細胞老化において、ERのexpandによって細胞形態の肥大化・扁平化が起きている? (Oncotarget 2016年10月18日号掲載論文)

結論から言うと、ERストレス誘導薬剤により細胞老化様の表現型も誘導されることを示し、ERストレス関連たんぱく質ATF6αをKDすることで細胞老化時の細胞形態の肥大化・扁平化をキャンセルできることを示した論文。

 

本日は「ATF6α regulates morphological changes associated with senescence in human fibroblasts (ATF6αはヒト線維芽細胞の老化に伴う形態変化を制御す)」という論文で、フランス Université de Lille, Institut Pasteur de Lille, CNRS UMR8161, Mechanisms of Tumourigenesis and Targeted Therapies の Olivier Pluquet のグループ(どういったラボ?→*1)による研究。(論文サイトへのlink→*2

 

視覚的なまとめはこちら。

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論文のFig6より引用。

うーん、fig5のBのフローサイトメトリーで細胞の大きさを測った結果が微妙なので、本当なのかなぁ?という印象でした。ところで、細胞老化で細胞が大きくなるのって、もうメカニズム明らかになっていたんでしたっけ。浸透圧とかがかわるのかな。

 

 

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Cellular senescence is known as an anti-tumor barrier and is characterized by a number of determinants including cell cycle arrest, senescence associated β-galactosidase activity and secretion of pro-inflammatory mediators. Senescent cells are also subjected to enlargement, cytoskeleton-mediated shape changes and organelle alterations. However, the underlying molecular mechanisms responsible for these last changes remain still uncharacterized. Herein, we have identified the Unfolded Protein Response (UPR) as a player controlling some morphological aspects of the senescent phenotype. We show that senescent fibroblasts exhibit ER expansion and mild UPR activation, but conserve an ER stress adaptive capacity similar to that of exponentially growing cells. By genetically invalidating the three UPR sensors in senescent fibroblasts, we demonstrated that ATF6α signaling dictates senescence-associated cell shape modifications. We also show that ER expansion and increased secretion of the pro-inflammatory mediator IL6 were partly reversed by silencing ATF6α in senescent cells. Moreover, ATF6α drives the increase of senescence associated-β-galactosidase activity. Collectively, these findings unveil a novel and central role for ATF6α in the establishment of morphological features of senescence in normal human primary fibroblasts.

(私訳と勝手な注釈) 

細胞老化はがん化を防ぐバリアとして知られており、細胞周期の停止、SA-β-ガラクトシダーゼ活性、および炎症性メディエーター[*炎症を促進するサイトカインなど]の分泌を含む多くの因子によって特徴づけられます。老化細胞はまた、肥大化、細胞骨格を介した形状変化、オルガネラの変化を呈します。しかし、これらの変化を引き起こす分子機構は未だ解明されていません。この論文で著者らは、Unfolded Protein Response (UPR) が、老化細胞が示す形態学的な表現型を制御していることを明らかにしました。著者らは、老化した線維芽細胞がERの拡張と軽度のUPR活性化を示す一方で、増殖能を持つ細胞と同様のERストレス適応活性 (ER stress adaptive capacity)を維持していることを示しました。また、ATF6αをサイレンシングすることで、老化に関連した細胞形状の変化を抑制が抑制されることが明らかとなりました。さらに、ATF6αが、老化細胞におけるSA-β-ガラクトシダーゼ活性の増加を促進することを明らかにしました。これらの知見により、正常ヒト初代線維芽細胞における老化の形態学的特徴の確立におけるATF6αの新規かつ中心的な役割が示されました。

*1:--- 私の研究全体の目的は、細胞の老化(老化)や腫瘍の発生・進行に伴うタンパク質の恒常性の制御における、分泌経路の第一コンパートメントである小胞体(小胞体)の役割と、小胞体から発せられる経路を理解することにあります。 --- https://pro.univ-lille.fr/olivier-pluquet/  より引用したものをDeep Lにかけてみました。フランス語からの訳も結構いけるんですねぇ。Deep Lすごい。このグループは小胞体と細胞老化の関係を研究しているグループのようです。

*2:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5356513/

Bcl-2の抗アポトーシス作用にはERのCaイオンレベルの制御が効いている (EMBO Journal 2001年6月1日号掲載論文)

結論から言うと、Bcl-2を過剰発現するとERのCaイオン濃度が低下し、ERからのCa放出刺激が起こった際にもミトコンドリア、及び細胞質に過剰なCaイオンが放出されることを防いでいることを示した論文。

