小腸では、大人になったのちも陰窩 (いんか) と呼ばれる柔毛の底部において、常に新しい細胞が生まれます。古くなった腸細胞は柔毛の先端からはがれ落ちて、新陳代謝することが知られています (図2-2) 。新しい細胞は、陰窩にある幹細胞が分裂することよって生じるため、細胞分裂時に形成される紡錘体微小管が、分裂後に特徴的な配向をもった微小管へとどのように再編成されていくのか、きわめて興味深い点です。腸の組織や、腸組織から分離した幹細胞、また上皮培養細胞株の立体培養などの実験系を複合的に用いることで、上皮細胞における微小管制御の分子機構を明らかにし、特徴的な微小管編成の生理的な役割を調べたいと考えています。これらの研究は、理化学研究所多細胞システム形成研究センター (理研CDB) の竹市雅俊先生との共同研究で進めています。

小腸の腸管内面には、陰窩 (いんか) と柔毛が多数見られる。腸の陰窩 (いんか) に位置する幹細胞が分裂して生みだされた腸上皮細胞は、陰窩から柔毛先端部に向けて押し出されるかたちで移動し、最終的には先端部から剥がれ落ちて除去される。幹細胞では微小管が紡錘体をつくり染色体を分配し、細胞分裂を起こす。分裂により生じた上皮細胞は特有の微小管配向性を示すと考えられる。なお、本図では簡略化のため、吸収上皮細胞・幹細胞以外の細胞の描画は省略してある。

　興味深いことに、大部分のがん (悪性腫瘍) は上皮組織に形成されることが知られています。大腸がんの発症に関わるタンパク質として、微小管やその制御因子と結合するAPC (adenomatous polyposis coli) タンパク質が同定されていること、さらに、がん治療には微小管重合阻害剤が用いられていることから考えて、上皮における微小管研究の医学的重要性はこれからさらに高くなると思われます。

　腎臓は、血液中から老廃物を取り除き、体内の水分や塩分の調節をおこなう重要な臓器です。腎臓にできる嚢胞は、よく見られる病変で、50才以上のヒトの半数が嚢胞をもつとも言われています。嚢胞が片方の腎臓にできるか、両方にできるか、また、数や場所はさまざまです。多くは症状を示さない良性のものとされていますが、いくつかの遺伝的な病気と、それをひきおこす原因遺伝子が知られ、分子機構の解明を目指す研究がなされています。しかしながら、嚢胞が形成されるしくみについては、未だ多くのことが分かっていません。

　我々は、小腸におけるCAMSAP3の機能の解析を進める過程で、高齢のCamsap3変異マウスにおいて、左右両側の腎臓が白色化・肥大化することを見出しました (Mitsuhata et al., Sci. Rep., 2021、こちらも参照：早稲田大学先進理工学部生命医科学科ウェブサイト、 早稲田大学 研究トピック) 。若齢の変異マウスでは、腎臓の外観は野生型と同様なものの、組織切片を作製して内部を観察すると、皮質部分に、多数の嚢胞が形成されることが分かりました。CAMSAP3遺伝子が嚢胞腎の原因となることや、CAMSAP3が制御する上皮微小管が腎臓の構造保持に働くことは、新たな発見です。

　腎臓は、ネフロンと呼ばれる最小機能単位が多数集まってできています。ネフロンは、腎小体とそれに続く1本の尿細管から成ります。腎小体はさらに、糸球体とそれを支持するボーマン嚢、尿細管は糸球体側から、近位尿細管、ヘンレループ、遠位尿細管、集合管に分類され、集合管が膀胱へと繋がっています。

　Camsap3変異マウスの腎臓が、ネフロンのどの領域に嚢胞を形成するのかを調べた結果、近位尿細管が特異的に拡張していることが明らかとなりました (図2-3) 。近位尿細管では、濾過された尿の約70 %が再吸収されることが分かっています。

Camsap3変異マウスでは近位尿細管が拡張して嚢胞が形成される。拡張した尿細管の上皮細胞では、微小管の配向が乱れ、基底膜の陥入構造 (基底線条) の形態が乱れ、頂端面では微絨毛の欠失が見られる。

　Camsap3変異マウスの嚢胞腎において拡張した近位尿細管では、何が起こっているのでしょうか。細胞レベルの観察を行った結果、拡張した近位尿細管の上皮細胞では、細胞の高さが低くなり、細胞の幅が広がっていることが計測され、細胞が伸展して、扁平な形態になっていることが分かりました (図2-3) 。

