上皮間葉転換
上皮間葉転換（Epithelial-Mesenchymal Transformation, 略称: EMT）または上皮間葉移行は、細胞がその形態と機能を大きく変化させる動的なプロセスです。具体的には、互いに強く接着し、細胞極性を持つ上皮細胞が、細胞接着能力を失い、運動性や組織への入り込み（浸潤）能力を獲得した間葉系細胞へと姿を変えることを指します。
この変化は、個体の発生において中心的な役割を果たします。初期の胚形成段階での組織や器官の構築、例えば原腸陥入や神経堤の形成、心臓弁や口蓋、筋肉といった多様な構造の発達には、EMTとその逆の過程である間葉上皮転換（MET）が不可欠です。胎生期だけでなく、生後の創傷治癒や組織が硬くなる線維化といった現象、さらにはがん細胞が周囲の組織に入り込み、遠隔の臓器へと広がる（浸潤・転移）といった病的な状況にもEMTの関与が確認されています。
上皮細胞と間葉系細胞は、その機能に応じて形態も異なります。上皮細胞は密着結合や接着結合などの細胞間接着構造を介して互いに密に繋がり、特定の方向に極性を保ち、基底膜によって固定されています。一方、間葉系細胞は通常、紡錘形をしており、細胞間の接着は限定的で、細胞全体の極性も失われています。分子レベルでも顕著な違いが見られ、上皮細胞で高く発現するE-カドヘリンに対し、間葉系細胞ではN-カドヘリンやビメンチン、フィブロネクチンなどの分子が多く見られます。EMTは、これらの形態的・分子的な性質を劇的に変化させます。
EMTは、その生物学的背景から主に三つのタイプに分類されます。
タイプI: 主に胚の成長や発育に関わるEMT
タイプII: 組織の線維化や創傷治癒といった組織修復過程に関わるEMT
* タイプIII: がん細胞の浸潤や転移といった悪性化に関わるEMT
EMTの開始において極めて重要なのは、上皮細胞に特徴的な細胞接着分子であるE-カドヘリンの発現が低下または消失することです。E-カドヘリンの発現を抑える多くの転写因子は、EMT誘導転写因子（EMT-TF）と呼ばれます。SNAI1（Snail）、SNAI2（Slug）、ZEB1、ZEB2といった因子は、E-カドヘリン遺伝子のプロモーター領域に直接結合してその転写を抑制します。TwistやGoosecoidなどの因子は間接的にE-カドヘリンの発現を制御します。これらのEMT-TFは、E-カドヘリンだけでなく、クローディンや接着斑構成因子といった他の細胞接着関連タンパク質の転写も抑制し、EMTを促進します。一方で、GRHL2やELF3、ELF5といった転写因子はEMTの過程で減少し、これらの因子が過剰に存在すると間葉上皮転換が誘導されることが知られています。がんの進行におけるEMTは、正常な組織発達のプログラムを模倣する側面があるため、多くのEMT誘導転写因子はがんの浸潤・転移を促進する因子として機能します。
多様なシグナル伝達経路や細胞外環境からの刺激もEMTを誘導します。例えば、TGF-β、FGF、EGF、HGF、Wnt/β-カテニン、Notchといったシグナル経路や、酸素が不足した状態（低酸素）がEMTの引き金となります。特に、RAS/MAPKシグナル経路はSnailやSlugといった主要なEMT-TFを活性化することが示されています。Slugはデスモソームの分解や細胞接着の部分的な解離といったEMTの初期段階を誘導する一方、Snailは細胞運動の獲得や上皮性マーカー（サイトケラチン）の抑制、間葉性マーカー（ビメンチン）の発現誘導といったより進行した段階にも関与します。SnailやSlugは、細胞接着に関わる重要な転写因子であるp63のアイソフォームの発現も制御しており、p63アイソフォームの発現異常は細胞接着の低下やがん細胞の浸潤能亢進に繋がります。p63自体はEMTを抑制する方向に働き、その減少は上皮がんの進行に重要と考えられています。近年、PI3キナーゼ/AKTシグナル経路がEMTにおいて中心的な役割を担う可能性が注目されています。その他、ヘッジホッグシグナル経路やNF-κB、ATF2などもEMTに関連することが示唆されています。
