細胞の老化とマーカー

細胞はどのようにして「細胞停止」状態になるのでしょうか。細胞の老化とは何か、そして、細胞の老化と病気の関係について解説します。


細胞老化とは?

「老化」は、単純に加齢に伴う爆発のプロセスとして定義されます。どんなものでも永遠に続くものはなく、細胞の増殖能力についても同じことが言えます。Hayflick limitは、in vitroで増殖している細胞が、約60回の細胞分裂後にいかにして、細胞の老化と呼ばれる状態になるかを説明しています1(PMID:13905658)。細胞周期のこの恒久的な停止では、細胞は、生存可能であるものの増殖することはできず、その表現型が変化してしまいます。当初は、ディッシュ中で細胞を培養することによるアーチファクトと思われていましたが、加齢による老化とそのがん病変を観察した結果、同様の現象がin vivo内でも見られることが明らかになりました。つまり、細胞が不可逆的な非増殖性の老化状態に入っているということであり、組織や生物にとって何らかの意味があることが明らかになりました。

老化は有益か有害か?

老化は、細胞の分裂を終わらせる一方で、その目的については意見が分かれています。一つの仮説では、細胞の老化は有益であり、腫瘍の増殖を抑制するための抗がんプロセスとして進化したのではないかと考えられています。別の仮説では、細胞の再生能力が失われると老化が進むため、細胞の老化は有害であるとしています2(PMID:24954210)。

何十年も経った今でも、どちらの仮説も優位にたっていません。実際、研究が進むにつれ、老化は、その状況に応じてプラスの影響とマイナスの影響の両方を持つと私たちは考えています。生物が若いときには、細胞老化による抗腫瘍効果は有用であるものの、生物が老化するにつれて、この同じプロセスが有害になるのです。これは通常、生殖後に発生し、こうしてこのプロセスは何世代にもわたって続いていきます。これは拮抗的多面性として知られています。

老化は、すべての組織に見られ、多くの疾患に関与している可能性があり、生物学の多くの分野での研究が必要とされています。

老化は病気に関係しているのか?

がんでは、老化は保護的または因果的関係がある可能性があるので、興味深いといえます。がん遺伝子の発現は、早期老化に見られる細胞周期停止を誘導し、悪性組織の異常増殖を防ぎます。興味深いことに、低用量での特定のがん治療は毒性を低下し、老化を増強します8(PMID:20078217)。つまり、これらの治療の副作用を軽減するのに役立ちます。しかしながら、長期化した老化および老化関連分泌表現型(SASP)の発現は、微小環境を変化させることが知られています7(PMID:27797960)。実際、MMP-3などのSASPの一部として発現している一部の因子は、腫瘍転移を促進する可能性さえあります。これを治療により効果的に応用するためには、がんという文脈の中で、細胞老化の有益な結果と有害な結果を非常に基本的なレベルで見極める必要があります。

細胞の老化は、正常な加齢において鍵となりますが、老化が神経変性疾患にも関与している可能性があることを示すエビデンスがあります9(PMID:30261683)。年齢は、アルツハイマー病(AD)、パーキンソン病、さらには多発性硬化症(MS)において再発寛解から進行への移行に関する重要な危険因子の一つです。加齢による老化細胞の蓄積は、これらの疾患の発症リスクの増加の一因となっている可能性があります。SASPは、AD脳内の類似分子のアップレギュレーションと一致する多くの炎症促進性因子を放出します。高齢者の脳の損傷修復能力の低さ、特にMSの再髄質化は、複製能力の低さと関連しており、したがって、老化と関連しています。いくつかのタイプの脳細胞には老化マーカーのエビデンスが認められ、これは完全には解明されていないものの、活発な研究分野になっています。

老化を特定するために用いられるマーカーはどれですか?

研究者として老化を研究していくと、この状態を特定するのに使用される単一のマーカーが存在しないため、問題にぶつかります。老化細胞は、代謝は可能ですが分裂はしないので、休止期の細胞とは区別されるものの、どちらも有糸分裂は終了しているため、増殖しないことが細胞の老化であるというのには不十分であることを意味しています。これらの細胞を区別するために、特定の特徴を用いることができますが、これはパネルで利用する必要があります。

  • DNA損傷応答(DDR)マーカー

細胞内ストレスは、二本鎖切断やDNA損傷、特にテロメアの損傷を引き起こし、これが細胞内でのDDRの原因となります。これは、老化のマーカーとして使用することができるH2AXなどのタンパク質の発現の変化をもたらします。また、DDRはDAPIのパンクテート染色によって可視化することができ、これは老化関連ヘテロクロマチン病巣として知られています3(PMID:23140366)。

図1.1:50に希釈した10856-1-AP(ヒストンH2A.X抗体)と、Alexa Fluor 488標識AffiniPureヤギ 抗ウサギIgG(H+L)を用いて、(4% PFA)固定したHeLa細胞の免疫蛍光分析。

  • 腫瘍抑制因子と細胞周期調節因子の発現

p16ink4aの染色は、老化に関する最もよく知られたマーカーの一つです。通常、この腫瘍抑制タンパク質は、G1期からS期のチェックポイントで細胞周期を遅くします。このチェックポイントで作用する他の細胞周期調節因子は、p21p53であり、したがって、これらのタンパク質のいずれかが高濃度に存在すると、細胞周期の停止を招き、老化を呈します。これらがすべて高レベルで発現している場合は、老化期の表現型の信頼性が高くなります4(PMID:23416979)。

