東京医科歯科大学ら骨を作りかえる指令細胞の発見

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平成23年9月12日

国立大学法人 Tel:03-5803-5011(総務部総務企画課)

科学技術振興機構(JST)Tel:03-5214-8404(広報ポータル部)「骨を作りかえる指令細胞の発見」—骨疾患治療の新たな標的細胞が明らかに—ポイント骨は破壊と形成によって常に新しく生まれ変わり、私たちの身体を支えるだけでなく、カルシウムなどのミネラルの保管・補給をしています。

骨が新しく作りかえられる場合、古い骨が破骨細胞によって破壊されなければなりません。

今回我々は、破骨細胞を育てることで骨を作りかえる指令を出す細胞が、骨に埋め込まれた骨細胞であることを発見しました。 骨細胞だけで蛍光を発する遺伝子改変マウスを作製することで、これまで難しいとされていた骨細胞を骨から取り出すことに成功しました。

そして、骨細胞が破骨細胞を育てるために必要な分子RANKL(ランクリガンド)を強力に発現していることをつきとめました。RANKLを骨細胞だけで破壊したマウスは、破骨細胞を育てることができず、重篤な大理石骨病を発症しました。 骨細胞は、さまざまな骨疾患の標的細胞として注目されており、現在、最も国際競争が激しい研究分野の1つです。

世界に先駆けたこの研究成果によって、今後、日本における骨疾患研究が世界を牽引することが期待されます。 東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科 分子情報伝達学分野の高柳 広 教授と中島 友紀 助教のグループは、オーストリアIMBA研究所、スペイン国際癌センター、英国Cambridge大学、米国Baylor大学、米国Missouri−Kansas City大学、九州大学 大学院工学研究院、東京大学 先端科学技術センターなどの研究グループとの共同研究で、骨を破壊する破骨細胞を育てることで、骨を作りかえる指令細胞を発見しました。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業ERATO型研究「高柳オステオネットワークプロジェクト」(研究総括:高柳 広)と文部科学省・科学研究費補助金、ならびにグローバルCOEプログラムなどの支援のもとで行われたもので、その研究成果は、国際科学誌Nature Medicine(ネイチャーメディスン)に、2011年9月12日付けオンライン版で発表されました。

<研究の背景>骨は、私たちの身体を支え運動を可能にするシステムであるとともに、細胞の生命維持に必須なカルシウムなどのミネラルの保管や補給をしています。

また、血液や免疫細胞を育み、必要に応じて私たちの身体に動員する重要な働きも兼ね揃えています。

私たちの身体は、常に外界から機械的ストレス(メカニカルストレス)を受けており、そのストレスを認識、応答し恒常性を維持することで生存しています。

実際、無重力環境にある宇宙飛行士や寝たきり状態の患者では、著しい骨量の減少をきたすことが知られていますし、運動により骨に刺激を与えることで骨量が増え丈夫になることも分かってきました。

骨は、破骨細胞による骨の破壊と骨芽細胞による骨の形成が、絶妙なバランスにより保たれており、常に新しく生まれ変わっています。

この骨の再構築は「骨リモデリング」と呼ばれ、破骨細胞が古い骨を壊すことが引き金と考えられていますが、過剰な破骨細胞の活性化により骨リモデリングのバランスが破綻した場合、骨粗鬆症、関節リウマチや癌の転移による骨破壊の原因になってしまいます。

また、先天的に破骨細胞が欠失したり、骨の破壊機能がない人では重篤な大理石骨病を発症し、その生命予後は極めて悪いことも分かっています。

骨細胞は、骨を構成する細胞の約90%を占め、骨に埋め込まれた状態で存在する細胞で、神経細胞様の突起により網目状のネットワークを形成することで、骨内の骨細胞同士だけではなく、骨表面にいる破骨細胞や骨芽細胞とも密接に連結しています。

この特殊な環境状態からメカニカルストレスの感受や細胞間シグナルへの応答に関わり、骨リモデリングを制御する"指令細胞"の可能性が想定されていました。

しかし、骨という特殊な硬組織に埋め込まれたこの細胞の単離は難しいのが現状で、その機能はいまだ十分に理解されておらず、骨細胞をめぐる研究は、激しい国際競争を繰り広げています。

<研究の概要>本研究において、我々は、骨の中に埋め込まれた骨細胞だけを特異的に蛍光発色させる遺伝子(EGFP)を導入した改変マウスを作出し、酵素処理とフローサイトメトリーによる細胞分離法を用いて、世界に先駆け、高純度の骨細胞を単離培養することに成功しました。

単離された骨細胞は、これまで組織学的検討から明らかにされているSostやDmp1遺伝子を特異的に発現しており、骨芽細胞に特異的に発現する遺伝子Keratocanなどは、検出できませんでした。

破骨細胞を育てるためには、破骨細胞分化因子(RANKL)が必須です。

しかし、骨組織内でどのような細胞がRANKLを発現し破骨細胞を育て、骨を新しく作りかえる指令を出しているかは、これまで不明でした。

我々は詳細な検討の結果、骨や骨髄に含まれる細胞集団の中で、骨細胞が最もRANKLを発現し、破骨細胞を育てる能力に優れていることを見出しました。

さらに、骨細胞だけでRANKL遺伝子が破壊されるマウスを作製したところ、重篤な大理石骨病を発症することが見出されました。

興味深いことに、この大理石骨病は、生後直ぐには発症しておらず、成長に伴いその病状が悪化します。

この表現型は、成長に伴い外界から受けるメカニカルストレスを骨細胞が感受し、RANKLを発現することが原因であると考えられました。

<研究成果の意義>本研究成果は、骨細胞が外界からのメカニカルストレスを感受・応答し、破骨細胞を育て、骨を作りかえる指令を出している"指令細胞"であることを明らかにしたという点で、学術的な意義が非常に高いと言えます。

また、現在、骨細胞はさまざまな骨疾患の標的細胞として注目されており、本研究で開発された骨細胞の単離培養法は、細胞生物学的にいまだ不明な点が多い骨細胞の特性を理解する上で、重要なディバイスとして、今後、さらなる骨制御因子の同定や新たな治療法の確立につながる可能性を秘めています。

国際競争が激しい当該研究分野において先駆的な研究を成し得たことで、日本における骨疾患研究が、一層、世界を牽引することが期待されます。

骨に埋め込まれた骨細胞を単離培養することに成功。(A)骨細胞は骨を構成する細胞の約90%を占め、骨基質に埋め込まれた状態で存在する細胞であり、神経細胞様の突起により網目状のネットワークを形成している。このネットワークは骨内の骨細胞同士だけではなく、骨表面の破骨細胞や骨芽細胞とも密接に連結している。 (B)骨の中に埋め込まれ、これまで研究することが難しかった骨細胞を単離するために、骨細胞だけを特異的に蛍光発色(EGFP:緑色)させる遺伝子改変マウスを作製した。このマウスの骨から酵素処理とフローサイトメトリーによるセルソーティングを用いて、高純度の骨細胞を単離培養することに成功した。

骨細胞の発現するRANKLが、生体において破骨細胞を育てることに秀でている。(A)骨細胞が破骨細胞を育てるために必要な分子RANKLを強力に発現している。 (B)破骨前駆細胞を、骨細胞は破骨細胞へと成長させることができる(破骨細胞;酒石酸抵抗性ホスファターゼ陽性の多核な細胞:赤紫色に染色)。 (C)RANKLを骨細胞だけで破壊したマウスは、破骨細胞を育てることができず、重篤な大理石骨病を発症す

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