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 皮膚 未熟細胞 未熟細胞 増殖細胞 腺窩 （未熟細胞） 老化し た細胞 は脱落 絨毛 基底細胞 図１．　組織の新陳代謝 造血組織 腸上皮 皮膚 　　　　　　　　　　　未熟細胞 未熟細胞 　　　　　　　　　　　　　増殖細胞 　リンパ球　血小板　　好中球　赤血球 　　　　腺窩 　　　（未熟細胞） 　　　　　　老化し 　　　　　　た細胞 　　　　　　は脱落 　絨毛　　　 　　基底細胞 　　（未熟細胞） 　　　角質層 v

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− ウ 全滅 イ ル ス 感 染 一部の細胞傷害のみで生き残る c A) 単細胞生物 B)

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 3 6 9 12 細胞世代 危機 老 化 ・ 細 胞 死 培養月数 テロメア 染色体 細胞世代 危機 A)　ヘイフリックの限界 B)　分裂とテロメア 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。 老 化 ・ 細 胞 死

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。

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 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 幹細胞　前駆細胞 　　　　　（分裂） 　　　　　機能分化 　　　　　　（老化） 　　　　　成熟細胞 　　　　　　（死滅） 臓器を構成している細胞はある分裂回数で老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。 幹細胞 前駆細胞

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。 幹細胞 各種の成熟細胞・幹細胞 　　　 （多能性）・（自己複製）

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 細胞分裂のピラミッドモデル 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。 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 新しい細胞の誕生のため 糖質 TCA 酸素 脂質 タンパク質 エネルギー産生 水と二酸化炭素 エネルギー産生 36ATP 2 ATP ブドウ糖 糖質 酸素 TCA サイクル ピルビン酸 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

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 運搬屋 LDL 肝臓 HDL 組織 掃除屋 肝臓から全身へコレステロールを運搬 余ったコレステロールを回収 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 LDL 肝臓 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。 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。 静脈 動脈

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 動脈血 静脈血 静水圧 35mmHg 静水圧 15mmHg 膠質浸透圧 25mmHg 膠質浸透圧 25mmHg 水分移動 10mmHg 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) (B) 出血 １次止血 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) (B) (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) (B) 核 リン酸基 大脳皮質 ２量体化 P P 中枢神経 JAK 相互のリン酸化 シナプス 末梢神経 筋肉 EGF リン酸基 大脳皮質 ２量体化 EGFR EGFR P P SOS PI3K Ras 中枢神経 Grb2 JAK PDK-1 相互のリン酸化 RAF STAT3 シナプス AKT MAPK 末梢神経 核 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。 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 活性酵素 不活性 酵素 活性酵素 不活性 酵素 図１２．リン酸化シグナルのカスケード　 A OH O P ATP ADP B ATP 活性酵素 不活性 酵素 Adenosine P P P Adenosine P P ADP エネルギー 活性酵素 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。 不活性 酵素 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？

表１．主な増殖因子と受容体 増殖因子 増殖因子の特徴 標的細胞 受容体 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、グリア細胞 EGFレセプターファミリー （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 IGFレセプターファミリー 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 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 FGF (fibroblast growth factor)ファミリー 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 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 TGF (transforming growth factor)-bファミリー 25kDのホモダイマー 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 核 ２量体化 リン酸基 相互のリン酸化 PDGF PDGFR PDGFR PLC-g P P PIP2 SOS Ras PIP2 PI3K Grb2 JAK PDK-1 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 G1期 G0期 S期 M期 G2期 G1期の細胞 G0期の細胞 細胞が大きくなって、DNA合成の準備にはいる 染色体が２倍になっている 細胞が２個に分かれている G0期 G0期の細胞 細胞が大きくなって、DNA合成の準備にはいる

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 G1期 S期 M期 G2期 DNA損傷なし？ 十分なヌクレオチド？ 適切な増殖？ 秩序ある紡錘体形成？ 細胞分裂への準備完了？ 秩序ある紡錘体形成？ 正常なM期進行？

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 BFU-E CFU-E 全能性幹細胞 多能性幹細胞 SCF, TPO FGF-1, IGF-2 Angptl3, Angptl3 SCF, EPO IL-3, IL-6 EPO 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。

あらゆる細胞系に必要な遺伝子発現能力を持っている 図19．分化と遺伝子 白血球に必要な遺伝子 血小板に必要な遺伝子 リンパ球に必要な遺伝子 赤血球に必要な遺伝子 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 白血球に必要な遺伝子 血小板に必要な遺伝子 リンパ球に必要な遺伝子 赤血球に必要な遺伝子 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 白血球に必要な遺伝子 血小板に必要な遺伝子 リンパ球に必要な遺伝子 赤血球に必要な遺伝子 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 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 Bax Noxa P53AIP1 ATM ATR ミトコンドリア Bad MDM2 P53 アポプトソーム BCL-X BCL-2 Cyt c プロカスパーゼ９ Apaf-1 たんぱく質分解 （PARP, ICADなど） DNA断片化 （DNAase, CADなど） 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 TNFR1 TNFR2 TNF, lymphotoxin FasL TRAIL Fas DR4 DR5 デスドメイン FasL3量体 たんぱく質分解 （PARP, ICADなど） DNA断片化 （DNAase, CADなど） カスパーゼ８ カスパーゼ３ FLIP FADD FLASH DISC (Death inducing signaling complex) リガンド 受容体 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 TCR FasL Perforin MHC MHC Fas Granzym アポトーシス 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。 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。