図2.1:400で希釈した10355-1-AP(P21; CDKN1A抗体)を用いたパラフィン包埋ヒト子宮頸がん組織スライドの免疫組織化学的分析(40倍レンズ下)。Tris-EDTA緩衝液(pH9)で回収された熱処理抗原。

  • SA-β-gal染色

老化関連β-ガラクトシダーゼ(SA-β-gal)は、老化細胞に特異的に存在します。このヒドロラーゼは通常、β-ガラクトシドを単糖に変換しますが、老化細胞ではリソソームに蓄積されます。in vitroで老化細胞を示す簡単なアッセイでは発色性ガラクトースX-galを使用しますが、この基質は、β-galで切断されると青色に変化します5(PMID:20010931)。

図3.1:25に希釈した15518-1-AP(GLB1抗体)と、ローダミン標識ヤギ 抗ウサギIgG(赤)を用いたHeLa細胞の免疫蛍光分析。

  • リポフスチン

老化細胞のリソソーム内の凝集体は、リポフスチンとして知られており、未消化の脂質、タンパク質、陽イオンで構成されています。これらは、スーダンブラックB由来の色素を用いて、組織内およびin vitroで検出することができます6(PMID:24848057)。

図4.1:200で希釈した27102-1-AP(LIMPII抗体)を用いたパラフィン包埋ヒト肝組織スライドの免疫組織化学的解析(40倍レンズ下)。

  • 老化関連分泌表現型(SASP)

老化における遺伝子発現の変化は、老化関連分泌表現型につながり、そこでは、IL-6などのインターロイキン、IL-8などのケモカイン、VEGFなどの増殖因子など、多くの可溶性因子の発現が増加します7(PMID:27797960)。また、一酸化窒素などの特定の非可溶性因子も増加します。SASPは、周囲の組織に影響を与え、近くの細胞の老化を誘発する可能性があります。

図5.1:200で希釈した21865-1-AP(IL-6抗体)を用いたパラフィン包埋ヒト扁桃炎組織スライドの免疫組織化学的解析(40倍レンズ下)。Tris-EDTA緩衝液(pH9)で回収された熱処理抗原。

異なるバイオマーカーを互いに組み合わせて使用することは、老化を実証するための最良の方法である一方で、疾患の文脈においてそれを調査することは、このプロセスの様々な役割をまとめ、この分野での研究を統合する機会を提供しています。

表1.老化の識別に使用されるタンパク質マーカー

タンパク質名

機能

細胞内局在                             

カタログ番号

DNA損傷応答(DDR)マーカー

Histone H2AX

クロマチンのヌクレオソーム組織

10856-1-AP

腫瘍抑制因子と細胞周期調節因子

p16ink4a

細胞のG1期からS期への進行抑制

核と細胞質

10883-1-AP

p21

G1期における細胞周期進行の制御

主に核

10355-1-AP, 60214-1-Ig, 27296-1-AP, 28248-1-AP and 67362-1-Ig

p53

G1/Sチェックポイントで細胞を停止し、DNA修復機構を活性化することができる

核と細胞質

10442-1-AP, 21891-1-AP and 60283-2-Ig

リソソーム関連タンパク質

Beta-galactosidase (SA-β-gal; GLB1)

β-galactosidesの単糖への変換 

リソソーム

15518-1-AP and 66586-1-Ig

老化関連分泌表現型(SASP)マーカー

Interleukin 6 (IL-6)

炎症促進性または抗炎症性サイトカインであり得る

細胞外

21865-1-AP, 66146-1-Ig S

Interleukin 8 (IL-8; CXCL8)

走化性、貪食性、血管新生の誘導

細胞外

17038-1-AP, 27095-1-AP

Vascular endothelial growth factor (VEGF; VEGFA)

血管新生、脈管形成、内皮細胞増殖の誘導

細胞外

19003-1-AP, 66828-1-Ig, 26157-1-AP,26381-1-AP and 22341-1-AP


 

参考文献

  1. Hayflick, L. & Moorhead, P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains’. exp. cell res. 25, 585–621 (1961).
  2. Muñoz-Espín, D. & Serrano, M. Cellular senescence: from physiology to pathology. Nat. Publ. Gr. 15, (2014).
  3. Campisi, J. Aging, Cellular Senescence, and Cancer. Annu. Rev. Physiol. 75, 685–705 (2013).
  4. Rufini, A., Tucci, P., Celardo, I. & Melino, G. Senescence and aging: the critical roles of p53. Oncogene 32, 5129–5143 (2013).
  5. Debacq-Chainiaux, F., Erusalimsky, J. D., Campisi, J. & Toussaint, O. Protocols to detect senescence-associated beta-galactosidase (SA-betagal) activity, a biomarker of senescent cells in culture and in vivo. Nat. Protoc. 4, 1798–806 (2009).
  6. Van Deursen, J. M. The role of senescent cells in ageing. Nature 509, (2014).
  7. Oubaha, M. et al. Senescence-associated secretory phenotype contributes to pathological angiogenesis in retinopathy. Sci. Transl. Med. 8, 362ra144 (2016).
  8. Coppé, J.-P., Desprez, P.-Y., Krtolica, A. & Campisi, J. The senescence-associated secretory phenotype: the dark side of tumor suppression. Annu. Rev. Pathol. 5, 99–118 (2010).
  9. Kritsilis, M. et al. Ageing, Cellular Senescence and Neurodegenerative Disease. Int. J. Mol. Sci. 19, (2018).
Blog

Posted:
11 May, 2020

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