がん細胞がどのようなものかを理解するためには、正
常細胞がどのように生きて死んでいくのかを理解し、正
常細胞とどの点が違うのかを理解する必要がある。
がん細胞は決してスーパーマンではありません!!
今日のあなたは昨日のあなたと同じか?
Yes or No
根拠は?
図1. 組織の新陳代謝
造血組織
腸上皮
未熟細胞
未熟細胞
腺窩
(未熟細胞)
皮膚
基底細胞
(未熟細胞)
増殖細胞
vvv vvv vvv
vv v v v v v
v vv vv vv vv vv
vv vv vv
v
v
v v v vv vv v vv
vv v vv v v
角質層
老化し
た細胞
は脱落
絨毛
リンパ球 血小板
好中球 赤血球
私たちの体は、大きく分けて2つの細胞集団から成立し
ている。1つは、心臓や中枢神経のように非常に寿命が
長く、古くなった細胞が死んでいくものの、新しい細胞に
交換されにくいもの。もう一つは、粘膜や血液細胞のよう
にどんどん新しい細胞に置き換わっている細胞集団か
ら成り立っている。
ヒトの細胞にはなぜ寿命があるのか?
単細胞生物と多細胞生物
−多細胞生物の利点−
全滅
A)
単細胞生物
B)
多細胞生物
ウ
イ
ル
ス
感
染
c
一部の細
胞傷害の
みで生き
残る
多細胞生物の宿命
多細胞生物では、各種の特殊機能を持った臓器で構成
されており、それぞれの臓器の細胞は、機能分化してあ
る特殊な役割を果たしている。分化した細胞では、後で
触れるが、遺伝子のうちある特殊な機構に関係する遺
伝子を除いてすべてシャットオフになっている。そのため、
生存や分裂に関係する遺伝子さえOFFになって、寿命
が決まっている。
古くなった細胞は死んでいく。
では寿命とは何か?
図3.細胞の寿命とは何か?
A) ヘイフリックの限界
B) 分裂とテロメア
細
胞
数
テロメア
老
化
・
細
胞
死
染色体
細
胞
世
代
危機
3
6
9
12
培養月数
ヒト線維芽細胞を培養すると、50数世代で増殖が
停止し、その後は老化・細胞死する。
ヒト線維芽細胞を培養すると、分裂の度にテロメア
が短縮し、50数世代後には危機的状況になる。
寿命とは何か? 分裂するたびに染色体を保護し
ているテロメアが短くなり、染色体そのものに傷が
つくようになると、分裂できなくなる。これを寿命が
尽きるという。
幹細胞とは何か?
幹細胞はなぜ必要なのか?
組織幹細胞の存在−ヘイフリック
の限界を乗り越える細胞
図4. 組織の幹細胞と組織の再生
細胞再生系
幹細胞
臓器を構成している細
胞はある分裂回数で老
幹細胞 前駆細胞
幹細胞 前駆細胞
(分裂)
機能分化
(老化)
成熟細胞
(死滅)
化していくことを示した
が、死んでいく細胞の
代わりに穴を埋める細
胞が必要。そういった
細胞を作る細胞の存
在が必要。
多細胞生物の宿命として細胞には寿命があると説
明したが、すべての細胞が短い寿命しかなかったら、
臓器は消えて無くなってしまう。人の寿命の間80−
90年位臓器を維持することができるような細胞集
団が必要になる。
臓器は長寿命の組織幹細胞集団と短寿命の分化し
た細胞集団によって構成されている。
図5.次世代を作る幹細胞システム
各種の成熟細胞・幹細胞
(多能性)・(自己複製)
幹細胞
受精卵細胞
細胞分裂
増殖・分化・成熟
卵細胞
1個の受精卵細胞が細胞分裂を繰り返して、心臓、肺、脳などの全ての
臓器を備えた1人の女性にまで成長する。その過程で、もう一度人の体
を作り出せる卵細胞も自己複製する。
こうした2種類の細胞(幹細胞と分化した短寿命の
細胞)から構成されているのが多細胞生物の特徴
いかに恒常性を保つのが効率的か?
幹細胞システムの優位性とは何か?
図9.組織再生系のモデル
細胞分裂のランダムモデル
ランダムモデルでは、赤血球が死んでいっ
ても、白血球が増加してしまうこともある。
細胞分裂のピラミッドモデル
ピラミッドモデルでは、赤血球が死んだら、
赤血球が必ず増加する。
細胞が生きるために必要なものは?
表1.栄養と酸素は何のために必要なのか?
エネルギー産生のため
エネルギー産生
ブドウ糖
糖質
酸素
ピルビン酸
36ATP
2 ATP
TCA
サイクル
アセチルCoA
新しい細胞の誕生のため
タンパク質
脂質
タンパク質
水と二酸化炭素
高脂血症の治療目標
LDLコレステロール160mg未満である
正しい or 正しくない
根拠は?
