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Rho GTPaseによる細胞遊走制御 CYTOSKELETON NEWS 2020年1月号

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CYTOSKELETON NEWS 2020年1月号

Rho GTPaseによる細胞遊走制御

方向性をもった細胞遊走は、細胞のアクチン細胞骨格と細胞外基質(ECM)を接続し、機械的な力を伝達するインテグリン含有フォーカルアドヒージョン(Focal adhesion:FA)に依存しています。フォーカルアドヒージョンの形成とその後の細胞遊走は、細胞外の誘導合図に応じて、細胞の後縁でのアクチンベースの収縮繊維、細胞の最前縁での突起の動的な再編成がそれぞれ必要です。細胞遊走は、健康な細胞(および生物)の発生、増殖、成熟、および疾患、損傷、および/または免疫系の攻撃に対する生理学的応答に不可欠です。様々な病態生理学的状態(例えば、癌、線維症、感染症、慢性炎症)は、細胞遊走の根底にある動的な生理学的プロセスを乱したり、損なったりします1-5)

RhoファミリーGTPアーゼ(例えば、RhoA、Rac1、Cdc42、およびRhoJ)は分子スイッチとして作用し、GTP結合「オン」状態とGDP結合「オフ」状態との間を循環します。活性化(訳注:GTP結合「オン」状態)はグアニンヌクレオチド交換因子(guanine nucleotide exchange factors:GEFs)を介して行われ、内因性GTPase活性は、GTP-活性化タンパク質(GTP-activating proteins:GAPs)により増幅および活性化されます。RhoファミリーGTPaseは、細胞突起(つまり、糸状仮足と葉状仮足;それぞれRacとCdc42によって調節される)の形成、伸長、退縮、分解に必要なアクチンフィラメントの動的な集合と分解を細胞の前縁で、収縮性アクトミオシン線維(RhoAによって調節される)の動的な集合と分解を細胞の後端で調節している1-8)(図1)。興味深いことに、近年の研究ではRhoAは細胞の前縁においても活性化されていることが明確に示されています1, 9-12)。特に興味深いのは、これらのGTPasesがアクチン細胞骨格の動的な再編成を介して、どのようにして細胞遊走や遊走力の産生を制御しているかということです1-3, 13, 14)(図1)。本ニュースレターでは、細胞遊走時の細胞-ECM接着と細胞方向性の樹立および制御におけるRho-ファミリーGTPasesの役割について討論します。

フォーカルアドヒージョン

RhoAシグナル伝達を除去するとF-アクチンストレス線維形成が防止されます。この知見より、細胞とECM間の相互作用(フォーカルアドヒージョンのような)の制御におけるRho-ファミリーGTPasesの重要性が示されました1, 7)。活性化RhoJ(RhoファミリーメンバーでありCdc42に関連)GTPaseは、インテグリン含有フォーカルアドヒージョンに局在化し、その解体を制御します。GTP-結合RhoJは、Rac GEF β-PixとArf GAPs GIT1/2から構成されるマルチタンパク質複合体をフォーカルアドヒージョンへと輸送し、RhoA活性化を妨げつつRac1とCdc42活性化を促進します15, 16)。この輸送の結果、RhoA活性とアクトミオシン収縮の低下を伴うフォーカルアドヒージョン解体と運動性増加が生じます7, 15-17)。フォーカルアドヒージョン(特にインテグリン含有フォーカルアドヒージョン)とRho-ファミリーGTPases間の間接的な情報交換はECMを介しています。例えば、Rac1ではなくCdc42活性化は、新生ラメリポディア形成をサポートするECMタンパク質フィブロネクチンの沈着を引き起こします。フィブロネクチンはインテグリンに結合し、Rac1依存性の方向性遊走のECMとして機能します18)

