「 光で骨吸収をコントロールする新技術を開発 」【中田隆夫 教授、小野卓史 教授、東京工業大学 石井智浩 教授】
― 骨疾患の新たな治療法に期待 ―

ポイント
- 光を用いることで細胞分化を誘導し成熟した破骨細胞を生み出す光遺伝学ツールを開発しました。
- 光照射をコントロールすることで骨吸収を空間的に制御することが可能となりました。
- 骨疾患や歯科矯正の新規治療法開発への応用が期待できます。
研究の背景
骨は運動、身体の保護、造血、ミネラルの恒常性維持に重要であり、破骨細胞による骨吸収と骨芽細胞による骨形成のダイナミックなプロセスが骨の構造を維持しています。破骨細胞の過剰な活性化は骨粗鬆症や歯周病の原因となり、破骨細胞の機能不全は骨硬化を呈する大理石骨病などの原因となることが知られています。破骨細胞は血球系の細胞であり、その分化前の前駆細胞はRANKタンパク質を細胞表面に発現しています。RANKLタンパク質というRANKタンパク質の結合パートナーがRANKと結合することにより前駆細胞は分化誘導され巨大な多核の成熟破骨細胞になります。
今回、研究グループは光でRANKタンパク質を活性化する人工タンパク質Opto-RANKの開発、そしてOpto-RANKを用いた破骨細胞の分化誘導を目指しました。細胞質で機能するOpto-RANKcと細胞膜近傍で機能するOpto-RANKmの2種類のOpto-RANKを作成しましたが、詳細に解析を行ったOpto-RANKcについて説明します。
研究成果の概要
RANKは活性化するとTRAF6シグナルタンパク質と相互作用することが知られています。そこで、Opto-RANKc遺伝子とTRAF6遺伝子を培養細胞に導入し、光照射を行いました。するとOpto-RANKcタンパク質の多量体形成と同時にさらに多くのTRAF6タンパク質の多量体形成を観察することができました(図1B)。これは光によりRANKが活性化されたことを示しています。

図1 破骨細胞分化誘導光遺伝学ツールOpto-RANKcの構造と培養細胞での応答。(A) Opto-RANKcの構造と青色光に対する反応。Opto-RANKcはシロイヌナズナ由来の光感受性ドメインCRY2、赤色蛍光タンパク質mCherryとマウスRANKの細胞内ドメインの融合タンパク質である。青色光を照射すると多量体を形成して、破骨細胞分化シグナルを生み出す。(B) 培養細胞(HEK293T)で発現するOpto-RANKcと緑色蛍光タンパク質GFP融合TRAF6の青色光に対する応答。光照射によりOpto-RANKcとTRAF6は多量体を形成する。スケールバーは20 µm。

図2 Opto-RANKc細胞の青色光照射による分化。Opto-RANKcがRAW264.7細胞に導入されたOpto-RANKc細胞について解析した。(A) Opto-RANKc細胞に7日間、特定のパルス条件下で光照射したのちTRAP染色をすると、赤く染色された巨大な破骨細胞ができる(右)。左は野生型RAW264.7細胞。スケールバーは150 µm。(B) 野生型RAW264.7細胞をRANKLで、Opto-RANKc細胞を光により5日間分化誘導し、破骨細胞特異的遺伝子Acp5、Nfatc1、Mmp9の遺伝子発現を定量PCRにより解析した。光照射Opto-RANKc細胞でこれらの遺伝子発現の上昇がみられる。

図3 骨吸収活性の光によるコントロール。Opto-RANKc細胞をリン酸カルシウムでコーティングした48ウェル培養プレート上で光照射しながら13日間培養した。リン酸カルシウムコーティングは最後に染色液により青く染色した。白く抜けている部分(ピット)が破骨細胞に吸収された部分となる。スケールバーは2 mm。培養プレートの半分に光照射し、残りの半分を遮光した。右のグラフは左右半分それぞれのピットの割合を測定した結果を示す。光照射した側でピットが多く存在する。
研究成果の意義
用語解説
※2TNF受容体スーパーファミリー:腫瘍壊死因子受容体スーパーファミリー。TNF受容体スーパーファミリーは29の関連受容体から構成されておりRANKタンパク質を含む。これらのリガンドであるサイトカインのTNFスーパーファミリーは現在19のリガンドから構成されておりRANKLタンパク質を含む。これらのTNFスーパーファミリーリガンドとTNF受容体スーパーファミリーとの間の相互作用は、免疫細胞などの生存、増殖、分化、エフェクター機能を制御するシグナル伝達を媒介する。
論文情報
掲載誌:Scientific Reports
論文タイトル:Development of an optogenetics tool, Opto-RANK, for control of osteoclast differentiation using blue light
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-024-52056-w
研究者プロフィール

東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
細胞生物学分野 講師
(現所属)東京工業大学 バイオサイエンス統合支援センター
マネジメント教授
・研究領域
組織学、細胞生物学、光遺伝学
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
咬合機能矯正学分野 大学院生
・研究領域
歯科矯正学

東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
細胞生物学分野 教授
・研究領域
組織学、細胞生物学、光遺伝学
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
細胞生物学分野 助教
・研究領域
細胞工学、光遺伝学
中浜 健一 (ナカハマ ケンイチ) Nakahama Kenichi
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
分子細胞機能学分野 准教授
・研究領域
骨代謝、細胞間コミュニケーション

東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
咬合機能矯正学分野 教授
・研究領域
歯科矯正学
問い合わせ先
<研究に関すること>
東京工業大学バイオサイエンス統合支援センター
石井 智浩(イシイ トモヒロ)
E-mail:ishii.t.aw[@]m.titech.ac.jp
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科
細胞生物学分野 中田 隆夫(ナカタ タカオ)
E-mail:info.cbio[@]tmd.ac.jp
<報道に関すること>
東京医科歯科大学 総務部総務秘書課広報係
〒113-8510 東京都文京区湯島1-5-45
E-mail:kouhou.adm[@]tmd.ac.jp
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関連リンク
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大学院医歯学総合研究科 分子細胞機能学分野 ホームページ
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