図2. コレステロールの代謝
肝臓から全身へコレステロールを運搬
運搬
屋
肝臓
LDL
HDL
組織
掃除屋
余ったコレステロールを回収
LDLコレステロールは、肝臓から末梢の組織に細胞膜の材料であるコレステロール
を運ぶが、余ってしまうと血管内にコレステロールが沈着することになる。余ったコ
レステロールを肝臓内に運ぶのがHDLコレステロールで、高脂血症では低下する。
なぜ消化して吸収するのか?
図3.消化吸収とアレルギー
吸収された栄養はどこに行く?
図4.消化管と肝臓の血流
エネルギーの産生機構は?
図5.細胞におけるエネルギー産生
細胞膜
2個のATP
36個のATP
細胞は、吸収したブドウ糖をピルビン酸に変換し、酸素がない条件下では、乳酸に分解
して2個のATPを産生する。酸素が十分にある時は、TCA回路をまわして36個のATPを
産生する。
酸素と栄養はどのように供給されているのか?
全身の血管の総延長距離は?
図6.全身の血管
心臓から出る血液が流れる血管を動脈と呼ぶ。
心臓へ戻る血液のながれる血管を静脈と呼ぶ。
全身の全ての細胞は、常に酸素と栄養を要求
する。要求に応えるために、全身くまなく血管
が張り巡らされ、あらゆる細胞から血管が
2mm以上離れることはない。
静脈
動脈
全身の血管の総延長は、約10万キロメーター
と地球2週半分もの長さとなる。
血管から離れた細胞はどのように栄養と酸素を受
け取るのか?
図7.毛細血管における水分の移動
静水圧
35mmHg
膠質浸透圧
25mmHg
水分移動
10mmHg
静水圧
15mmHg
膠質浸透圧
25mmHg
水分移動
10mmHg
動脈血
静脈血
毛細血管の動脈側では、血圧が膠質浸透圧より高いために、
水分が血管外に出る。一方静脈側では水分が血管内に入る。
正常細胞の増殖機構は?
正常細胞の増殖機構を理解す
るには、傷の再生のような変化
の激しい例を見るのが良いだ
ろう。
傷はどのように修復する?
図10.凝固と血小板と増殖因子
(A)
出血
1次止血
(B)
血小板由来増殖因子(PDGF)
線維芽細胞増殖因子(FGF)
上皮細胞増殖因子(EGF)など
(A) 血管に傷がついて出血すると、血小板が凝集する。
凝集した血小板は、傷を埋めるようにして止血をし、凝
集した血小板からは、様々な増殖因子が放出されて、
線維芽細胞や血管内皮細胞の増殖を促す。増殖した細
胞によって傷が塞がって治癒する。
(B) 末梢血を採血してスライドグラス
上に血液標本を作った。染色後観察
すると、抗凝固剤戸の混合不足で、
血小板が凝視している。
血管の傷や皮下組織の傷によって失った
細胞を回復してつなぎ合わせる必要がある。
凝固機構と同時に、血小板などから増殖因
子が分泌されて、上皮細胞や線維芽細胞
の増殖が起こる。
増殖因子のシグナルはどのように核まで伝わるのか?
増殖因子は細胞表面の受容体に結合する。結合して、
「増殖しろ」という命令を細胞に伝えるのだが、その命令
は、核に伝わって、核内でDNAの複製が始まる必要が
ある。
図11.シグナル伝達
(A)
EGF
(B)
大脳皮質
中枢神経
リン酸基
2量体化
PI3K
EGFR
EGFR
P
P
SOS
Ras
Grb2
相互のリン酸化
RAF
シナプス
STAT3
AKT
MAPK
末梢神経
筋肉
神経のシグナル伝達は、電気信
号とシナプス間での神経伝達化
学物質によって行われている。
核
EGFのシグナルは、EGFが細胞表面の受容体に結合するとこ
ろから始まり、STAT3を介する経路、Ras/RAF/MAPKを介する
経路、PI3K/AKTを介する経路によって核にまで伝えられる。
シグナルはどのように伝わるのか?
活性化するその手段は?
図12.リン酸化シグナルのカスケード
ATP
ADP
活性酵素
不活性
酵素
A
ATP
Adenosine
P
P
P
Adenosine
P
P
P
O
OH
A
O P O
O
ATP
ADP
ADP
活性酵素
P
不活性
酵素
O
B
OH
B
O P O
エネルギー
ATPからリン酸基が1個と
れると、エネルギーが放出
される。
O
Aタンパクがリン酸化されて活性化すると、次のBタンパクをリン酸化して活
性化する。このBタンパクが次のタンパクをリン酸化するといった連鎖的な反
応が起こる。この連鎖的反応を利用してシグナルが瞬時に伝わる。
リン酸化による活性化システムの利点は?
