シグナル伝達における細胞外マトリックスの役割（例：インテグリン受容体）、転移形成における細胞外マトリックスの役割（EM学生のみ）

🧠 インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）は「細胞とECMをつなぐ双方向の蝶番」であり、その活性化はリガンドが外から来る（outside-in）か、細胞内シグナルが先に来る（inside-out）かの2通りの入口を持つ——同じ「折り畳まれた不活性型inactive form不活性型（inactive form）inactive form（不活性型）→展開した活性型」という構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）を、どちらの方向からでも引き起こせる点がインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）の柔軟性の核心である。 そしてこの同じ仕組みが、がんの転移という病的文脈では乗っ取られる——上皮間葉転換epithelial-mesenchymal transition (EMT)上皮間葉転換（epithelial-mesenchymal transition (EMT)）epithelial-mesenchymal transition (EMT)（上皮間葉転換）によってE-カドヘリンE-cadherinE-カドヘリン（E-cadherin）E-cadherin（E-カドヘリン）が失われ接着が緩み、インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）αvβ3が浸潤突起invadopodium浸潤突起（invadopodium）invadopodium（浸潤突起）の形成を導き、ECMを分解して脱出路を切り開く。正常な発生・血管新生を担う仕組みと、がんの転移を可能にする仕組みは、実は同じ分子部品の使い回しにすぎない。

細胞外マトリックスとは

組織は細胞だけでなく、細胞外マトリックスextracellular matrix (ECM)細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)）extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス）を構成する高分子のネットワークも含む。このマトリックスは局所的に分泌され、それを産生する細胞の表面と密接に会合しながら組織化されたメッシュワークへ組み立てられる、多くの異なるタンパク質と多糖から構成される。

ECMは3つの主要なクラスの高分子から構築される：

1. 構造性線維タンパク質——主にコラーゲンファミリー（エラスチンelastinエラスチン（elastin）elastin（エラスチン）、フィブリリンfibrillinフィブリリン（fibrillin）fibrillin（フィブリリン））
2. 糖タンパク質glycoprotein糖タンパク質（glycoprotein）glycoprotein（糖タンパク質）——マトリックスの組織化に寄与し、細胞のマトリックスへの接着を助ける（フィブロネクチンfibronectinフィブロネクチン（fibronectin）fibronectin（フィブロネクチン）、ラミニンlamininラミニン（laminin）laminin（ラミニン））
3. グリコサミノグリカンglycosaminoglycan (GAG)グリコサミノグリカン（glycosaminoglycan (GAG)）glycosaminoglycan (GAG)（グリコサミノグリカン）——通常タンパク質にプロテオグリカンproteoglycanプロテオグリカン（proteoglycan）proteoglycan（プロテオグリカン）の形で結合している（ヒアルロナンhyaluronanヒアルロナン（hyaluronan）hyaluronan（ヒアルロナン）、コンドロイチン硫酸chondroitin sulfateコンドロイチン硫酸（chondroitin sulfate）chondroitin sulfate（コンドロイチン硫酸）、ヘパラン硫酸heparan sulfateヘパラン硫酸（heparan sulfate）heparan sulfate（ヘパラン硫酸））

ECM→細胞、細胞→細胞の相互作用の媒介因子

細胞表面受容体cell surface receptor細胞表面受容体（cell surface receptor）cell surface receptor（細胞表面受容体）： インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）、エフリンephrinエフリン（ephrin）ephrin（エフリン）受容体、Notch/Delta受容体

接着分子adhesion molecules接着分子（adhesion molecules）adhesion molecules（接着分子）：

インテグリン受容体

全ての細胞に発現し、細胞運動・成長・生存に関与する。成長ホルモンgrowth hormone (GH)成長ホルモン（growth hormone (GH)）growth hormone (GH)（成長ホルモン）受容体より発現量の多い、より顕著な受容体であるため重要である。インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）分子には多くのバリエーションがあるが、いずれも共通の設計に従う。