Wntシグナル経路は、胚発生における原腸陥入や心臓弁の形成、そしてがんにおけるEMTを制御する主要な経路の一つです。肺がん細胞においてWntシグナルを活性化させると、EMTを誘導するSnailの発現が上昇し、間葉系マーカーであるビメンチンが増加します。Wnt/β-カテニン経路の活性化は、肺がん患者の予後不良と関連することも臨床的に示されています。同様に、TGF-βシグナルは心臓弁や口蓋の形成、そしてがんでSnailやZEBといったEMT-TFの発現を誘導します。肺がんが骨に転移した場合、TGF-βシグナルが活性化され、さらなる転移形成に寄与することが分かっています。一方、がん抑制遺伝子として知られるp53は、ZEBやSnailのタンパク質産生を阻害する特定のマイクロRNA（miR-200やmiR-34など）の発現を促すことで、EMTを抑制する働きを持ちます。
胚発生のごく初期段階では、受精卵が子宮に着床し胎盤を形成する過程でEMTが関与します。胎盤の適切な配置や子宮内膜への浸潤を可能にするため、栄養外胚葉細胞がEMTを起こし、胚への栄養供給やガス交換に必要な構造を構築します。その後の原腸陥入では、EMTによって細胞が胚の特定の領域へ移動し、将来の組織の元となる細胞層を形成します。この過程では、細胞のE-カドヘリン発現がTwistやSnailによって転写レベルで、または他のメカニズムで抑制されます。原条由来の間葉系細胞は、その後METを起こして脊索などの上皮性の器官形成に関与します。高等脊椎動物では、原条由来でない間葉系細胞もEMTやMETを介して体節からの移動や心臓の元となる中胚葉の形成に寄与します。
脊椎動物の組織は基本的に上皮と間葉という二つの形態をとります。胚発生において、高い移動能力を持つ神経堤細胞は、神経外胚葉という上皮組織からのEMTによって生み出されます。これらの細胞は神経ヒダから離れて胚全体に広がり、多様な細胞種へと分化していきます。頭部や顔面の結合組織を形成する頭蓋顔面堤系間葉細胞も、神経管上皮からのEMTに由来します。また、神経管を取り囲む脊椎を形成する線維芽細胞や骨芽細胞も、体節由来の間葉細胞がEMTによって生じ、細胞外マトリックス中で機能します。
創傷治癒の過程でもEMTが重要な役割を果たします。傷が閉じていく際、創傷部位周辺の上皮細胞（ケラチノサイト）がEMTを起こし、傷口を覆うように移動します。移動後にはMETを起こして再び上皮構造を再構築します。この過程におけるSnail2の発現は創傷治癒に影響を与え、その過剰発現は治癒を促進することが示されています。同様に、女性の月経周期において、排卵後の卵巣表面の傷が治る際にも上皮細胞がEMTを起こしています。
がんが他の臓器に広がる転移は、がん細胞が最初に原発腫瘍から抜け出し、周囲の組織に入り込む浸潤という段階から始まります。この浸潤を駆動するのがEMTであると考えられています。原発腫瘍でEMTを起こしたがん細胞は、E-カドヘリンの減少などによって細胞間の接着を失い、運動性と浸潤能を高めます。これにより、がん細胞は血管やリンパ管に入り込み、全身の血流に乗って移動します。血流に乗った循環腫瘍細胞（CTC）が標的臓器で血管から抜け出し、そこで増殖して微小転移巣を形成する際には、EMTとは逆のMETを起こして増殖能を高めることが知られています。このように、EMTとMETはがんの浸潤・転移という一連の過程の開始と終了にそれぞれ関与しています。
EMTはまた、がん細胞に様々な抵抗性を付与します。例えば、がん遺伝子によって引き起こされる細胞の老化（成熟前老化）に対する抵抗性を与えることが示されています。ZEB1やTwist1、Twist2といったEMT誘導因子は、ヒトやマウスの細胞の老化を防ぐ機能を持っています。TGF-βも、がんが進行した段階で浸潤能力を高めるだけでなく、免疫系からの監視を回避する能力をがん細胞に与えます。活性型Rasを発現する上皮細胞にTGF-βが作用するとEMTが誘導され、同時に細胞死（アポトーシス）が阻害されます。さらに、EMTは薬剤耐性とも深く関連しています。EMTマーカーを持つ卵巣がん細胞はパクリタキセルという抗がん剤に抵抗性を示すことが知られています。Snailはp53が誘導するアポトーシスを阻害することで、パクリタキセル、アドリアマイシン、放射線治療といった多様な治療法への抵抗性を引き起こします。炎症はがん化や線維化と関連しますが、近年、炎症が誘導するEMTを介してがんが進行することが示されています。つまり、EMTは単に細胞を移動可能な状態に変えるだけでなく、免疫抑制、薬剤耐性、アポトーシス回避、さらには生体と腫瘍との間の異常な相互作用を引き起こす多機能を持つことが明らかになってきています。
