Heg1/CCM1によって制御される連続的な管腔形成のための内皮細胞間相互作用を最適化する振動収縮力

生命科学 細胞生物学 循環器系 医学 生物物理学
振動収縮力 内皮細胞 Heg1 CCM1 管腔形成 細胞間相互作用 血管新生

学術的背景

血管ネットワークの形成と維持は、胚発生や組織再生における重要なプロセスであり、さまざまな生物物理的な力が関与しています。内皮細胞（Endothelial Cells, ECs）は、血管新生（angiogenesis）や血管形成（vasculogenesis）において中心的な役割を果たしており、細胞骨格の収縮力（actomyosin contractility）はこれらのプロセスにおいて特に重要です。しかし、細胞骨格が異なる細胞区画でどのように組織化され、調節されているか、特に血管ネットワークの形成過程におけるその役割については、まだ十分に理解されていません。

脳海綿状血管奇形（Cerebral Cavernous Malformations, CCMs）は、KRIT1、CCM2、PDCD10遺伝子の変異によって引き起こされる一般的な血管異常です。これらの遺伝子の変異は、血管壁の薄化や血管の拡張を引き起こし、頭痛、てんかん、脳卒中などの症状を引き起こします。CCMsの病理メカニズムはある程度研究されていますが、特に内皮細胞間の相互作用や血管腔形成における具体的な分子メカニズムはまだ不明です。

本研究では、ゼブラフィッシュ（zebrafish）をモデルとして、CCM関連遺伝子HEG1とKRIT1が血管新生において果たす役割、特に内皮細胞間の相互作用と血管腔形成の調節メカニズムを探求しました。ライブイメージング、遺伝子解析、光遺伝学ツールを組み合わせることで、HEG1とKRIT1が内皮細胞間の界面を維持し、連続した血管腔を形成する上で重要な役割を果たすことを明らかにしました。

論文の出典

本論文は、Jianmin Yin、Ludovico Maggi、Cora Wiesner、Markus Affolter、Heinz-Georg Beltingによって執筆され、著者全員がスイスのバーゼル大学（University of Basel）の細胞生物学部門に所属しています。論文は2024年9月9日に『Angiogenesis』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1007/s10456-024-09945-5です。

研究の流れと結果

研究の流れ

  1. ゼブラフィッシュモデルと遺伝子変異体の構築
    研究ではゼブラフィッシュを実験モデルとして使用し、HEG1とKRIT1の変異体を構築しました。遺伝子組み換え技術を用いて、ゼブラフィッシュ胚にHEG1-GFP、KRIT1-GFPなどの蛍光標識タンパク質を発現させ、ライブイメージングと細胞間相互作用の動的観察を行いました。

  2. ライブイメージングと光遺伝学実験
    研究者はゼブラフィッシュ胚のライブイメージングを行い、血管新生過程における内皮細胞間の相互作用と血管腔の形成を観察しました。光遺伝学ツールを使用して、特定の領域でRhoAシグナル経路を活性化し、細胞間界面と血管腔形成への影響を調べました。

  3. 画像解析とデータ処理
    ImageJとMATLABを使用してライブイメージングデータを解析し、細胞間界面の形状変化、ミオシン（myosin）の分布、血管腔の拡張と収縮の動態を定量化しました。

主な結果

  1. HEG1とKRIT1の細胞間界面形成における役割
    研究では、HEG1とKRIT1変異体の内皮細胞間界面がねじれや断片化を示すことが明らかになり、これらの遺伝子が細胞間界面の安定性を維持する上で重要な役割を果たしていることが示されました。ライブイメージングにより、HEG1とKRIT1変異体では細胞間界面にミオシンの収縮力が欠如しており、界面のねじれと血管腔形成の阻害が観察されました。

  2. 振動性収縮力の血管腔形成における役割
    野生型ゼブラフィッシュ胚では、内皮細胞間界面に振動性収縮が観察され、この収縮力が細胞間界面をまっすぐにし、余分な界面を除去するのに役立つことがわかりました。一方、HEG1とKRIT1変異体では、この振動性収縮力が欠如しており、細胞間界面がねじれ、血管腔が連続的に形成されないことが明らかになりました。

  3. 光遺伝学によるRhoAシグナル経路の活性化
    光遺伝学ツールを使用して、KRIT1変異体でRhoAシグナル経路を活性化し、細胞間界面の収縮力を回復させ、ねじれた界面をまっすぐにすることに成功しました。この結果は、RhoAシグナル経路が細胞間界面と血管腔形成を維持する上で重要な役割を果たしていることを示しています。

結論と意義

本研究では、HEG1とKRIT1が内皮細胞間の振動性収縮力を調節することで、細胞間界面の安定性を維持し、連続した血管腔の形成を促進することが明らかになりました。この発見は、CCM関連遺伝子が血管新生において果たす分子メカニズムを明らかにするだけでなく、CCMの治療に新しい視点を提供するものです。細胞間界面の収縮力を回復させることで、CCM患者の血管異常を改善する可能性があります。

研究のハイライト

  1. HEG1とKRIT1の血管新生における重要な役割を明らかにした：HEG1とKRIT1が内皮細胞間の振動性収縮力を調節することで、細胞間界面の安定性を維持し、連続した血管腔の形成を促進することがわかりました。

  2. ライブイメージングと光遺伝学ツールを革新的に組み合わせた：ライブイメージングと光遺伝学ツールを使用して、内皮細胞間の相互作用を動的に観察し、変異体の細胞間界面収縮力を回復させることに成功しました。

  3. CCMの治療に新しい視点を提供した：細胞間界面の収縮力を回復させることで、CCM患者の血管異常を改善する可能性があり、今後の治療戦略の基盤を提供しました。

その他の価値ある情報

研究では、血流力学力（hemodynamic forces）が血管腔形成において補完的な役割を果たすことも明らかになりました。特に変異体では、血流がねじれた界面をまっすぐにし、血管腔の連続形成を促進することが示されました。この発見は、血管新生における生物物理的な力の重要性をさらに強調するものです。