構造

• α・βサブユニットがヘテロ二量体heterodimerヘテロ二量体（heterodimer）heterodimer（ヘテロ二量体）を構成する（両方とも細胞膜を貫通する）
• N末端＝細胞外（EC）ドメイン、C末端＝細胞内（IC）ドメイン
• 細胞外ドメインextracellular domain細胞外ドメイン（extracellular domain）extracellular domain（細胞外ドメイン）はECMタンパク質中の特異的なアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）モチーフに結合し、典型的にはRGD配列（Arg-Gly-Asp トリペプチドtripeptideトリペプチド（tripeptide）tripeptide（トリペプチド））——フィブロネクチンfibronectinフィブロネクチン（fibronectin）fibronectin（フィブロネクチン）、コラーゲン、ラミニンlamininラミニン（laminin）laminin（ラミニン）に見出される
• インテグリン受容体integrin receptorインテグリン受容体（integrin receptor）integrin receptor（インテグリン受容体）はまた凝固に機能する可溶性タンパク質（フィブリノーゲンfibrinogenフィブリノーゲン（fibrinogen）fibrinogen（フィブリノーゲン）など）や、CAMを介して他の細胞にも結合する
• インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）とマトリックスリガンドの結合は、ECM内のCa²⁺濃度によっても影響を受ける

特徴

• 異なる組み合わせが可能であり、異なるリガンドを生む
• α・βサブユニットには異なる型があり（18種のα、8種のβサブユニット、24の既知の結合対を形成）、細胞が様々な種類のインテグリン受容体integrin receptorインテグリン受容体（integrin receptor）integrin receptor（インテグリン受容体）を形成できるようにする
• これは異なる組み合わせでの異なる二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）によって行われ、異なる性質・機能——異なるリガンドへの異なる親和性——を持たせる
• サブユニットの型は異なる遺伝子によってコードされるのではなく、翻訳後修飾post-translational modification翻訳後修飾（post-translational modification）post-translational modification（翻訳後修飾）によって達成される→α サブユニットが細胞-ECM接着のリガンド特異性を典型的に決定し、βサブユニットが細胞内リガンド結合ドメインligand-binding domainリガンド結合ドメイン（ligand-binding domain）ligand-binding domain（リガンド結合ドメイン）を保持する
• インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）二量体の細胞内ドメインは、複数のタンパク質からなる複合体に結合し、これらが共同して細胞骨格へのつながりを形成する——大部分はアクチン繊維actin filamentsアクチン繊維（actin filaments）actin filaments（アクチン繊維）に連結される→大きなアダプタータンパク質adaptor proteinアダプタータンパク質（adaptor protein）adaptor protein（アダプタータンパク質）であるタリンがβサブユニットに細胞内で結合し、これをアクチン繊維actin filamentsアクチン繊維（actin filaments）actin filaments（アクチン繊維）へ連結する

活性化

インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）は活性の異なる状態を反映する複数の構造的コンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）で存在する：

1. 不活性状態inactive state不活性状態（inactive state）inactive state（不活性状態）： インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）二量体の外部セグメントはコンパクトな構造に折り畳まれておりマトリックスタンパク質に結合できない。細胞質側の尾部は互いに引っかかり合っており、細胞骨格リンカーlinkerリンカー（linker）linker（リンカー）タンパク質との相互作用を防いでいる
2. 活性状態active state活性状態（active state）active state（活性状態）： 2つのインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）サブユニットが膜で引っかかりを外し、細胞内結合部位を細胞質アダプタータンパク質adaptor proteinアダプタータンパク質（adaptor protein）adaptor protein（アダプタータンパク質）へ露出させ、外部ドメインが展開してマトリックス結合部位を露出させる

不活性状態inactive state不活性状態（inactive state）inactive state（不活性状態）と活性状態active state活性状態（active state）active state（活性状態）の切り替えは異なる機構によって調節される：