最近の研究では、EMTを起こしたがん細胞が、幹細胞に似た機能（幹細胞様機能）を獲得し、がんの再発や治療抵抗性の原因となるがん幹細胞を生み出す可能性が示唆されています。ヒト上皮細胞にRasを活性化させると、EMT誘導に伴いCD44high/CD24lowという幹細胞マーカーを示す細胞集団が増加します。これは、がん幹細胞で特徴的に見られる変化です。ZEB1も細胞に幹細胞様機能を付与する能力があり、EMTと幹細胞性の関連性をさらに強めています。EMTによって細胞が獲得するこの幹細胞様機能は、浸潤・転移能力の増強に加え、腫瘍を形成し増殖する能力を高めるため、患者の予後に悪影響を及ぼします。
がん幹細胞の発生と同様に、EMTの概念は再生医療の分野、特に膵臓のランゲルハンス島からインスリンを分泌する細胞（β細胞）を補充する試みにも関連しています。ヒトのランゲルハンス島細胞から内分泌前駆細胞（hIPCs）を生み出す過程にEMTが関わることが証明されています。当初、hIPCsはインスリン遺伝子のプロモーター領域に特徴的なエピジェネティック修飾を受け継いでいる点で有望視されましたが、体外での実験で、標識されたβ細胞が間葉様の性質に変化（脱分化）するものの増殖しないという報告があり、議論を呼びました。これは細胞系譜解析が行われていない実験に基づいていたため、不可逆的に標識されたマウスβ細胞での知見がヒト細胞にも当てはまるか疑問視されました。しかし、遺伝子細胞系譜解析を用いたその後の研究により、成人ヒトβ細胞が体外培養下でEMTを起こして増殖すること、さらに胎児のインスリン産生細胞でも同様の現象が起きることが確認されました。また、ランゲルハンス島由来の間葉系細胞がMETを起こすことで膵島様の細胞集団を形成できることも判明しました。
これらの知見は、インスリン産生細胞由来の前駆細胞がEMTを介して生み出されうるという概念を支持し、糖尿病患者への細胞補充療法に新たな道を開く可能性があります。また、がん細胞におけるEMTががん幹細胞を生み出すという理解は、EMTを標的とした新たな分子標的薬の開発や、がんの治療戦略にも繋がる重要な示唆を与えています。
この変化は、個体の発生において中心的な役割を果たします。初期の胚形成段階での組織や器官の構築、例えば原腸陥入や神経堤の形成、心臓弁や口蓋、筋肉といった多様な構造の発達には、EMTとその逆の過程である間葉上皮転換（MET）が不可欠です。胎生期だけでなく、生後の創傷治癒や組織が硬くなる線維化といった現象、さらにはがん細胞が周囲の組織に入り込み、遠隔の臓器へと広がる（浸潤・転移）といった病的な状況にもEMTの関与が確認されています。
上皮細胞と間葉系細胞は、その機能に応じて形態も異なります。上皮細胞は密着結合や接着結合などの細胞間接着構造を介して互いに密に繋がり、特定の方向に極性を保ち、基底膜によって固定されています。一方、間葉系細胞は通常、紡錘形をしており、細胞間の接着は限定的で、細胞全体の極性も失われています。分子レベルでも顕著な違いが見られ、上皮細胞で高く発現するE-カドヘリンに対し、間葉系細胞ではN-カドヘリンやビメンチン、フィブロネクチンなどの分子が多く見られます。EMTは、これらの形態的・分子的な性質を劇的に変化させます。
EMTは、その生物学的背景から主に三つのタイプに分類されます。
タイプI: 主に胚の成長や発育に関わるEMT
タイプII: 組織の線維化や創傷治癒といった組織修復過程に関わるEMT
* タイプIII: がん細胞の浸潤や転移といった悪性化に関わるEMT
上皮間葉転換を誘導する因子とシグナル
EMTの開始において極めて重要なのは、上皮細胞に特徴的な細胞接着分子であるE-カドヘリンの発現が低下または消失することです。E-カドヘリンの発現を抑える多くの転写因子は、EMT誘導転写因子（EMT-TF）と呼ばれます。SNAI1（Snail）、SNAI2（Slug）、ZEB1、ZEB2といった因子は、E-カドヘリン遺伝子のプロモーター領域に直接結合してその転写を抑制します。TwistやGoosecoidなどの因子は間接的にE-カドヘリンの発現を制御します。これらのEMT-TFは、E-カドヘリンだけでなく、クローディンや接着斑構成因子といった他の細胞接着関連タンパク質の転写も抑制し、EMTを促進します。一方で、GRHL2やELF3、ELF5といった転写因子はEMTの過程で減少し、これらの因子が過剰に存在すると間葉上皮転換が誘導されることが知られています。がんの進行におけるEMTは、正常な組織発達のプログラムを模倣する側面があるため、多くのEMT誘導転写因子はがんの浸潤・転移を促進する因子として機能します。