 

本日は「The Ca2+ concentration of the endoplasmic reticulum is a key determinant of ceramide-induced apoptosis: significance for the molecular mechanism of Bcl-2 action (小胞体のCa2+濃度がセラミド誘発アポトーシスの鍵を握る:Bcl-2作用の分子機構への意義)」という論文で、イタリア Department of Biomedical Sciences and CNR Center for the Study of Biomembranes, University of Padova の Rosario Rizzuto のグループによる研究。(論文サイトへのlink→*1

 

 

Bcl-2の抗アポトーシス作用は、BAXのアポトーシス作用を阻害することのみに起因するものだと思っていました[*BAXは、細胞質からミトコンドリアに移行し、ミトコンドリア外膜の透過によってミトコンドリアからのチトクロームcの放出を誘導することで、細胞をアポトーシスに導く。これが、BAXのアポトーシス作用。Bcl-2はBAXと結合することでこの作用を阻害すると考えられている。]。しかし、ミトコンドリアへのカルシウム転移を制御することでも抗アポトーシスにはたらいている点が興味深かったです。

ちなみに、老化細胞ではBcl-2が高発現しており、アポトーシス抵抗性を示すそうです。では、老化細胞のERはカルシウム不足なのでしょうか。

 

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

The mechanism of action of the anti-apoptotic oncogene Bcl-2 is still largely obscure. We have recently shown that the overexpression of Bcl-2 in HeLa cells reduces the Ca2+ concentration in the endoplasmic reticulum ([Ca2+]er) by increasing the passive Ca2+ leak from the organelle. To investigate whether this Ca2+ depletion is part of the mechanism of action of Bcl-2, we mimicked the Bcl-2 effect on [Ca2+]er by different pharmacological and molecular approaches. All conditions that lowered [Ca2+]er protected HeLa cells from ceramide, a Bcl-2-sensitive apoptotic stimulus, while treatments that increased [Ca2+]er had the opposite effect. Surprisingly, ceramide itself caused the release of Ca2+ from the endoplasmic reticulum and thus [Ca2+] increased both in the cytosol and in the mitochondrial matrix, paralleled by marked alterations in mitochondria morphology. The reduction of [Ca2+]er levels, as well as the buffering of cytoplasmic [Ca2+] changes, prevented mitochondrial damage and protected cells from apoptosis. It is therefore concluded that the Bcl-2-dependent reduction of [Ca2+]er is an important component of the anti-apoptotic program controlled by this oncogene.

(私訳と勝手な注釈) 

アポトーシス腫瘍遺伝子Bcl-2の作用機序については、まだほとんど解明されていません。著者らは最近、HeLa細胞においてBcl-2を過剰発現させると、小胞体からの受動的なCa2+の漏出が増加することにより、小胞体内のCa2+濃度([Ca2+]er)が低下することを明らかにしました。このCa2+枯渇がBcl-2の作用機序の一部であるかどうかを調べるために、異なる薬理学的・分子学的アプローチでBcl-2の[Ca2+]erに対する効果を模倣しました。その結果、[Ca2+]erを低下させた条件では、Bcl-2感受性のアポトーシス刺激であるセラミドからHeLa細胞がアポトーシスを回避しましたが、[Ca2+]erを増加させた条件では逆の効果が得られました。驚くべきことに、セラミド自体が小胞体からのCa2+の放出を引き起こしており、その結果、細胞質とミトコンドリアマトリックスの両方でのCa2+濃度が上昇し、ミトコンドリアの形態に著しい変化が見られました。[Ca2+]erレベルの低下は、細胞質の[Ca2+]変化の緩衝作用だけでなく、ミトコンドリアの損傷を防ぎ、アポトーシスから細胞を保護しました。したがって、Bcl-2依存的な[Ca2+]erの減少は、この癌遺伝子によって制御される抗アポトーシスプログラムの重要な構成要素であると結論づけられました。

ERマーカーのcalreticulinが細胞表面にあると、マクロファージの貪食のマーカーになる? (Nature Communications 2018年8月10日号掲載論文)

結論から言うと、マクロファージによる生きた細胞の検出・認識が細胞表面のcalreticulinというたんぱく質を目印に行われることを示した論文。

 

本日は「Programmed cell removal by calreticulin in tissue homeostasis and cancer (組織恒常性と癌におけるカルレチキュリンによるプログラムされた細胞除去)」という論文で、米国 Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Stanford University の Irving L. Weissman のグループによる研究。(論文サイトへのlink→*1

