概要

大阪大学大学院生命機能研究科の有吉眞理子特任助教（常勤）、平野泰弘特任講師（常勤） (研究当時／現、お茶の水女子大学基幹研究院自然科学系講師)、深川竜郎教授らの研究グループは、横浜市立大学理学部の境祐二特任准教授、立川正志准教授らと共同で染色体の分配に関わるセントロメア領域に存在するタンパク質複合体が細胞内でどのように集合するのかを世界で初めて可視化することに成功しました。
細胞分裂に伴う染色体の分配は、細胞分裂時に染色体を次世代の細胞に正確に引き継ぐために不可欠な仕組みであり、その基盤を担っているのがセントロメアです。染色体上の特定の領域にセントロメアが規定され、そこに集合したタンパク質複合体 （動原体）と紡錘体微小管が結合することにより染色体が正常に分配されます（図1）。セントロメア領域には、１００種類を超えるタンパク質が集合して機能的な動原体を形成します。このタンパク質複合体の集合機構に関しては、試験管内での生化学的解析による構造解析が研究の中心であったために、細胞内で数多くの分子がどのように集合するのかは不明でした。
今回、タンパク質複合体を計算機上で複数個集合させる分子動力学シミュレーションと細胞内の微細構造を可視化する超解像イメージング手法を組み合わせ、細胞核内ではセントロメアが貝殻状の構造（図2）をとることを明らかにしました。さらに、この秩序だった特徴的な構造によって、正確な染色体の分配に必要であることが示されました。
今回の成果により、セントロメアの構築に関する基本的な分子メカニズムに新しい知見が加わりました。これは、染色体分配異常の原因によって引き起こされる「がん」などの疾患を防ぐための治療法や薬剤開発に応用が期待されるもので、生命科学および医科学分野への大きな貢献が期待されます。

研究の背景

染色体が次世代の細胞に正確に分配されることは、生命の維持にとって極めて重要です。染色体の分配に重要な働きを担う染色体領域がセントロメアです。
正常な細胞ではセントロメア上に集合するタンパク質複合体（動原体）が細胞の両極から伸びた微小管と結合して、染色体の分配がおきます（図1）。この結合がおかしくなると、染色体の分配不全がおき、染色体の数や構造が正常細胞と異なってしまいます。そのような細胞をもつ個体は「がん」をはじめとする多くの病気を発症しやすくなります。したがって、動原体と微小管が適切に結合して正常な染色体の分配がおこることは生命の維持にとって、必須なイベントといえます。
正常な染色体の分配機構を理解するためには、動原体がどのように構築されて微小管と適切に結合できるようになるのかを理解することが極めて重要になります。これまでの研究では、動原体を構成するタンパク質を１つ１つ試験管内で精製し、その構造を理解するという研究手法が多くとられてきました。このような研究では、１つの動原体がタンパク質同士の相互作用によってどのように構築されていくかが詳細に理解できますが、細胞内でこのようなタンパク質がどのように存在しているかは不明でした。特に、細胞内では数十個の動原体が高次に組織化されて微小管と結合することで機能的な動原体となることが分かっており、試験管内で構築される動原体と細胞内の動原体の構造との間には違いがあるのではないかと考えられていました。

本研究の成果

このような背景を踏まえ、本研究グループは、セントロメア領域に存在して動原体形成の土台となる構成的セントロメア構成タンパク質複合体「CCAN」に注目しました。まず、すでに報告されている構成タンパク質が１つずつ含まれたCCAN １分子の高精度の構造をもとに、複数のCCAN分子がどのように集合するのかについて分子動力学シミュレーションを用いて調べました。
研究グループは、先行研究において、複数のCCANによる高次の複合体形成にはCCANの構成因子の一つであるCENP-Cタンパク質が重要であることを示唆していました。そこでCENP-Cを含む複数のCCANとCENP-Cを含まない複数のCCANで高次の複合体形成に関する分子動力学シミュレーションを行った結果、CENP-Cを含む複数のCCAN ではCENP-Cを中心とした特徴的な貝殻状の構造をとるのに対して、CENP-C を含まないCCANでは無秩序な構造をとることが示唆されました。また、この貝殻状の構造の形成には、CENP-CとDNAの結合が重要であることも明らかにできました。
次に分子動力学シミュレーションで示されたCCANの貝殻状の構造が細胞内にも本当に存在するかどうかをニワトリ由来のDT40細胞を用いて調べました。
CCAN複合体は非常に小さく、通常の顕微鏡による解析では1つの大きな点状構造にしか見えず、微細な内部構造を観察することが困難でした。そこで、研究グループは膨張顕微鏡法という超解像イメージング手法を用いました。本手法は、細胞そのものを10倍程度膨張させることで、注目する構造体について解像度を高めて可視化することができます。この手法を用いてCCANタンパク質の１つであるCENP-Tを染色・観察すると、貝殻の殻のような染色像が得られました（図3）。また、CENP-Cは貝殻の内部に存在することも同様のイメージング法で明らかにしました。さらにCENP-Cを働かなくした細胞を作成し、CENP-Tで染色・観察すると、殻のような染色像は見られなくなりました。
以上の結果から、セントロメアを構成するCCANは細胞内ではCENP-Cが中核となり、他のCCAN複合体が外側に集まる貝殻のような構造（図2）をとることが明らかになりました。さらに、貝殻状構造をとらないCENP-Cの変異体を用いた解析から、この秩序だった構造体が正しく染色体を分配させるために必要不可欠であることを示しました。