1.細胞内に多量にあるATPを利用できる。
2.タンパクの活性化と不活化がリン酸化と脱リン酸化と
いう逆向きの反応ですぐできる。
3.リン酸化によって構造に変化が起こり、タンパクの活
性化に即つながる。
大いなる錯覚
細胞膜から核まで4−5個でシグナルが伝わる?
図13.日本からアメリカへの情報伝達
増殖
だって
増殖
だって
増殖
だって
増殖
だって
実際の大きさを無視すれば、日本からアメリカまで4人の人が大声で叫べば、
声が届くように見える。実際には何万人もの人が必要だろう。
どんな増殖因子があるのか?
代表的な増殖因子は?
増殖因子
表1.主な増殖因子と受容体
増殖因子の特
徴
標的細胞
EGF (Epidermal growth
factor), HB-EGF, TGF-a,な
ど
膜結合型の前駆体
が酵素で切断される
上皮細胞、内皮細胞、 EGFレセプターファミリー
グリア細胞
(チロシンキナーゼ)
IGF (insulin-like growth
factor)-1, IGF-2など
7kDの小さなペプチド 多種類の細胞
PDGF (olatelet-derived
growth factor)-A, MCSF,
SCFなど
17kDのA鎖と16kDの
B鎖のヘテロダイ
マー
平滑筋細胞、グリア
細胞、造血前駆細胞
など
PDGFレセプターファミリー
(チロシンキナーゼ)
VEGF (vascular endothelial
growth factor)ファミリー
血管内皮細胞特異
的
血管内皮細胞など
VEGFレセプターファミリー
(チロシンキナーゼ)
内皮細胞、線維芽細
胞など広範囲な細胞
FGFレセプターファミリー
(チロシンキナーゼ)
FGF (fibroblast growth
factor)ファミリー
受容体
IGFレセプターファミリー
(チロシンキナーゼ)
HGF (hepatocyte growth
factor)ファミリー
遊走能を刺激する
肝細胞、上皮細胞
HGFレセプターファミリー
(チロシンキナーゼ)
TGF (transforming growth
factor)-bファミリー
25kDのホモダイマー
多種類の細胞
TGF-bレセプターファミリー
(セリンスレオニンキナーゼ)
具体的なシグナル伝達に関与する因子は?
単純な一つの経路ではない。
多数の経路が同時に動き出す。
一つの経路の中にも多数のタンパクが関与する。
別の経路同士が干渉し合うこともある。
図14.PDGFシグナルの伝達経路
PDGF
2量体化
PLC-g
PIP2
PDGFR
PDGFR
P
P
PI3K
リン酸基
SOS
Ras
Grb2
相互のリン酸化
RAF
STAT3
{Ca++}
AKT
MAPK
核
PDGFのシグナルは、PDGFが細胞表面の受容体に結合するところから始まり、STAT3を介
する経路、Ras/RAF/MAPKを介する経路、PI3K/AKTを介する経路などによって核にまで伝
えられる。
増殖シグナルが伝わった結果細胞は分裂する。
では細胞が分裂するとはどういう過程か?
図15.細胞分裂
娘細胞
細胞分裂
染色体の倍加
と細胞の成長
染色体の分離
一度分裂した細胞が、染色体を倍加させて次の分裂を行なうまでを
細胞周期と呼び、その時間を世代時間と呼んでいる。
細胞が分裂して2個になるためには、染色
体が分裂する前に2倍になる必要がある。
もし2倍にならなければ、分裂するたびに
染色体数が半分になってしまう。タンパクも
増加する必要がある。
時間のかかる過程であることを理解する。
図16.細胞周期
G0期の細胞
G1期の細胞
G1期
細胞が大きくなって、
DNA合成の準備には
いる
G0期
M期の細胞
染色体中の
DNAが合成され
ている
S期
M期
S期の細胞
G2期
細胞が2個に
分かれている
G2期の細胞
染色体が2倍
になっている
細胞が分裂するには幾つかのステップを経る。
物作りには、途中でうまくいっているか検査す
ることが重要。
図17.細胞周期チェックポイント
DNA損傷なし?
十分なヌクレオチド?
適切な増殖?
G1期
秩序ある紡錘体形成?
正常なM期進行?
S期
M期
G2期
DNA損傷なし?
細胞分裂への準備完了?
未熟な幹細胞が何回も分裂して成熟した、例
えば胃粘膜細胞になる。この過程を成熟とい
う面から見ると、分化と呼ばれる過程である。
細胞が分化するとはどういう過程か?
