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Journal Clubでは、担当者が面白い！シェアしたい！と思った論文を紹介しています。
せっかく一生懸命読み込んだ内容なので、ホームページに記事としてまとめて公開します！
2025年6月3日 担当：土肥
論文紹介5〜細胞外基質を見てみよう！〜
今回ご紹介させていただいた論文は、Antonio et al., Live imaging of the extracellular matrix with a glycan-binding fluorophore, Nature Methods, 2025. です。https://www.nature.com/articles/s41592-024-02590-2
細胞外基質とは、細胞の外部を取り巻く構造体の総称であり、主にコラーゲン、ラミニン、プロテオグリカンなど線維状のタンパク質から構成されています。細胞外基質は全身に分布しており、細胞の足場として機能したり、近年は増殖や分化をも制御したりしていることが明らかにされ始めています。また、過剰な細胞外基質の蓄積は線維化を引き起こし組織の機能の低下にも関与しています。こうした知見が続々と報告され始めてはいるものの、細胞外基質を構造的に可視化する技術は確立されていませんでした。 細胞外基質のイメージングの障害となっていた点の一つは、構成成分の分子量や種類が雑多であることでした。現在、抗原抗体反応による蛍光イメージングが広く行われていますが、こうした手法では細胞外基質のうち特定のものしか標識することはできず、「細胞外基質そのもの」を構造的に捉えることはできません。そこで筆者らは、細胞外基質を構成する種々のタンパク質に付着している糖鎖と結合する小分子Rhobo6を作製しました。Rhobo6は十分に小さい構造であるためそれ自体が細胞外部の限られたスペースにも浸透することができ、さらに糖鎖と結合すると、非結合型とは異なる励起光・蛍光を有するようになりノイズの少ないシグナルを検出することが可能です。また、生理学的な範囲内のpHで電離しており、これによって細胞膜の透過性が極端に低下し細胞外部に局在します。 実際にRhobo6を用いると、糖鎖依存的に結合して蛍光を発することが確認されました。糖鎖を介して細胞外基質を間接的に可視化しているため、特異性は喪失しているものの、細胞外基質という構造そのものを従来にはない制度で捉えることが可能となりました。また、単に細胞外基質を見るだけでなく、がんモデルマウスの観察から、健常織とがんに侵された組織を形態学的に見分けることが可能であると証明されました。現段階では細胞外基質そのものを見ることに留まっていますが、今後様々な技術と組み合わせることで構成成分の見分けもつくようになればさらに多くの発見につながるはずです。なんだかよくわからないけど重要そうな細胞外基質に魅了される今日この頃です。
2025年2月12日 担当：古市（今年度、古市もJCの順番に入って発表していました）
若返り薬
マイクロRNAは、20数個の塩基からなる短い核酸で、遺伝子をコードすることはありませんが、特定の遺伝子のmRNAに結合して、その発現を抑制することで遺伝子の発現を調節します。さらに、マイクロRNAはエクソソームという小さな小胞に包まれて細胞外に分泌され、他の細胞や組織に取り込まれることで、その細胞内で遺伝子発現を調節することが分かっています。
今回紹介する論文では、ES細胞由来のエクソソームに含まれるmiR-302bが老化した細胞を若返らせるという研究結果が報告されています。タイトル通り「若返る」とは少し安易な表現に思えるかもしれませんが、論文の内容を読むと、実際にその通りの結果が得られています。細胞は分裂を繰り返すうちに、細胞周期が停止して増殖しなくなったり、炎症系サイトカイン（SASP）を分泌して「老化」します。しかし、著者たちはES細胞由来のエクソソームに若返り因子が含まれていると仮定しました。
実際に、ヒトES細胞由来のエクソソーム（hESC-Exos）を老化した培養細胞に加えると、停止していた細胞分裂が再開し、増殖能力が回復しました（FACSによる細胞周期解析、RNA-seq、p21-YFP細胞解析などで確認）。また、hESC-Exosをマウスに静脈注射すると、寿命だけでなく、運動機能や認知機能も改善されました。そのメカニズムとして、老化によって上昇するCdkn1aとCcng2の発現が、エクソソームによって抑制されることが示されました。