　CAMSAP3タンパク質の局在と微小管の形態を観察した結果、野生型マウスでは、尿細管上皮細胞は、小腸上皮細胞と同様に、CAMSAP3が頂端部に局在し、微小管を繋ぎとめている様子が観察されました。一方、Camsap3変異マウスの拡張した尿細管上皮細胞では、CAMSAP3タンパク質は頂端部には局在せず、微小管配向に乱れが生じることが分かりました。尿細管に特徴的な基底膜の陥入構造 (基底線条) にも、方向性や深さに異常が見られ、頂端面では、野生型細胞に存在する微絨毛の欠失も観察されました。

　観察された細胞の構造の異常は、腎臓の生理的機能にも影響を及ぼすのではないかと考えて、尿・血液の生化学検査を行いました。その結果、Camsap3変異マウスでは、血液中のカリウム、マグネシウムの値が低く、尿中で高い傾向が示されました。いっぽう、腎臓の濾過機能をモニターする数値には異常が見られず、上皮微小管の腎臓機能への影響については、さらなる解析が必要です。

　Camsap3変異マウスの嚢胞腎は、どのように形成されるのでしょうか。つまり、Camsap3変異をもつ近位尿細管は、細胞の扁平化をともなって、どのようなしくみで拡張するのでしょうか。細胞の数が増えたのではないかと考えて調べましたが、細胞増殖の亢進は、Camsap3変異マウスの腎臓で、尿細管が拡張しているいないに関わらず観察され、それだけでは尿細管が拡張する理由が明らかではありません。

　そこで、我々はYAPという因子に着目しました。YAPは、臓器のサイズ調節にも関わる転写活性化 (遺伝子発現調節) 因子で、細胞の増殖に加えて、メカニカルな力に対する細胞形態の維持にも関わることが知られています。染色で局在を調べた結果、YAPは、野生型では、核を避けるように細胞質に局在しましたが、Camsap3変異マウスでは、拡張した尿細管で、その局在を核内に移し、YAPが活性化していることが示唆されました (図2-4) 。拡張していない近位尿細管では、YAPの局在は、細胞質に留まって、YAPの活性化が変異マウスでの尿細管の拡張と関連することが示唆されました。さらなる解析の結果、扁平化した上皮細胞の頂端面に張力が働いていることを示唆する結果 (ミオシン活性を調節する因子MLC2の頂端領域への蓄積) が得られ、メカノセンサーとして知られるPIEZO1という因子の局在変化も観察されました。これらの結果から、現在、Camsap3の変異により嚢胞腎が形成されるしくみとして、次のようなメカノストレスによる近位尿細管の拡張を考えています (図2-4) 。近位尿細管の上皮細胞では、微小管の量は、野生型においても、遠位尿細管や集合管領域と比較して少ないことも、今回の研究で分かりました。このため、近位尿細管が他の領域よりもCamsap3変異の影響を受けやすいと推測できます。CAMSAP3の働きが欠損することで上皮微小管が乱れ、それにしたがって、細胞の形の保持に支障を来した結果、尿細管が内側からの力を感知しやすくなって、領域特異的に拡張したと考えられます (図2-4) 。Camsap3変異マウスで嚢胞が観察されはじめる時期は、マウス胎児が原尿をつくり始める時期と同じです。尿細管内側からの力は、原尿の圧力なのかもしれません。Camsap3変異マウスで、尿細管の領域にかかわらず細胞増殖が亢進することも、加齢に伴って増加する嚢胞領域の拡大に寄与する可能性があります。

Camsap3の機能を欠損すると、微小管の配向性が乱れる。微小管の配向性の乱れにより、細胞が形態を保つ力が弱まり、尿細管に流れ込む原尿から加わる力に対抗できなくなって、尿細管が拡張すると推測される。尿細管の拡張により嚢胞が形成される。尿細管に流れ込む原尿から加わる力は、メカノセンサーであるPIEZO1、YAPを活性化する。もともと他の領域 (遠位尿細管、集合管) より微小管量が少ない近位尿細管において、Camsap3の機能を欠損の影響が大きいと考えられる。

　Camsap3変異による嚢胞腎形成のメカニズムについては、現在、生命医科学科 竹山研究室と連携し、遺伝子発現解析も行なって研究を進めています。また、Camsap3変異による微小管の異常は腎臓や小腸だけでなく、他のいくつかの臓器でも見られます。上皮細胞における微小管編成のさらなる役割について、ほかの臓器に関する研究も進めていきます。