図18.赤血球への分化
幹細胞・・・・・・・・・・・・・・・・前駆細胞・・・・・・赤芽球・・・・赤血球
自己複製能力
全能性幹細胞 多能性幹細胞
SCF, TPO
FGF-1, IGF-2
Angptl3, Angptl3
BFU-E
CFU-E
SCF, EPO EPO
IL-3, IL-6
SCF: Stem cell factor, TPO: thrombopoietin, FGF-1: fibroblast growth factor-1, IGF-2: insulin-like growth
factor-2, Angptl2: angiopoietin-like proteins 2, Angptl3: angiopoietin-like proteins 3, EPO: erythropoietin, IL-3:
interleukin-3, IL-6: interleukin-6、BFU-E: burst forming unit-erythroid, CFU-E: colony forming unit-erythroid
造血幹細胞から、様々な増殖因子による刺激を受けて、前駆細胞、赤芽球、赤血球
へと増殖しながら分化してくる。
図19.分化と遺伝子
多能性幹細胞
あらゆる細胞系に必要な遺
伝子発現能力を持っている
赤血球系前駆細胞
赤血球に必要な遺伝子発現
能力しか持っていない
白血球系前駆細胞
白血球に必要な遺伝子発現
能力しか持っていない
細胞が分化するとは、特徴ある遺伝子の発現が増加することでもあるが、それ以外
の遺伝子発現が不可能になることも意味する。
未熟な細胞が分裂を繰り返して、例えば胃の
粘膜細胞として胃酸を分泌するようになった
時、この細胞では胃酸産生に関与する遺伝
子のみがオンの状態になっている。他の分裂
や生き延びるための遺伝子などはオフになっ
ている。
成熟した細胞は死ぬ運命にある。
臓器特異的に分化するよう運命づけられている。
細胞死はなぜ必要なのか?
表2.計画的細胞死の例
役割
具体的役割
例
いらない細胞を除
く
有害細胞を除く
遺伝子が傷ついた細胞(がん細胞の予
備軍)
自分を攻撃する免疫担当細胞(自己免
疫の原因となる)
余った細胞を除く
脳のネットワークが出来上がる過程で
余った細胞
役割を終えた細胞を
除く
胎児のみずかきなど
恒常性維持のために
老化した細胞を除く
表皮の細胞、免疫系の細胞、腸管粘膜
細胞など
DNA損傷によるアポトーシスとはどういう過程か?
図20.ストレス、DNA傷害によるアポトーシス
ストレス
Bax
Noxa
P53AIP1
ATM
ATR
Bad
ミトコンドリア
P53
BCL-X
DNA傷害
MDM2
アポプトソーム
BCL-2
プロカスパーゼ9
たんぱく質分解
(PARP, ICADなど)
DNA断片化
(DNAase, CADなど)
Cyt c
Apaf-1
IAPs
カスパーゼ9
カスパーゼ3
ストレスやDNA障害は、bcl-2ファミリータンパクを介してミトコンドリ
アからチトクロームcとApaf-1を分泌させ、カスパーゼを活性化して、
タンパク質分解系、DNA分解系が活性化する。
Death receptorを介した死とは何か?
図21.デス受容体を介したアポトーシスシグナル
リガンド TNF, lymphotoxin
受容体 TNFR1 TNFR2
FasL
Fas
TRAIL
DR4 DR5
FasL3量体
FADD
FLIP
FLASH
たんぱく質分解
(PARP, ICADなど)
DNA断片化
(DNAase, CADな
ど)
デスドメイン
カスパーゼ8
DISC (Death inducing signaling complex)
カスパーゼ3
デス受容体は、TNF/TNFR系、Fas/FasL系、Trail/DR系の3つである。
Fas/FasL系でシグナルをみると、3量体のFasが3量体のFasLに結合するとDISCを形成して、カス
パーゼ8,3が活性化してタンパク、DNA分解系が活性化する。
Death receptorを介した細胞死の例
細胞障害性リンパ球はどのように細胞を殺すのか?
図22.細胞障害性Tリンパ球による細胞死誘導の機序
FasL
gene
TCR
MHC
Perforin
Granzym
アポトーシス
A) パーフォリン/グランザイム系
細胞障害性Tリンパ球にウイルス抗原が
提示されると、標的細胞に穴をあける
パーフォリンが分泌され、パーフォリンの
穴を介して細胞内に入るグランザイムが
アポトーシスを誘導する。
TCR
FasL
MHC
Fas
アポトーシス
B) FasL/Fas系
細胞障害性T細胞にウイルス抗原が提
示されると、FasL遺伝子の転写が活性化
すると同時に、細胞表面に移動する。標
的細胞のFasを活性化してアポトーシスを
誘導する。
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腫瘍学特論その1新