細胞の方向性

Rhoファミリーが介在するアクチン細胞骨格再編成は、細胞外の誘導合図(例えば、ケモカイン、基質放出分子、増殖因子、など)に対する細胞の方向性応答に必要です。その応答とは、環境合図に向かう、またはそれから離れる遊走であり、この方向性応答にはアクチン細胞骨格の動的な再編成が必要です。ここで核心となる問題は、細胞外情報をアクチン細胞骨格へと中継するシグナル伝達分子(分子群)の正体です1-4)。定説はPI3キナーゼですが、この仮説は疑問視されています19-24)。新規候補ファミリーとして、Rho-ファミリーGTPasesが挙げられています1)。例えば、集合的に遊走するショウジョウバエのボーダー細胞(border cells)の前縁におけるRac1活性は、安定した、組織化された前方移動に必要です。また、E-カドヘリンが誘導合図を機械的に伝達した際に、Rac1介在性の前方突起は、E-カドヘリンが介在する正のフィードバックループの一環として増大します25)。Racは、線維芽細胞の遊走も制御します26)In vitroでは、遊走しているマウスC2C12筋芽細胞におけるE-カドヘリン介在性機械的シグナル伝達の際、接着分子が遊走細胞の前縁においてCdc42を活性化します。Cdc42は、E-カドヘリンによる方向性細胞遊走や遊走力産生に必須です27)。さらに、Cdc42は細胞が環境合図に応答する前に活性化され、好中球遊走を指示し、Cdc42はRac活性化と協調して、おそらく広範な細胞のアクチン骨格再編成を介して細胞運動に動力を与えます。Cdc42活性化はRhoA活性をも阻害することから、方向性遊走においては2種のGTPasesが対立して作用することが示唆されます。

細胞-ECM接着や細胞遊走におけるRho-ファミリーGTPasesの役割

図1. 細胞-ECM接着や細胞遊走におけるRho-ファミリーGTPasesの役割

細胞前縁においてRho-ファミリー介在性でアクチン重合化駆動性の葉状仮足(Rac)と糸状仮足(Cdc42)形成が生じ、細胞は葉状仮足を基盤として遊走できる。また、Rac介在性アクトミオシン収縮性により後縁における退縮が促進される。Cdc42は、マトリックスメタロプロテアーゼ(MMP)を介したマトリックス分解を介して、アクチンに富む浸潤突起のECMへの突出を仲介します。挿入図(左下):細胞における葉状仮足と尾部退縮。F-アクチンはActi- Stain™ 488(Cat. #PHDG1)を用いて染色

まとめ

細胞-ECM接着や細胞遊走におけるRho-ファミリーGTPasesの役割は非常に理解が進んだものの、未だ数々の疑問が残されています。2D培養から得られた細胞培養データのほとんどは、今では3D細胞培養モデルによる確認が必要となっています。これらのシグナル伝達カスケードが基本的な生理学的経路を制御しているだけでなく、ヒトの病理学的状態で破壊されていることから、細胞-ECM(および、細胞間)相互作用におけるRho-ファミリーGTPasesの役割を研究する際には、この点が特に重要となります。ほかにも重要なこととして、Rho-ファミリーGTPasesは、細胞の種類や状況(疾患モデルにおいてはがんの種類さえにも)に応じて細胞-ECM接着や遊走行動に対して異なる役割(または、少なくとも寄与度の異なるもの)を持つ場合があるということです。最も重要なのは、すべてのRhoファミリーGTPase結合パートナーを同定すること、内因性および外因性シグナルを細胞および細胞応答に統合するシステムレベルでのシグナルカスケードの研究に重点を置くことです。研究者がRho-ファミリーGTPasesによる細胞接着や遊走の制御を解明するのを支援するため、Cytoskeleton, Inc. では、様々なGTPase活性化アッセイ、抗体、翻訳後修飾研究に向けたSignal-Seekerキット、F-アクチン用生細胞画像処理プローブ、および細胞骨格(GTPases、アクチン、およびチューブリン)シグナル伝達試薬と機能アッセイをご提供しています。

 

参考文献

  1. Warner H. et al. 2019. Control of adhesion and protrusion in cell migration by Rho GTPases. Curr. Opin. Cell Biol. 56, 64-70.
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  4. Sit S.-T. and Manser E. 2011. Rho GTPases and their role in organizing the actin cytoskeleton. J. Cell Sci. 124, 679-683.
  5. Hodges R.G. and Ridley A.J. 2016. Regulating Rho GTPases and their regulators. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 17, 496-510.
  6. Ridley A.J. et al. 1992. The small GTP-binding protein rac regulates growth factor-induced membrane ruffling. Cell. 70, 401-410.
  7. Ridley A.J. and Hall A. 1992. The GTP-binding protein rho regulates the assembly of focal adhesions and actin stress fibers in response to growth factors. Cell. 70, 389-399.
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