多様なシグナル伝達経路や細胞外環境からの刺激もEMTを誘導します。例えば、TGF-β、FGF、EGF、HGF、Wnt/β-カテニン、Notchといったシグナル経路や、酸素が不足した状態（低酸素）がEMTの引き金となります。特に、RAS/MAPKシグナル経路はSnailやSlugといった主要なEMT-TFを活性化することが示されています。Slugはデスモソームの分解や細胞接着の部分的な解離といったEMTの初期段階を誘導する一方、Snailは細胞運動の獲得や上皮性マーカー（サイトケラチン）の抑制、間葉性マーカー（ビメンチン）の発現誘導といったより進行した段階にも関与します。SnailやSlugは、細胞接着に関わる重要な転写因子であるp63のアイソフォームの発現も制御しており、p63アイソフォームの発現異常は細胞接着の低下やがん細胞の浸潤能亢進に繋がります。p63自体はEMTを抑制する方向に働き、その減少は上皮がんの進行に重要と考えられています。近年、PI3キナーゼ/AKTシグナル経路がEMTにおいて中心的な役割を担う可能性が注目されています。その他、ヘッジホッグシグナル経路やNF-κB、ATF2などもEMTに関連することが示唆されています。
Wntシグナル経路は、胚発生における原腸陥入や心臓弁の形成、そしてがんにおけるEMTを制御する主要な経路の一つです。肺がん細胞においてWntシグナルを活性化させると、EMTを誘導するSnailの発現が上昇し、間葉系マーカーであるビメンチンが増加します。Wnt/β-カテニン経路の活性化は、肺がん患者の予後不良と関連することも臨床的に示されています。同様に、TGF-βシグナルは心臓弁や口蓋の形成、そしてがんでSnailやZEBといったEMT-TFの発現を誘導します。肺がんが骨に転移した場合、TGF-βシグナルが活性化され、さらなる転移形成に寄与することが分かっています。一方、がん抑制遺伝子として知られるp53は、ZEBやSnailのタンパク質産生を阻害する特定のマイクロRNA（miR-200やmiR-34など）の発現を促すことで、EMTを抑制する働きを持ちます。
発生と創傷治癒における上皮間葉転換
胚発生のごく初期段階では、受精卵が子宮に着床し胎盤を形成する過程でEMTが関与します。胎盤の適切な配置や子宮内膜への浸潤を可能にするため、栄養外胚葉細胞がEMTを起こし、胚への栄養供給やガス交換に必要な構造を構築します。その後の原腸陥入では、EMTによって細胞が胚の特定の領域へ移動し、将来の組織の元となる細胞層を形成します。この過程では、細胞のE-カドヘリン発現がTwistやSnailによって転写レベルで、または他のメカニズムで抑制されます。原条由来の間葉系細胞は、その後METを起こして脊索などの上皮性の器官形成に関与します。高等脊椎動物では、原条由来でない間葉系細胞もEMTやMETを介して体節からの移動や心臓の元となる中胚葉の形成に寄与します。
脊椎動物の組織は基本的に上皮と間葉という二つの形態をとります。胚発生において、高い移動能力を持つ神経堤細胞は、神経外胚葉という上皮組織からのEMTによって生み出されます。これらの細胞は神経ヒダから離れて胚全体に広がり、多様な細胞種へと分化していきます。頭部や顔面の結合組織を形成する頭蓋顔面堤系間葉細胞も、神経管上皮からのEMTに由来します。また、神経管を取り囲む脊椎を形成する線維芽細胞や骨芽細胞も、体節由来の間葉細胞がEMTによって生じ、細胞外マトリックス中で機能します。
創傷治癒の過程でもEMTが重要な役割を果たします。傷が閉じていく際、創傷部位周辺の上皮細胞（ケラチノサイト）がEMTを起こし、傷口を覆うように移動します。移動後にはMETを起こして再び上皮構造を再構築します。この過程におけるSnail2の発現は創傷治癒に影響を与え、その過剰発現は治癒を促進することが示されています。同様に、女性の月経周期において、排卵後の卵巣表面の傷が治る際にも上皮細胞がEMTを起こしています。
がんの浸潤・転移における上皮間葉転換