• 「outside-in」機構： フィブロネクチンfibronectinフィブロネクチン（fibronectin）fibronectin（フィブロネクチン）のRGD配列などの細胞外リガンドの結合が、一部のインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）を高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）の活性状態active state活性状態（active state）active state（活性状態）へ切り替えさせ、細胞内ドメインがβサブユニットの尾部に露出し、アクチン繊維actin filamentsアクチン繊維（actin filaments）actin filaments（アクチン繊維）への結合につながる→細胞応答（例：細胞分化cell differentiation細胞分化（cell differentiation）cell differentiation（細胞分化）、胚発生embryogenesis胚発生（embryogenesis）embryogenesis（胚発生））
• 「インサイドアウトinside-outインサイドアウト（inside-out）inside-out（インサイドアウト）」機構： 細胞内調節シグナルがタリン、およびインテグリン受容体integrin receptorインテグリン受容体（integrin receptor）integrin receptor（インテグリン受容体）のβサブユニットと相互作用する他のタンパク質を刺激しうる→これが2つの二量体を展開させ細胞外結合ドメインを露出させる。この細胞活性化は炎症・創傷治癒・転移において重要な接着変化をもたらす
  • 例： 血小板における「インサイドアウトinside-outインサイドアウト（inside-out）inside-out（インサイドアウト）」機構：トロンビン（細胞外シグナルタンパク質）が特異的なGPCRに結合し、細胞内シグナル伝達経路signal transduction pathwayシグナル伝達経路（signal transduction pathway）signal transduction pathway（シグナル伝達経路）を活性化してインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）の活性化につながる

flowchart TD
  A["不活性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='integrin'>インテグリン</span>：折り畳まれた外部ドメイン・引っかかった細胞内尾部"] -->|"outside-in：RGD配列の結合"| B["活性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='integrin'>インテグリン</span>：展開した外部ドメイン・露出した細胞内ドメイン"]
  C["inside-out：細胞内シグナルがタリンを刺激"] --> B
  B --> D["タリンを介した<span class='jp-term jp-term-diagram' title='actin filaments'>アクチン繊維</span>への連結"]
  D --> E["細胞応答（接着・分化・移動）"]

FAK

インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）シグナル伝達の様々な様式は、細胞質性タンパク質チロシンキナーゼであるFAK（focal adhesion kinase）に依存する。

• インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）が細胞-マトリックス接触部位でクラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）を形成すると、FAKは細胞内アダプタータンパク質adaptor proteinアダプタータンパク質（adaptor protein）adaptor protein（アダプタータンパク質）によりインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）βサブユニットへ動員される
• クラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）化したFAK分子は特定のチロシン残基tyrosine residueチロシン残基（tyrosine residue）tyrosine residue（チロシン残基）上で互いをリン酸化し、Srcファミリーキナーゼや他の細胞質エフェクターのためのホスホチロシンドッキングdockingドッキング（docking）docking（ドッキング）部位を作る

→ フォーカルアドヒージョンfocal adhesionフォーカルアドヒージョン（focal adhesion）focal adhesion（フォーカルアドヒージョン）はECMへの機械的連結として、またインテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）の結合・クラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）形成部位にシグナルタンパク質を導く生化学的シグナル伝達中枢として機能する。

→ リン酸化されたチロシンは他のタンパク質のドッキングdockingドッキング（docking）docking（ドッキング）部位として働き、細胞増殖・抗アポトーシス経路・移動を媒介する。

エフリン受容体・Notch/Delta受容体

エフリンephrinエフリン（ephrin）ephrin（エフリン）受容体： 細胞-細胞双方向シグナル伝達。胚発生embryogenesis胚発生（embryogenesis）embryogenesis（胚発生）、血管新生、シナプス可塑性synaptic plasticityシナプス可塑性（synaptic plasticity）synaptic plasticity（シナプス可塑性）、骨形成、細胞遊走、悪性シグナル伝達に関与する。

Notch/Delta受容体： 細胞-細胞双方向シグナル伝達。胚発生embryogenesis胚発生（embryogenesis）embryogenesis（胚発生）、神経新生・血管新生、骨リモデリングbone remodeling骨リモデリング（bone remodeling）bone remodeling（骨リモデリング）、悪性シグナル伝達に関与する。

ECMの転移形成における役割

転移は、がん細胞が原発腫瘍primary tumor原発腫瘍（primary tumor）primary tumor（原発腫瘍）部位を離れ、血流・リンパ系・直接進展を介して体の他の部位へ移動し、二次腫瘍（＝悪性/がん性腫瘍）の発生をもたらす複雑な一連の段階を含む。