さらに、hESC-Exosに含まれるmicroRNAを解析した結果、miR-302b-3pが最も多く存在していることがわかりました。AGO2を用いたCLIP-seqでmiR-302bが結合する標的遺伝子群を特定し、その中でCdkn1aとCcng2の3’UTRに結合して発現を制御していることが明らかになりました。詳細は省略していますが、ここが僕にとって特に面白かった部分です！
miR-302bを投与したマウスでも、hESC-Exosと同様に若返りが観察されました。具体的には、寿命の延長、脱毛の回復、運動機能の向上、認知機能の改善が確認されました。この結果は、期待通りすぎるほど理想的でした。miR-302bは臨床応用に向けた研究が進められるでしょうが、細胞増殖を促進するため、腫瘍の進行に関する安全性の検証が必要だと述べられています。
本研究室でも分泌型のマイクロRNAについて研究を進めており、この論文は非常に参考になりました。ミーティングでも詳細な議論が交わされ、今後の研究に活かせそうです。
参考文献: Bi, Y. et al. (2025). Exosomal miR-302b rejuvenates aging mice by reversing the proliferative arrest of senescent cells. Cell Metabolism, 37(2), 527-541.e6. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.11.013
2024年10月16日 担当：土肥くん
〜シン・イメージングの（暴）力！
今回紹介させていただいた論文は、 Zihao, et al., Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules, Science, 2024. です。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm6869
生体内で生じる現象をそのまま観察することは、生物学者にとって是非とも実現したい夢の一つではないでしょうか。同時に、可能であれば自分の興味のあるモノを色付けて蛍光イメージングしたいですよね。そのためには、励起光と蛍光が試料を透過する必要があります。生体組織は主に水性、脂質、およびタンパク質成分から構成されており、それぞれ屈折率が異なります。このような構成成分が不均一な物体へ光を照射すると、光が散乱するためイメージングが困難（励起光が届かない、蛍光が検出系まで届かないなど）となります。そこで、光の散乱を回避するために組織透明化技術が開発されてきました。しかし、従来の透明化方法は生体毒性が高く、組織や生物個体を生かしたまま透明化する手法は確立されていませんでした。この論文では、Tartrazineと呼ばれる色素（ドリトスの着色料で毒性が低い）を用いることで水溶液の屈折率を向上させ透明化できることを発見しました。
筆者らは、Kamers-Kroning relationsおよびLorentz modelの２式から計算を行い、可視光の短波長400 nm付近に吸光ピークのある分子が水に溶解して水溶液となった際に水溶液の屈折率を増加させ、脂質やコラーゲン線維と同等の屈折率になることを予測しました。前述した性質を有する分子として筆者らはTartrazineに着目しました。Tartrazineは257, 428 nmに吸光ピークを持ち、水に溶解すると水溶液の屈折率を脂質やコラーゲン線維と同程度まで増加させました。続いて、Tartrazineを含むアガロースゲルを生体皮膚上に塗布することで高波長の光透過性が増加し皮膚を透明化できることを発見しました。加えて、色素を水で洗い流すと透明ではなくなるため、組織を可逆的に透明化できています。筋組織においては、SHG（第二次高調波発生）イメージングによって220 µmの深度でサルコメア構造を検出しており、2 mm厚の生体組織であれば十分に透明化できたと報告しています。
この論文では主にマウスを用いた解析を行っており、この透明化技術をヒトに応用できるのかは不明です。ですが、生体内を非侵襲的かつ可逆的にイメージングできれば新たな発見が続々となされるに違いありません。最新技術に乗り遅れないよう先を見つつやるべきことに邁進していきます！
2024年7月17日 担当：土肥くん
イメージングの（暴）力！
今回紹介させていただいた論文は、Collins, et al., Three-dimensional imaging studies in mice identify cellular dynamics of skeletal muscle regeneration, Developmental Cell, 2024. です。 https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00184-9
