良細胞（発がんシグナルが活性化した細胞など）と正常細胞の細胞競合」を対象としたメカニズム解析が進められてきましたが、細胞競合は人工的にしか観察できておらず、細胞競合が生理的環境で機能する生命現象なのかさえも不明でした。また、隣接細胞が不良細胞を感知するメカニズムの理解は進んでいませんでした。我々は、5年前の研究で、細胞競合による不良細胞排除が生理的に起こることを世界に先駆けて報告し（Akieda et al., Nature Commun 2019）、さらに本研究では、力学の視点を組み合わせた独自のアプローチにより不良細胞の感知機構を解明することに成功しました（Aoki et al., Science Adv 2024）。つまり、この研究は、細胞競合の分野を大きく前に進める研究といえます。

また、ヒトを含む動物は細胞の集合体、いわゆる多細胞体ですが、これまで「多細胞体の形成プロセスにおいて個々の細胞がコミュケーションし合うこと」はよく知られていましたが、今回の研究により「多細胞体を構成する個々の細胞が互いの健康状態を監視し合っていること」や「監視に物理的な力（フォース）を使っていること」が初めて明らかになりました。つまり、本発見は、多細胞の概念に新たな視点をもたらす重要な成果といえます。

本研究成果は、米国科学誌「Science Advances」に11月15日（金）に公開されました。

タイトル：“Mechano-gradients drive morphogen-noise correction to ensure robust patterning”
著者名： Kana Aoki, Taiki Higuchi, Yuki Akieda, Kotone Matsubara, Yasuyuki Ohkawa, Tohru Ishitani
DOI: 10.1126/sciadv.adp2357

なお、科学研究費補助金（21H05287、23H04705、22H02820、23K18242、22H04845、21K15085、22K15104、21J01076）、AMED-CREST (24gm2010001h0001)、セコム科学技術財団、公益財団法人武田科学振興財団研究助成、公益財団法人コーセーコスメトロジー研究財団などの支援を受け、実施されました。