幹細胞は、死んだり損傷した細胞を置き換えるために分化することができます。しかし、幹細胞はどのようにして、与えられた状況でどのタイプの細胞になるかを決定するのでしょうか？韓国の国際分子生物工学（IMBA）および基礎科学研究所のボン・キョン・クー博士（Bon-Kyoung Koo, PhD）のグループは、腸のオルガノイドを使用して、腸内の分泌細胞の発達を開始する重要な役割を果たす遺伝子、Daam1を同定しました。この発見は、2023年11月24日にScience Advancesに掲載され、がん研究に新たな展望を開きました。
このオープンアクセスの論文のタイトルは「腸のパネス細胞の分化はDaam1/2によるWntシグナリングの非対称調節に依存する」（Intestinal Paneth Cell Differentiation Relies on Asymmetric Regulation of Wnt Signaling by Daam1/2）です。
私たちの体は、ある意味で自動車のようなものです - 機能を維持するためには、定期的にチェックと修理が必要です。私たちの体の場合、損傷したり死んだ細胞は、臓器の機能を維持するために置き換える必要があります。この置き換えは、組織に住む成体幹細胞のおかげで行われます。全ての細胞タイプを形成することができる胚性幹細胞とは異なり、成体幹細胞はそれらが属する組織に見られる細胞タイプのみを形成します。しかし、組織特異的な幹細胞はどのようにしてどの細胞タイプを生じるかを知るのでしょうか？
ガブリエレ・コロッツァ博士（Gabriele Colozza, PhD）は、韓国の基礎科学研究所、ゲノムエンジニアリングセンターのディレクターであるボン・キョン・クーのIMBA研究室の博士研究員として、この問題を調査するために腸の幹細胞を使用することを決めました。
腸 – 常に建設中の現場
「私たちの腸では、細胞は極端な条件にさらされています。損傷した細胞は置き換える必要がありますが、幹細胞の更新と他の細胞タイプへの分化の間のバランスは微妙です：制御されていない幹細胞の増殖は腫瘍の形成につながる可能性があります。一方、多くの幹細胞が分化すると、組織は幹細胞を失い、最終的に自己更新ができなくなります。」とコロッツァ博士は説明します。機械的な摩耗や消化酵素、さまざまなpH値がすべて腸の細胞に影響を与えます。その結果、腸粘膜の幹細胞は分化して新しい腸細胞を形成します。
このバランスは、細胞が互いにコミュニケーションを取ることを可能にするシグナル伝達経路とフィードバックループによって微妙に調整されています。特に重要な経路の一つがWnt経路です。Wnt経路は胚発生における役割で知られており、制御されない場合、過剰な細胞分裂と腫瘍の形成につながることがあります。
分子パートナーが特定される
Wntシグナリングのよく知られた拮抗物であり、Wntを制御するRnf43は、ボン・キョン・クー博士によって最初に同定されました。この研究以前に、Rnf43はWnt受容体フリズルドを標的とし、分解のためにマークすることが知られていました。「私たちはRnf43がどのように機能するか、そして何がRnf43を制御し、Wntシグナリングを調整するのに役立つかを知りたかったです」とコロッツァ博士は述べています。
以前の研究から、研究者らはRnf43自体では、プラズマ膜にあるWnt受容体フリズルドを分解するのに十分ではないことを知っていました。「私たちのプロジェクトでは、Rnf43と相互作用するタンパク質を特定するために生化学的アッセイを使用しました」。Rnf43の重要なパートナーは、Daam1というタンパク質であることが判明しました。
Daam1がRnf43をどのように制御し、作用する組織にどのような影響を与えるかを理解するため、コロッツァ博士は腸のオルガノイドに目を向けました。「Daam1はRnf43が活性化し、Wntシグナリングを全体的に調節するために必要であることがわかりました。さらなる細胞での研究では、Rnf43はDaam1が必要であり、Wnt受容体フリズルドをエンドソームと呼ばれる小胞へ移動させることが示されました。エンドソームからフリズルドはリソソームに送られ、そこで分解され、Wntシグナリングを弱めます」とコロッツァ博士は付け加えています。
腸のオルガノイドは、成人の腸幹細胞から成長する三次元の細胞培養であり、研究者が腸粘膜を模倣することを可能にします。コロッツァ博士にとって、オルガノイドは、Rnf43とDaam1が腸における幹細胞の更新と分化の繊細なバランスにどのように影響するかを理解する機会でした。「Rnf43またはDaam1をノックアウトすると、オルガノイドは腫瘍様の構造に成長します。これらの腫瘍様オルガノイドは、通常依存している成長因子、例えばR-スポンジンを撤回しても成長し続けます」と彼は述べています。
パネス細胞形成の切り替え
この結果をマウスの組織で追跡したとき、研究者らは驚きを受けました。「Rnf43が欠けていると、予想通り腸は腫瘍を形成しました。しかし、Daam1が欠けていると、腫瘍は成長しませんでした。私たちは、同じ経路の因子の喪失が、オルガノイドで同様の振る舞いを示しながら、これほど異なる結果につながるのかに困惑しました」とコロッツァ博士は述べています。
腸を詳しく見ると、Rnf43が欠けている腸は特定のタイプの分泌細胞、パネス細胞でいっぱいであることがわかりました。一方、Daam1が欠けている腸には余分なパネス細胞は含まれていませんでした。パネス細胞は成長因子、例えばWntを分泌し、細胞分裂を刺激します。「Daam1はパネス細胞の効率的な形成に必要です。Daam1が活性化しているとき、幹細胞は分化してパネス細胞を形成します。Daam1が非活性の場合、幹細胞は別の細胞タイプに分化します」とコロッツァ博士は付け加えています。
腫瘍は自らのニッチを変化させて成長する
この分子結果とパネス細胞との関連は、腸とオルガノイドの間の不可解な違いを説明しています。「オルガノイド培養では、私たち科学者が成長因子を提供するため、Rnf43とDaam1の両方のノックアウトは腫瘍様のオルガノイドにつながります。しかし腸では、成長因子を提供する小さな科学者はいません。代わりに、パネス細胞がWntのような成長因子を提供し、幹細胞が生き残って分裂するための適切な条件を作ります。パネス細胞が欠如している場合、例えばDaam1が非活性で細胞をパネス細胞に変化させることができない場合、幹細胞はあまり分裂しません。しかし、パネス細胞が多すぎる場合、例えばRnf43が欠けている腸では、過剰な成長因子が腫瘍の形成に寄与する可能性があります」とコロッツァ博士は述べています。
コロッツァ博士と同僚たちの研究は、非典型的Wnt経路のメンバーであるDaam1がパネス細胞の特定に重要であり、この重要な分泌細胞の発達に直接関与していることを示す最初の遺伝的証拠です。この結果はまた、幹細胞のニッチの重要性に光を当てています。「私たちは、腫瘍細胞が微小環境を変化させ、より良く成長するために支持環境に影響を与えることを示しています」とコロッツァ博士は付け加えています。
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