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がん細胞の運命を握る核膜分子輸送装置の内部構造「バイオフィラメント」のナノ動態の追跡に成功

研究の背景

細胞の振る舞いを決定するDNAは，核膜で覆われた空間「核」に格納されています。核膜における唯一の分子輸送ポアを形成する核膜孔複合体（NPC）は，核を出入りするすべての情報をコントロールする分子ナノゲートとして機能し，がん細胞の異常増殖や転移・浸潤などの悪性形質を促進します。したがって，NPCの作動原理を根本的に理解し制御することで，がんの克服が期待されます。

これまでにリチャード・ウォング教授らの研究グループは，世界最速の高速原子間力顕微鏡（HS-AFM）によるNPCの動的構造の撮影に世界で初めて成功し，NPCの変形と喪失はがん細胞の死に至るコードであることを報告しました（ACS Nano 2017, 11, 5567−5578）。また，NPC内部構造の物性変化により特定転写因子の核内移行が調節され，がん細胞の悪性化を亢進する仕組みを明らかにしました（EMBO Reports, 2018, 19, 73-88）。一方，NPCの内部はフェニルアラニン-グリシン-ヌクレオポリン（FG-NUPs）に存在する天然変性ペプチド鎖（バイオフィラメント）のランダムな動的相互作用により形成される液－液相分離（LLPS）環境にあり，特定の構造を解析することが難しく，NPCの内部バイオフィラメントの動態は十分に理解されていません。核膜物質輸送の中枢であるNPCの作動原理を理解するには，内部バイオフィラメントの振る舞いについてナノスケールレベルの時空間的な解析と，これらの状態・機能相関についてさらなる研究が求められます。

研究成果の概要

本研究グループは，HS-AFMを使用し，大腸由来正常細胞，大腸がん細胞およびオルガノイドにおけるNPCを150ミリ秒以下のタイムスケールで観察し，FG-NUPから成り立つバイオフィラメントの構造を明らかにしました。大腸がん細胞では，正常細胞と異なり単一バイオフィラメントの厚みが不均一になり，バイオフィラメントの回転や動きを活発にし，がん細胞に特徴的なプラグ構造を積極的に形成することを見いだしました。また，遺伝子干渉実験により，大腸がん細胞で過剰に発現する特定のFG-NUPs「NUP214」がバイオフィラメントの動態変化に影響していることを解明しました。

次に，大腸がん細胞およびオルガノイドに，FG-NUPsバイオフィラメント相互作用を阻害するトランス-1,2-シクロヘキサンジオール（※7）を添加したNPCでは，中央チャネルに構成されるプラグのサイズが大幅に減少し，通常の繊維状構造に可逆的に戻ることが明らかとなりました。

これらにより，NPC内部のLLPS環境の形成から消失過程におけるバイオフィラメントの時空間的振る舞いを可視化することに初めて成功しました。

今後の展開

本研究では，何十年も不可能とされてきた，NPC内部のバイオフィラメントの追跡と操作を可能にし，がん細胞に特徴的なバイオフィラメントの動態異常と機能相関について明らかにしました。本成果は，細胞内におけるさまざまな分子反応の場として注目されているLLPS環境の物性解析におけるHS-AMFの有用性を提示するとともに，分子レベルでの核膜ダイナミクスの理解・制御に基づく新たながん診断・治療への応用が期待されます。

図1. 哺乳類のがん細胞と3Dオルガノイドからのネイティブ核膜孔の操作と追跡の概略図

図2. HS-AFMの観察例
核膜孔内の単一ナノフィラメント構造のライブ追跡。核膜孔の中央チャネル内のネイティブシングルFGフィラメント（高さ～1.5 ナノメートル（nm））の急速なコンフォメーション連続変化の一例を示す。

用語解説

掲載論文情報

論文タイトル

Spatiotemporally tracking of nano-biofilaments inside the nuclear pore complex core （核膜孔複合体内部バイオフィラメントの時空間的ナノ動態）

著者

Mahmoud Shaaban Mohamed, Masaharu Hazawa, Akiko Kobayashi, Laurent Guillaud,　Takahiro Watanabe-Nakayama, Mizuho Nakayama, Hanbo Wang, Noriyuki Kodera, Masanobu Oshima, Toshio Ando, Richard W. Wong （マホモド・シャーバノ・モハンメド，羽澤勝治，小林亜紀子，ローラン・ギヨー，中山隆宏，中山瑞穂，王瀚博，古寺哲幸，大島正伸，安藤敏夫，リチャード・ウォング）

掲載誌

Biomaterials

掲載日

2020.06.23

DOI

10.1016/j.biomaterials.2020.120198

Funder