ECMの役割

1. 放出：周囲からの腫瘍細胞の解放

• プロテアーゼとプロテアーゼ活性化因子の分泌、および浸潤突起invadopodium浸潤突起（invadopodium）invadopodium（浸潤突起）の形成を担うαvβ3インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）を介して生じる
• 悪性細胞が原発腫瘍primary tumor原発腫瘍（primary tumor）primary tumor（原発腫瘍）から離脱し（プロテアーゼが接着分子adhesion molecules接着分子（adhesion molecules）adhesion molecules（接着分子）を切断する）、周囲のECMを構成するタンパク質に付着・分解する（浸潤突起invadopodium浸潤突起（invadopodium）invadopodium（浸潤突起）を介して）——これが腫瘍を隣接組織から切り離す
• これらの組織を分解することで、がん細胞はECMを突破して脱出できる
• カドヘリンcadherinカドヘリン（cadherin）cadherin（カドヘリン）は細胞間の接着結合adherens junction接着結合（adherens junction）adherens junction（接着結合）の形成に重要であり、がん細胞が遊走するためにはこれらも切断される必要がある

→ 転移の「放出」段階における鍵となる過程は、上皮間葉転換epithelial-mesenchymal transition (EMT)上皮間葉転換（epithelial-mesenchymal transition (EMT)）epithelial-mesenchymal transition (EMT)（上皮間葉転換）に類似したものであり、上皮が性格を変化させ接着性が低下し遊走性が高まる。この転換はしばしばE-カドヘリンE-cadherinE-カドヘリン（E-cadherin）E-cadherin（E-カドヘリン）遺伝子（細胞-細胞接着を担う）の変異、および/またはTGFβによる分泌・シグナル伝達に起因する。

2. 移動：放出されたがん細胞の血管/リンパ管への進入

• この段階は腫瘍内での新しい血管形成によって助けられる——腫瘍がサイズを増し低酸素になるにつれ、血管新生因子angiogenic factor血管新生因子（angiogenic factor）angiogenic factor（血管新生因子）の放出を引き起こし血管新生（新しい血管の形成）を促進するため

3. ホーミングhomingホーミング（homing）homing（ホーミング）：血管/リンパ管を出て生存・増殖する能力

• 腫瘍細胞が特異的な出口部位——組織中で通過できる領域——を認識することで生じうる。しばしば腫瘍細胞の表面受容体への親和性によって媒介される
• この受容体はラミニンlamininラミニン（laminin）laminin（ラミニン）とその受容体、あるいは細胞表面糖タンパクvariant surface glycoprotein, VSG表面糖タンパク（variant surface glycoprotein, VSG）variant surface glycoprotein, VSG（表面糖タンパク）質であるCD44でありうる

⭐ これが臨床医にとってなぜ重要か：

• 転移は通常がんの致死的な過程である
• 転移の活性化因子は全てそれらを識別するマーカーとして役立つ
• 転移の段階＋誘導因子を知ることは、腫瘍が悪性かどうかを認識するために重要であり、悪性であれば転移を阻止する併用療法を開発することにつながる

上皮間葉転換

転移における重要な段階である——間葉系細胞mesenchymal cell間葉系細胞（mesenchymal cell）mesenchymal cell（間葉系細胞）はより遊走性が高く化学療法により耐性があるためである。

• E-カドヘリンE-cadherinE-カドヘリン（E-cadherin）E-cadherin（E-カドヘリン）のダウンレギュレーションdownregulationダウンレギュレーション（downregulation）downregulation（ダウンレギュレーション）、およびE-カドヘリンE-cadherinE-カドヘリン（E-cadherin）E-cadherin（E-カドヘリン）を切断できるマトリックスメタロプロテアーゼmatrix metalloproteinase, MMPマトリックスメタロプロテアーゼ（matrix metalloproteinase, MMP）matrix metalloproteinase, MMP（マトリックスメタロプロテアーゼ）の活性化によって行われる
• 糸状仮足filopodium糸状仮足（filopodium）filopodium（糸状仮足）→葉状仮足lamellipodium葉状仮足（lamellipodium）lamellipodium（葉状仮足）→浸潤突起invadopodium浸潤突起（invadopodium）invadopodium（浸潤突起）の形成を可能にする
• 間葉系細胞mesenchymal cell間葉系細胞（mesenchymal cell）mesenchymal cell（間葉系細胞）は遊走でき、ホーミングhomingホーミング（homing）homing（ホーミング）の際に、より増殖性の高い上皮系細胞へ再変換されうる——これががん幹細胞の形成をもたらす
• がん幹細胞には典型的に2つの主要な状態がある：
  1. 緩徐な非対称分裂asymmetric division非対称分裂（asymmetric division）asymmetric division（非対称分裂）状態
  2. 急速な対称分裂状態