がんが他の臓器に広がる転移は、がん細胞が最初に原発腫瘍から抜け出し、周囲の組織に入り込む浸潤という段階から始まります。この浸潤を駆動するのがEMTであると考えられています。原発腫瘍でEMTを起こしたがん細胞は、E-カドヘリンの減少などによって細胞間の接着を失い、運動性と浸潤能を高めます。これにより、がん細胞は血管やリンパ管に入り込み、全身の血流に乗って移動します。血流に乗った循環腫瘍細胞（CTC）が標的臓器で血管から抜け出し、そこで増殖して微小転移巣を形成する際には、EMTとは逆のMETを起こして増殖能を高めることが知られています。このように、EMTとMETはがんの浸潤・転移という一連の過程の開始と終了にそれぞれ関与しています。
EMTはまた、がん細胞に様々な抵抗性を付与します。例えば、がん遺伝子によって引き起こされる細胞の老化（成熟前老化）に対する抵抗性を与えることが示されています。ZEB1やTwist1、Twist2といったEMT誘導因子は、ヒトやマウスの細胞の老化を防ぐ機能を持っています。TGF-βも、がんが進行した段階で浸潤能力を高めるだけでなく、免疫系からの監視を回避する能力をがん細胞に与えます。活性型Rasを発現する上皮細胞にTGF-βが作用するとEMTが誘導され、同時に細胞死（アポトーシス）が阻害されます。さらに、EMTは薬剤耐性とも深く関連しています。EMTマーカーを持つ卵巣がん細胞はパクリタキセルという抗がん剤に抵抗性を示すことが知られています。Snailはp53が誘導するアポトーシスを阻害することで、パクリタキセル、アドリアマイシン、放射線治療といった多様な治療法への抵抗性を引き起こします。炎症はがん化や線維化と関連しますが、近年、炎症が誘導するEMTを介してがんが進行することが示されています。つまり、EMTは単に細胞を移動可能な状態に変えるだけでなく、免疫抑制、薬剤耐性、アポトーシス回避、さらには生体と腫瘍との間の異常な相互作用を引き起こす多機能を持つことが明らかになってきています。
最近の研究では、EMTを起こしたがん細胞が、幹細胞に似た機能（幹細胞様機能）を獲得し、がんの再発や治療抵抗性の原因となるがん幹細胞を生み出す可能性が示唆されています。ヒト上皮細胞にRasを活性化させると、EMT誘導に伴いCD44high/CD24lowという幹細胞マーカーを示す細胞集団が増加します。これは、がん幹細胞で特徴的に見られる変化です。ZEB1も細胞に幹細胞様機能を付与する能力があり、EMTと幹細胞性の関連性をさらに強めています。EMTによって細胞が獲得するこの幹細胞様機能は、浸潤・転移能力の増強に加え、腫瘍を形成し増殖する能力を高めるため、患者の予後に悪影響を及ぼします。
膵島細胞からの内分泌前駆細胞生成における応用可能性
がん幹細胞の発生と同様に、EMTの概念は再生医療の分野、特に膵臓のランゲルハンス島からインスリンを分泌する細胞（β細胞）を補充する試みにも関連しています。ヒトのランゲルハンス島細胞から内分泌前駆細胞（hIPCs）を生み出す過程にEMTが関わることが証明されています。当初、hIPCsはインスリン遺伝子のプロモーター領域に特徴的なエピジェネティック修飾を受け継いでいる点で有望視されましたが、体外での実験で、標識されたβ細胞が間葉様の性質に変化（脱分化）するものの増殖しないという報告があり、議論を呼びました。これは細胞系譜解析が行われていない実験に基づいていたため、不可逆的に標識されたマウスβ細胞での知見がヒト細胞にも当てはまるか疑問視されました。しかし、遺伝子細胞系譜解析を用いたその後の研究により、成人ヒトβ細胞が体外培養下でEMTを起こして増殖すること、さらに胎児のインスリン産生細胞でも同様の現象が起きることが確認されました。また、ランゲルハンス島由来の間葉系細胞がMETを起こすことで膵島様の細胞集団を形成できることも判明しました。
これらの知見は、インスリン産生細胞由来の前駆細胞がEMTを介して生み出されうるという概念を支持し、糖尿病患者への細胞補充療法に新たな道を開く可能性があります。また、がん細胞におけるEMTががん幹細胞を生み出すという理解は、EMTを標的とした新たな分子標的薬の開発や、がんの治療戦略にも繋がる重要な示唆を与えています。
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