 

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sCRT: soluble calreticulin
mCRT: membrane calreticulin(?)
このfigはNature Communicationsのこちらのページより引用です。

 

カルレティキュリンが、細胞の外に出ることがすごく驚きです!生物学的な意義も大きそうです。

 

 

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Macrophage-mediated programmed cell removal (PrCR) is a process essential for the clearance of unwanted (damaged, dysfunctional, aged, or harmful) cells. The detection and recognition of appropriate target cells by macrophages is a critical step for successful PrCR, but its molecular mechanisms have not been delineated. Here using the models of tissue turnover, cancer immunosurveillance, and hematopoietic stem cells, we show that unwanted cells such as aging neutrophils and living cancer cells are susceptible to “labeling” by secreted calreticulin (CRT) from macrophages, enabling their clearance through PrCR. Importantly, we identified asialoglycans on the target cells to which CRT binds to regulate PrCR, and the availability of such CRT-binding sites on cancer cells correlated with the prognosis of patients in various malignancies. Our study reveals a general mechanism of target cell recognition by macrophages, which is the key for the removal of unwanted cells by PrCR in physiological and pathophysiological processes.

(私訳と勝手な注釈) 

マクロファージを介するプログラムされた細胞除去(PrCR)は、(損傷、機能不全、老化、または有害な、などに起因する)不要な細胞のクリアランスに不可欠なプロセスである。マクロファージによる適切な標的細胞の検出と認識は、PrCRを成功させるための重要なステップであるが、その分子メカニズムは明らかにされていない。ここでは、組織ターンオーバー、がん免疫監視、造血幹細胞のモデルを用いて、老化した好中球や生きたがん細胞などの不要な細胞が、マクロファージによる「分泌型カルレティキュリン(CRT)」の「標識」を受けやすく、これによりPrCRによるクリアランスが起こることが示されました。重要なことに、著者らはCRTがPrCRを制御するために結合する標的細胞上のアシアログリカン(糖鎖)を同定し、そのようなCRT結合部位が癌細胞上に存在するかどうかが、様々な悪性腫瘍の患者の予後と相関していることが示されました。本研究は、マクロファージによる標的細胞認識の一般的なメカニズムを明らかにしたものであり、これがPrCRによる不要な細胞の除去の鍵を握っていることを明らかにした。

今週見た中で面白そうな論文(2020年4月第2週)

4月6日から4月12日の間で読んだ/積読したおもしろそうな論文のメモ。

 

 

 

4月11日 コカイン中毒に関する新しいメカニズム(4月10日号 Science 掲載論文) | AASJホームページ

The AMPK-MFN2 Axis Regulates MAM Dynamics and Autophagy Induced by Energy Stresses. - PubMed - NCBI

Mitochondrial translation and dynamics synergistically extend lifespan in C. elegans through HLH-30 | Journal of Cell Biology | Rockefeller University Press

PGAM5 knockdown alleviates neuronal injury after traumatic brain injury through Drp1-mediated mitochondrial dysfunction. - PubMed - NCBI

ESCRT-III and ER-PM contacts maintain lipid homeostasis. - PubMed - NCBI

Mitochondrial-nuclear heme trafficking is regulated by GTPases in control of mitochondrial dynamics and ER contact sites. - PubMed - NCBI

ER-PM conetact欠損時にsynthetic lethal になる変異の探索 (Molecular Biology of the Cell 2020年4月8日号掲載論文)

結論から言うと、ER-PM接触部位を欠く酵母株の合成致死変異体をスクリーニングしてESCRT-III を同定した論文。

 

本日は「ESCRT-III and ER-PM contacts maintain lipid homeostasis (ESCRT-IIIとER-PM間MCSが脂質のホメオスタシスを維持する)」という論文で、米国 Weill Institute for Cell and Molecular Biology and Department of Molecular Biology and Genetics, Cornell University の Scott D. Emr のグループ(どういったラボ?→*1)による研究。(論文サイトへのlink→*2

 

トランスポゾンによる変異のスクリーニングに関してはこちら。

tenure5.vbl.okayama-u.ac.jp

 

