概要

大阪大学大学院生命機能研究科大学院生の渡邉励人さん（博士後期課程）・原昌稔助教・深川竜郎教授らの研究グループは、染色体が細胞に伝達される際に重要な働きを担うキネトコア（動原体）上（染色体のくびれ付近）に形成されるたんぱく質複合体構造のこと。現在、100種類程度のタンパク質で構造が形成されると考えられている。キネトコアの機能不全によって、染色体分配が正常に起きなくなり、染色体異常が生じる。染色体異常は、がんやダウン症などの病気の原因となることが知られている。">の形成に必要なCENP-C微小管結合タンパク質とも結合するので、紡錘体微小管とセントロメアをつなぐ因子である。今回の研究では、CENP-Cと染色体のセントロメア領域に結合を制御するメカニズムを発見した。">というタンパク質と染色体との結合メカニズムを世界で初めて明らかにしました。

染色体の伝達の過程では、キネトコア（動原体）と呼ばれる巨大タンパク質複合体が染色体上のセントロメア領域に形成されます。そのキネトコアに紡錘体という分裂装置が結合して染色体は次世代の細胞への均等な分配にいたります。したがって、この過程にはキネトコアの形成が必須です。これまで、キネトコアの形成にはCENP-Cと呼ばれるタンパク質が染色体と結合することが重要と考えられていましたが、どのようなメカニズムでCENP-Cが染色体と結合するのかは不明でした。

今回、研究グループは、ヒトやニワトリの細胞を使った細胞内条件（in vivo）と試験管内の実験（in vitro）において、CENP-Cは、細胞分裂時にリン酸化修飾を受け、このリン酸化がCENP-Cと染色体との結合に重要であるという、新しい分子メカニズムを発見しました（図1）。細胞分裂・染色体分配の制御は、ゲノム不安性が原因で起こる各種疾病（がん、ダウン症など）の原因解明や抗がん剤などの開発に重要です。今回のCENP-Cのリン酸化は、抗がん剤の新規標的になる可能性を秘めており、今後の研究の展開によって、新しい抗がん剤の開発が期待されます。

研究の背景

生物のすべての遺伝情報（ゲノム）は、染色体と呼ばれる構造体に包まれ、次世代の細胞に伝達されていきます。染色体の正確な伝達は、生命を維持する上で必須です。染色体の伝達に何らかの原因により問題（エラー）がおきると、染色体構造にも異常が生じます。引き起こされた染色体異常は、がんやダウン症を始め、多くの病気の原因になることが知られています。したがって、染色体が正確に次世代の細胞へ伝達されるしくみを解明することは、生命を維持するための基本原理の理解につながります。それと同時に、染色体異常が原因で起こる病気の発症機構の解明にも貢献します。

染色体の伝達は、細胞の両極から伸びた紡錘体微小管（紡錘糸）が染色体上のセントロメア領域（染色体のへそ、くびれのような部分）に形成されたキネトコア構造を捉え、娘細胞と呼ばれる次世代の細胞へ染色体を分けることによって行われます（図2）。したがって、染色体が正確に娘細胞へ伝達されるしくみを知るためには、キネトコア構造が形成されるしくみを詳細に理解しなければなりません。

これまで、機能的なキネトコア構造が形成されるためには、CENP-Cと呼ばれるタンパク質が染色体上のセントロメア領域と結合することは重要だと言われていました。しかし、どのようなメカニズムでCENP-Cとセントロメアが結合するのかそのメカニズムは不明でした。研究グループは、そのメカニズムを解明することを目指して研究を開始しました。

本研究の成果

研究グループは、はじめにCENP-Cとセントロメアの結合が細胞分裂する時期に特異的におこることに注目しました。CENP-Cは細胞分裂期にリン酸化修飾を受けるので、CENP-Cのセントロメア結合領域付近でリン酸化を受けている領域がないかを探索した結果、セントロメア結合領域にリン酸化を受ける配列を見つけることができました。その配列がリン酸化を受けないように変異を入れたCENP-Cでは、セントロメアに局在しないことがわかりました。

このことを確かめる為に、試験管内でセントロメア領域を再構成して、リン酸化したCENP-Cとリン酸化されていないCENP-Cとの結合実験を行い、リン酸化により結合が促進することを確かめました。

最後に、ヒトやニワトリ細胞でこのリン酸化の意義を確認した結果、CENP-Cのリン酸化が、セントロメアとの結合を介してCENP-Cの機能に重要であることも証明しました。

研究成果のポイント

• 遺伝情報の乗り物である、染色体が細胞分裂時に正しく分配されるためには、特有の装置、キネトコア（動原体）が染色体上に正確に作られる必要があるが、今回その鍵となるしくみを解明。
• 細胞分裂時、染色体上でキネトコアが作られるためには、CENP-Cと呼ばれるタンパク質が染色体上に結合することが必須と知られていたがその仕組み自体は不明だった。今回、CENP-C がリン酸化を受けることを発見し、そのリン酸化がCENP-Cと染色体の結合に重要であることを示した。
• がんやダウン症は、染色体の分配異常に起因するゲノム不安定性の結果おこることが知られており、それらの病態の原因解明につながる成果として期待。

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）

がんやダウン症を始め、染色体の伝達異常が原因となる疾患は多く知られています。その原因の解明には、染色体の正確な伝達メカニズムを理解することが不可欠です。がん化した細胞での異常な染色体分配を制御するために、セントロメアに存在するたんぱく質の活性をコントロールすることで、がん細胞での分裂を抑制しようとする研究が行われています。今回、CENP-Cのリン酸化という新しいターゲットが発見されたことは、今後の薬剤開発に向けても重要な知見と考えられます。成果は、直接の薬剤開発研究ではありませんが、本知見を活用して、将来的には新しい抗がん剤の開発が期待されます。

特記事項

本研究成果は、2019年11月1日（金）0時（日本時間）に米国科学誌「Journal of Cell Biology」（オンライン）に掲載されました。

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究（S）及び文科省科学研究費補助金新学術領域研究「染色体OS」の一環として行われました。