これまでの研究から、筋幹細胞であるサテライト細胞が筋再生の中心的な役割を担っていることが知られていますが、生体外での培養実験による解析や、筋組織の凍結組織横断切片を対象にした解析が主流であり、生体内における筋再生時のサテライト細胞の挙動は未解明な部分が多いという背景があります。この論文は、損傷前後の筋組織摘出し、透明化して免疫染色を行い、共焦点顕微鏡を用いて形態観察することで、3次元的に筋再生がどのように行われるかを可視化しました。それにより、生体内における筋再生の実態に迫っています。
従来の培養実験からサテライト細胞の分裂する方向性が筋線維と平行か垂直かによって運命制御されるといった報告がありますが、今回、筋再生中のサテライト細胞を観察すると、生体内ではほとんどの細胞が筋線維と平行に分裂していることがわかりました。また、損傷後３日ほどでサテライト細胞が急激に増殖して損傷箇所を埋め、４日後には互いに融合して新生筋線維の形成が完了することを明らかにしました。
前者についてはさらなる検証がですが、生体外で生じている現象が生体内では必ずしも生じていない可能性を留意しなければと再確認できました。後者のデータからは、自分がこれまで漠然と考えていたよりも早くに筋再生が行われていることに驚きました、興味深いです。また、イメージングの説得力は改めてすごいなと実感しました。彼の物理学者が言っていたように、超超超高性能な顕微鏡が完成したのなら、生物学の諸問題の多くが解決するのではないでしょうか。
2024年5月15日 担当：土肥くん
最適な足場材料が生体内にはあるじゃない！
タイトルは若干のミスリーディングですが、今回紹介させていただいた論文は、Kristen, et al., Myoscaffolds reveal laminin scarring is detrimental for stem cell function while sarcospan induces compensatory fibrosis, npj regenerative medicine, 2023. です。 https://www.nature.com/articles/s41536-023-00287-2
幹細胞ニッチという言葉が示すように、細胞周囲の微小環境を構築する細胞外基質が幹細胞のパフォーマンスに影響を与えており、加齢や疾患によって細胞外基質が変性することで幹細胞が正常に機能しなくなることが知られています。筋線維が崩壊していく遺伝病、筋ジストロフィー（DMD）においては、初期段階では筋幹細胞であるサテライト細胞が筋再生を行いますが、次第に再生不良に陥りやがて筋が萎縮してしまいます。なぜサテライト細胞の再生不良が生じるのかに関して、その全容は明らかにされていません。そこでこの論文は、細胞外基質とサテライト細胞の相互作用に着目し、摘出筋に「脱細胞化」処理を施すことで細胞外基質のみ残した構造体、Myoscaffoldを作製して実験を行いました。
Myoscaffoldの作製は、摘出筋を凍結して薄切した切片をスライドガラスにのせ、これを界面活性剤で処理します。すると、細胞成分が除去されて細胞外基質構造のみが残留します。これに、サテライト細胞を播種して解析しました。野生型およびDMDマウスのそれぞれから作製したMyoscaffoldに細胞を撒いてみると、野生型由来のものに対して多くの細胞が接着することが観察されました。また、それぞれのMyoscaffoldを解析すると、DMD由来のものはラミニンやコラーゲンが多く沈着しており弾性率が低く、ラミニンが過剰に沈着している領域にはサテライト細胞が浸潤せず、分化能も低下していることが明らかになりました。以上の結果から、線維化が進行した筋組織は、サテライト細胞の接着が困難な環境であり、細胞の移動および分化が制限されることで再生不良が生じる可能性が示唆されました。
近年、人工的に合成した細胞外基質材料の開発が進められていますが、理想は生体内での細胞と細胞外基質の相互作用を解析できることです。この論文では完全に生体内の細胞外基質構造を保持できてはいませんが、生体材料を取り出してそのまま培養系に使ってしまおう！といった発想が斬新で興味深かったです。柔軟な思考の重要性を再認識いたしました！
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