研究成果のポイント

• 染色体を娘細胞に正しく分配する鍵となる細胞内領域「セントロメア」を構成するタンパク質集合体の細胞内での配置を解明
• セントロメア領域には、１００種類を超えるタンパク質が集合して機能的な動原体を形成しており、細胞内で数多くの分子がどのように集合するのかは不明だったが、細胞内で貝殻のような構造を形成することが明らかに
• セントロメアの秩序だった貝殻状構造の形成が正常な染色体の分配に重要であり、がん発生のメカニズムの解明に期待

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）

今回の成果は、細胞内でのセントロメアの集合機構という基礎生物学にとって重要な成果です。一方で、染色体分配異常による疾患は多く知られており、「がん」はその典型です。「がん」を治すためには、染色体分配の仕組みを理解する必要があり、その点から本研究成果は、がん生物学研究にとっても重要な成果と言えます。染色体分配異常を防ぐ抗がん剤の開発などへの応用も期待されます。

研究者のコメント

我々は、基礎科学として染色体の分配機構の解明、特にセントロメア形成の分子機構の解明を目指して研究を行っています。今回は、セントロメアに集合するタンパク質群の細胞内での可視化に成功しました。セントロメアに関する知見は生物学としても重要ですが、本知見は染色体不安定性の理解につながる応用研究にも貢献できると考えています。（深川 竜郎）

特記事項

本研究成果は、2026年10月22日（木）午前3時（日本時間）に国際科学誌「Science Advances」（オンライン）に掲載されました。

なお、本研究は、主に以下の研究費の支援によって行われました。

• JST戦略的創造研究推進事業 CREST「動原体超分子複合体の構造ダイナミクス」（研究代表：深川竜郎（大阪大学大学院生命機能研究科教授））
• 科学研究費補助金 学術変革領域（A）クラスター細胞学「バイオロジカルクラスター：細胞内における超分子複合体の形成機構と機能特性」 総括班（研究代表：深川竜郎（大阪大学大学院生命機能研究科教授））
• 科学研究費補助金 学術変革領域（A）クラスター細胞学「バイオロジカルクラスターを介した機能的動原体の形成機構」 計画研究（研究代表：深川竜郎（大阪大学大学院生命機能研究科教授））
• 科学研究費補助金 基盤研究（A）「セントロメア多様性の解析を通じたセントロメア形成機構の本質的理解」 (研究代表：深川竜郎（大阪大学大学院生命機能研究科教授））
• 科学研究費補助金 学術変革領域（A）クラスター細胞学「分子場の特性から記述するバイオロジカルクラスターの新しい状態理論」 (計画代表：立川正志（横浜市大理学部准教授）、計画分担：境祐二(横浜市大理学部特任准教授））
• 科学研究費補助金 基盤研究（C）「細胞周期に伴うセントロメア・キネトコアの構造変化の分子基盤」 (研究代表：有吉眞理子（大阪大学大学院生命機能研究科特任助教（常勤）））
• 科学研究費補助金 基盤研究（C）「機能的動原体の基盤となる分子クラスターの特性解析」 (研究代表：平野泰弘（お茶の水女子大学基幹研究院自然科学系講師））
• 科学研究費補助金 学術変革領域（A）クラスター細胞学「バイオロジカルクラスター解析のための極限時空間相関分光法の確立」 (計画分担：平野泰弘（お茶の水女子大学基幹研究院自然科学系講師））