タウチューブリンキナーゼ1および2は繊毛形成およびヒト多能性幹細胞を調節する

Aug 28, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12884 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

一次繊毛は、胚の発育と組織の恒常性の重要な調節因子です。 しかし、特にヒト細胞におけるそれらのメカニズムと機能はまだ不明です。 ここでは、ヒト多能性幹細胞 (hPSC) の増殖と分化に対する一次繊毛調節の影響を分析しました。 われわれは、繊毛関連ヘッジホッグシグナル伝達経路の活性化も、繊毛形成の重要な調節因子であるタウチューブリンキナーゼ2（TTBK2）をノックアウトするためのCRISPR遺伝子編集による一次繊毛の除去も、hPSCの自己複製に影響を及ぼさないことを報告する。 さらに、我々は、これまで繊毛形成との関連性がなかった関連キナーゼであるTTBK1が、hPSC由来の神経ロゼット分化中に上方制御されることを示す。 重要なことに、我々は、TTBK1が母中心小体に局在しない一方で、分化したhPSCでは一次繊毛の形成を調節するが、未分化のhPSCでは調節しないことを実証した。 最後に、TTBK1/2 と一次繊毛が hPSC 由来の神経ロゼットのサイズの調節に関与していることを示します。

繊毛は、ほとんどの細胞の表面から突き出ている毛のような細胞小器官です。 運動性繊毛はおそらくこれまでに知られている最古の細胞小器官である 1 が、単一の非運動性一次繊毛の機能は長い間謎に包まれていた。 現在、一次繊毛にはヘッジホッグ (HH) 経路などのいくつかのシグナル伝達経路の受容体とエフェクターが含まれていることが認識されています 2,3。 逆に、一次繊毛は胚の発生と組織の恒常性の重要な側面を支配しています 3,4。 一次繊毛の組み立てと機能の欠陥は、バルデ・ビーデル症候群、ジュベール症候群、腎盂炎などの疾患を引き起こし、総称して繊毛症と呼ばれます5。 繊毛の状態は、髄芽腫や基底細胞癌など、特定の種類の癌にも影響を与えます6。 したがって、繊毛関連経路を標的とすることは、有利な治療戦略となる可能性がある。

完全に成長した一次繊毛は、母中心小体由来の基底体、移行領域、および毛様体膜に囲まれた微小管ベースの軸糸で構成されています7。 繊毛の集合は、遠位付属器成分 (CEP83 や CEP164 など) とタウ チューブリン キナーゼ 2 (TTBK2) の協調作用によって、母中心小体の遠位端で開始されます8、9、10、11。 TTBK2 キナーゼ活性は繊毛形成に不可欠であり、活性キナーゼが欠如している細胞では繊毛は形成されません。 小胞の遠位付属器への送達とドッキングに続いて、鞭毛内輸送（IFT）の構成要素がTTBK2依存的に動員され8,10、繊毛基部と先端の間でさまざまな積荷を輸送することによって毛様体軸糸の成長を促進します12。 注目すべきことに、キナーゼドメインがTTBK213のキナーゼドメインと非常に類似しているTTBK1については、繊毛形成における役割に関する証拠がまだ提供されていない。

ヘッジホッグ経路は、おそらく一次繊毛に依存するシグナル伝達経路の中で最もよく特徴づけられている経路です。 HH リガンドが存在しない場合、Patched (PTCH) 受容体は一次繊毛の内部に局在し、Smoothened (SMO) 受容体の繊毛蓄積を防ぎます。 HH リガンドの PTCH への結合は、繊毛からの PTCH の除去を開始し、次に繊毛内部の SMO の蓄積につながります。 次に、SMO は繊毛内のコレステロールと相互作用して、GLI の処理を​​抑制型 (GLI-R) から活性型 (GLI-A) に切り替えます。 GLI-R と GLI-A はどちらも一次繊毛から細胞核に移行し、それぞれ HH 標的遺伝子を抑制および誘導します 2、4、14。 HH によって調節される転写物には、経路の構成要素 (すなわち、PTCH1、GLI1) に加えて、増殖および細胞運命の決定を調節する転写因子が含まれます 3。

HH シグナル伝達経路は、神経発達において重要な役割を果たします。 その活性は、底板 (神経管の腹側部分にある HH リガンドの供給源) の確立と個々のニューロンの種類の特定にとって重要です 15,16。 この活性は、WNT/β-カテニンおよび BMP 経路によって妨げられます。 したがって、神経管パターンの形成は、空間的および時間的両方で調節される HH、WNT、および BMP の活動に対抗することから生じます 17,18。 さらに、HH シグナル伝達はマウスの神経発達中に細胞増殖を促進し 19、神経細胞型と非神経細胞型の両方で細胞分裂を促進することができます 20,21。