→ がん幹細胞はこの2つの状態を非常に急速に切り替えることができ、これは化学療法において考慮される必要がある。

⚠️ 化学療法は主に緩徐に非対称分裂asymmetric division非対称分裂（asymmetric division）asymmetric division（非対称分裂）する細胞を標的とする——これらは浸潤を担い治療抵抗性を持つ傾向があるためである。緩徐分裂細胞が化学療法で死滅しない場合、急速に対称分裂する状態へ速やかに転換し腫瘍を再増殖できる。このため緩徐分裂細胞は化学療法中の「休止状態」とみなすことができ、治療が終わると再び目覚めてがんの再発を引き起こす。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='E-cadherin'>E-カドヘリン</span>変異/TGFβシグナル"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='EMT'>上皮間葉転換</span>"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='adhesion molecules'>接着分子</span>の切断・αvβ3<span class='jp-term jp-term-diagram' title='integrin'>インテグリン</span>による<span class='jp-term jp-term-diagram' title='invadopodium'>浸潤突起</span>形成"]
  C --> D["ECM分解→放出"]
  D --> E["血管新生を伴う血管/リンパ管への移動"]
  E --> F["受容体（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='laminin'>ラミニン</span>受容体、CD44）を介した<span class='jp-term jp-term-diagram' title='homing'>ホーミング</span>"]
  F --> G["がん幹細胞形成：緩徐/急速分裂状態の切り替え"]
  G --> H["二次腫瘍（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='metastatic focus'>転移巣</span>）の形成"]

まとめ

• ECMは構造性線維タンパク質（コラーゲンファミリー）、糖タンパク質glycoprotein糖タンパク質（glycoprotein）glycoprotein（糖タンパク質）（フィブロネクチンfibronectinフィブロネクチン（fibronectin）fibronectin（フィブロネクチン）、ラミニンlamininラミニン（laminin）laminin（ラミニン））、GAG（プロテオグリカンproteoglycanプロテオグリカン（proteoglycan）proteoglycan（プロテオグリカン））から構成され、インテグリン受容体integrin receptorインテグリン受容体（integrin receptor）integrin receptor（インテグリン受容体）・カドヘリンcadherinカドヘリン（cadherin）cadherin（カドヘリン）・セレクチンselectinsセレクチン（selectins）selectins（セレクチン）・免疫グロブリンスーパーファミリーimmunoglobulin superfamily, IgSF免疫グロブリンスーパーファミリー（immunoglobulin superfamily, IgSF）immunoglobulin superfamily, IgSF（免疫グロブリンスーパーファミリー）を介して細胞-ECM/細胞-細胞相互作用を媒介する。
• インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）はα/βヘテロ二量体heterodimerヘテロ二量体（heterodimer）heterodimer（ヘテロ二量体）でありRGD配列を認識し、不活性（折り畳まれた）状態と活性（展開した）状態の間をoutside-in（リガンド結合ligand bindingリガンド結合（ligand binding）ligand binding（リガンド結合）が先）またはインサイドアウトinside-outインサイドアウト（inside-out）inside-out（インサイドアウト）（細胞内シグナルが先）機構で切り替え、FAKを介して細胞増殖・アノイキスanoikisアノイキス（anoikis）anoikis（アノイキス）回避・移動という下流応答を分岐させる。
• がんの転移はECMからの放出（EMT、αvβ3インテグリンintegrinインテグリン（integrin）integrin（インテグリン）、浸潤突起invadopodium浸潤突起（invadopodium）invadopodium（浸潤突起）によるECM分解）、血管/リンパ管への移動（血管新生に助けられる）、ホーミングhomingホーミング（homing）homing（ホーミング）（ラミニンlamininラミニン（laminin）laminin（ラミニン）受容体・CD44）という3段階からなり、EMTにより生じるがん幹細胞は緩徐な非対称分裂asymmetric division非対称分裂（asymmetric division）asymmetric division（非対称分裂）状態と急速な対称分裂状態を切り替えることで化学療法抵抗性chemotherapy resistance化学療法抵抗性（chemotherapy resistance）chemotherapy resistance（化学療法抵抗性）と再発に関与する。