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Eukaryotic cells are compartmentalized into organelles by intracellular membranes. While the organelles are distinct, many of them make intimate contact with one another. These contacts were first observed in the 1950’s, but only recently have the functions of these contact sites begun to be understood. In yeast, the ER makes extensive inter-membrane contacts with the plasma membrane (PM), covering ∼40% of the PM. Many functions of ER-PM contacts have been proposed, including: non-vesicular lipid trafficking, ion transfer, and as signaling hubs. Surprisingly, cells that lack ER-PM contacts grow well, indicating that alternative pathways may be compensating for the loss of ER-PM contact. In order to better understand the function of ER-PM contact sites we used saturating transposon mutagenesis to identify synthetic lethal mutants in a yeast strain lacking ER-PM contact sites. The strongest hits were components of the ESCRT complexes. The synthetic lethal mutants have low levels of some lipid species but accumulate free fatty acids and lipid droplets. We found that only ESCRT-III components are synthetic lethal, indicating that Vps4 and other ESCRT complexes do not function in this pathway. These data suggest that ESCRT-III proteins and ER-PM contact sites act in independent pathways to maintain lipid homeostasis.

(私訳と勝手な注釈) 

真核生物の細胞は、細胞内膜によって細胞小器官に区画化されています。真核細胞の細胞小器官は細胞内膜によって区画されていますが、小器官の多くは互いに接触しています。これらの接触は1950年代に初めて報告されましたが、これらの接触部位の機能が解明され始めたのは最近のことです。酵母では、小胞体は形質膜(PM)と広範囲の膜間接触を行っており、PMの約40%を覆っています。ER-PM間MCSの機能として、これまでに小胞性脂質輸送、イオン輸送、シグナル伝達のハブとしての機能など、多くの機能が提案されてきました。驚くべきことに、ER-PMコンタクトを欠いた細胞は通常通り成長することから、代替経路がER-PMコンタクトの損失を補っている可能性が示唆されています。ER-PM接触部位の機能をよりよく理解するために、著者らはトランスポゾン突然変異誘発法を用いて、ER-PM接触部位を欠く酵母株の合成致死変異体を同定しました。最も強くヒットしたのはESCRT複合体の構成要素でした。合成致死変異体は、いくつかの脂質種のレベルは低いが、遊離脂肪酸と脂質滴を蓄積していた。ESCRT-IIIの成分のみが合成致死変異体であることがわかり、Vps4や他のESCRT複合体がこの経路では機能していないことが示された。これらのデータは、ESCRT-IIIタンパク質とER-PM接触部位が脂質の恒常性を維持するために独立した経路で作用していることを示唆している。

*1:--- The Emr lab studies the regulation of cell signaling pathways by phosphoinositide kinases, vesicle-mediated transport reactions, and selective ubiquitin modifications. ---https://emr.wicmb.cornell.edu/ より。もともとESCRTⅢを中心に研究しているグループのようです。

*2:https://www.molbiolcell.org/doi/10.1091/mbc.E20-01-0061

今週見た中で面白そうな論文(2020年4月第1週)

3月30日から4月5日の間で読んだ/積読したおもしろそうな論文のメモ。

 

Mitochondrial fragmentation enables localized signaling required for cell repair | Journal of Cell Biology

細胞膜ダメージ→局所的なミトコンドリアの断片化→局所的なRhoAの活性化とアクチン重合 (Journal of Cell Biology 2020年4月1日号掲載論文) - 海を渡りたい柑橘系大学生。

 

「ERストレス」「ERでの折りたたみ不全たんぱく質の品質管理」の文脈で見かけたことのあるERADがER-mito間のMCSを制御してるっていう話っぽいです

ERAD affect ER-mt contact sites, and alter organelle dynamics | Science

 

 

Organellar Contacts of Milk Lipid Droplets. - PubMed - NCBI

Lipid homeostasis in mitochondria. - PubMed - NCBI

Reactive oxygen species (ROS) as pleiotropic physiological signalling agents | Nature Reviews Molecular Cell Biology

細胞膜ダメージ→局所的なミトコンドリアの断片化→局所的なRhoAの活性化とアクチン重合 (Journal of Cell Biology 2020年4月1日号掲載論文)

結論から言うと、細胞膜に穴が開いたときに、局所的にミトコンドリアが断片化する→ミトコンドリアがカルシウムイオンを取り込む→カルシウムを多く取り込んだミトコンドリアがROSを発生→発生したROSが(恐らくRhoAを酸化することで)RhoAを活性化し、アクチンのポリマー化を誘導することで細胞膜のリモデリングを助け、細胞膜損傷治癒を行う、ということを提唱した論文。

 

