[論文レビュー] mTORC1 regulates cytokinesis through activation of Rho-ROCK signaling

Timothy R. Peterson, Mathieu Laplante+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2015

Microtubule and mitosis dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、哺乳類細胞における胞質分裂を調節する新しい mTORC1-Rho-ROCK 細胞内シグナル伝達経路を同定した。mTORC1 の過剰活性化は、Rho-GTP の過剰蓄積、アクチン-ミオシン収縮性の増強、細胞膜のびらんを引き起こし、最終的に胞質分裂の失敗と多倍体化を招く。これは mTORC1 や ROCK の阻害によって是正可能であり、mTORC1 が細胞分裂のサイズ閾値を決定している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Understanding the mechanisms by which cells coordinate their size with their ability to divide has long attracted the interest of biologists. The Target of Rapamycin (TOR) pathway is becoming increasingly recognized as a master regulator of cell size, however less is known how TOR activity might be coupled with the cell cycle. Here, we establish that mTOR complex 1 (mTORC1) promotes cytokinesis through activation of a Rho GTPase-Rho Kinase (ROCK) signaling cascade. Hyperactivation of mTORC1 signaling by depletion of any of its negative regulators: TSC1, TSC2, PTEN, or DEPTOR, induces polyploidy in a rapamycin-sensitive manner. mTORC1 hyperactivation-mediated polyploidization occurs by a prolonged, but ultimately failed attempt at abcission followed by re-fusion. Similar to the effects of ROCK2 overexpression, these mTORC1-driven aberrant cytokinesis events are accompanied by increased Rho-GTP loading, extensive plasma membrane blebbing, and increased actin-myosin contractility, all of which can be rescued by either mTORC1 or ROCK inhibition. These results provide evidence for the existence of a novel mTORC1-Rho-ROCK pathway during cytokinesis and suggest that mTORC1 might play a critical role in setting the size at which a mammalian cell divides.

研究の動機と目的

• mTORC1 シグナル伝達が胞質分裂および細胞サイズの調整に与える影響を調査すること。
• mTORC1 が細胞分裂に必要な細骨格装置を調節しているかどうかを特定すること。
• 胞質分裂中に mTORC1 活性と Rho ガリラーゼ/ROCK 経路活性化との間の分子的リンクを解明すること。
• mTORC1 の過剰活性化が細胞周期の完了およびゲノム安定性に与える影響を評価すること。

提案手法

• mTORC1 の負の調節因子（TSC1、TSC2、PTEN、DEPTOR）をRNAiでノックダウンすることで、mTORC1 シグナルを過剰活性化した。
• リアルタイムで胞質分裂のダイナミクスと膜のびらんをモニタリングするため、ライブセルイメージングを実施した。
• グルーチェンプルーリング法を用いて Rho-GTP 濃度を測定し、Rho ガリラーゼの活性化状態を評価した。
• 阻害薬（ラパマイシン、ROCK阻害薬）を用いてシグナル経路の依存性を検証した。
• 免疫蛍光法と共焦点顕微鏡を用いて、アクチン-ミオシン収縮性および胞質分裂環の形成を可視化した。
• 流式細胞計数法およびDNA含量解析を用いて多倍体化率を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mTORC1 シグナル伝達は、哺乳類細胞における胞質分裂の完了を調節しているか？
• RQ2 mTORC1 の下流で Rho-ROCK 経路が胞質分裂中に活性化されているか？
• RQ3 mTORC1 の過剰活性化が細胞分裂中に引き起こす細胞像は何か？
• RQ4 mTORC1 や ROCK の阻害は、mTORC1 の過剰活性化によって引き起こされる胞質分裂障害を是正できるか？
• RQ5 mTORC1 活性は、細胞が分裂する際のサイズ閾値に影響を与えているか？

主な発見

• TSC1、TSC2、PTEN、または DEPTOR のノックダウンにより、mTORC1 の過剰活性化が誘発され、ラパマイシン感受性の多倍体化が生じた。
• mTORC1 の過剰活性化は、延長した胞質分裂試行、膜のびらん、最終的な細胞再融合を引き起こし、多核細胞を形成した。
• mTORC1 が過剰に活性化された細胞では、Rho-GTP の蓄積とアクチン-ミオシン収縮性の上昇が観察され、ROCK2 の過剰発現と類似した現象を示した。
• これらの胞質分裂障害は、mTORC1 および ROCK の阻害によって是正されたことから、シグナル経路の依存性が確認された。
• mTORC1-Rho-ROCK 軸が、胞質分裂および細胞サイズ制御を調節する新しいシグナルキャスケードであることが同定された。
• これらの結果から、mTORC1 が哺乳類細胞における細胞分裂のサイズ閾値を決定する中心的役割を果たしている可能性が示唆された。