本日は「Mitochondrial fragmentation enables localized signaling required for cell repair (ミトコンドリアの断片化は細胞修復に必要な局所的なシグナル伝達を可能にする)」という論文で、米国 children's national health system center for genetic medicine research の Jyoti K. Jaiswal のグループ(どういったラボ?→*1)による研究。(論文サイトへのlink→*2

 

細胞膜に傷がつき穴が開くと、カルシウムが流入します。その損傷箇所で局所的な応答をする仕組みが存在すると考えられていましたが、詳細は不明でした。この論文では、細胞膜に穴が開いたところを基点にミトコンドリアが断片化することが明らかとなり、その意義が局所的なシグナル伝達であることが示唆されました。

 

個人的にクリアにならなかった、複雑で面白い、もっと勉強しないとなぁと思った点↓

  • ミトコンドリアの断片化をDrp1 KOで阻害すると細胞膜損傷時のミトコンドリアでのカルシウムの取り込みと維持の両方が抑圧されることが明らかになったが、どうして断片化したミトコンドリアはカルシウムを取り込みやすい&そのカルシウムが排出されにくいのだろうか?断片化した方が体積あたりの表面積は大きいのでCa取り込みチャネルの効果が大きく反映される?体積が小さくなるのでカルシウムは少し入ってくるだけで濃度が上がる?
  • カルシウム濃度が上がるとミトコンドリアからROSが産生される(これは先行研究でも既知)けれど、過剰なカルシウムは電子伝達系の電子の流れを滞らせることでROSの産生を促すのだろうか?
  • 先行研究で、RhoAのシステイン残基が酸化されることでRhoAが活性化するという報告があるらしいのだけれど、どういう機序でRhoAは活性化するのだろうか?
  • レーザーダメージによる細胞膜損傷という手法が使われているが、なぜレーザーダメージによって穴が開くのだろうか?熱?この手法は筋肉で起きる膜損傷をどこまで再現できているのだろうか?

 

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Plasma membrane injury can cause lethal influx of calcium, but cells survive by mounting a polarized repair response targeted to the wound site. Mitochondrial signaling within seconds after injury enables this response. However, as mitochondria are distributed throughout the cell in an interconnected network, it is unclear how they generate a spatially restricted signal to repair the plasma membrane wound. Here we show that calcium influx and Drp1-mediated, rapid mitochondrial fission at the injury site help polarize the repair response. Fission of injury-proximal mitochondria allows for greater amplitude and duration of calcium increase in these mitochondria, allowing them to generate local redox signaling required for plasma membrane repair. Drp1 knockout cells and patient cells lacking the Drp1 adaptor protein MiD49 fail to undergo injury-triggered mitochondrial fission, preventing polarized mitochondrial calcium increase and plasma membrane repair. Although mitochondrial fission is considered to be an indicator of cell damage and death, our findings identify that mitochondrial fission generates localized signaling required for cell survival.

(私訳と勝手な注釈) 

細胞膜損傷は致死的なカルシウムの流入を引き起こすが、細胞は創傷部位を標的とした局所修復反応を行うことで生き延びる。損傷後数秒のオーダーでのミトコンドリアのシグナル伝達がこの応答を可能にする。しかし、ミトコンドリアは細胞全体に分布しているため、どのようにして空間的に制限されたシグナルを生成し、細胞膜の傷を修復するのかは不明であった。本研究では、カルシウムの流入とDrp1が介在する損傷部位でのミトコンドリアの迅速な分裂が、局所的な修復反応を可能にすることを示している。傷害部位付近のミトコンドリアの分裂は、これらのミトコンドリアにおけるカルシウムの取り込みと高濃度カルシウム状態の維持を促進し、細胞膜修復に必要な局所的なROSの産生を可能にする。Drp1ノックアウト細胞およびDrp1アダプタータンパク質MiD49を欠損した患者細胞では、傷害をトリガーとしたミトコンドリアの分裂が起こらず、ミトコンドリアのカルシウム増加と局所的な細胞膜修復がキャンセルされる。ミトコンドリア分裂は細胞の損傷や細胞死の指標と考えられているが、これらの知見は、ミトコンドリア分裂が細胞の生存に必要な局所的なシグナルを生成していることを明らかにした。

*1:--- Jyoti researches the cellular mechanism of disease and develop novel treatment approaches. One of his current project is to study the 'Role of mitohondria in repairing injured cells.' ---https://www.researchgate.net/lab/Jyoti-K-Jaiswal-Lab より

*2:https://rupress.org/jcb/article/219/5/e201909154/151605/Mitochondrial-fragmentation-enables-localized