Jpn. J. Health Phys., 47 (2)，118 〜 123 (2012)

解 説

放射線発がんの主経路は染色体異数化を起源とする
渡邉

正己*1

（2012 年 2 月 7 日受理）（2012 年 5 月 16 日再受理）

Origin of Radiation Carcinogenesis is Chromosome Aneuploidy
Masami Watanabe*1
It has been believed that the first target of radiation carcinogenesis is DNA. However, this is not proved for radiation
carcinogenesis yet. We discovered that frequency of aneuploid cell was closely related to that of radiation-induced celltransformation and natural cell transformation by high-density cultivation, but gene mutation was not. Cell with p53 gene
becomes tetraploid, but does not get tumorigenicity. On the other hand, cells without p53 gene function become a triploid
easily, and acquire tumorigenicity. Both radiation exposure and high-density cultivation elevated the level of intracellularoxidative radicals. These radicals induced centrosome destabilization and produced cells carrying extra centrosome, which
promote merotelic attachment of chromosome by altering spindle geometry. Unresolved merotelic attachments can give riseto lagging chromosomes at anaphase. Aneuploidy was seen in high frequency in early process of cell transformation. Theseresults strongly suggest that a main target of carcinogenesis by low dose radiation is not DNA, but is centrosome, which are
the proteins to constitute chromosomal homeostasis maintenance mechanism. In addition, this route may be the same as thatof natural carcinogenesis. These serial results support necessity of a review of a LNT hypothesis at a radioprotective point ofview.
KEY WORDS: rediation carcinogenesis, mutation, non-targeted effects, genetical instability, long-lived radical, mitochondria,
aneuploidy, centrosome.

Iはじめに関連遺伝子が同時に変化するのだろうか？

一方，ヒトゲノム解析プロジェクトの結果，ヒトの全遺伝子数は，放射線による細胞がん化の第一標的が DNA であるこ

意外に少なくおよそ 25,000 遺伝子であることがわかっとを示す証拠は多い。例えば，網膜芽細胞腫（RB）やた。そのうち，約 10% にあたるおよそ 2,500 遺伝子が家族性大腸ポリポーシス（FAP）などは，原因遺伝子が細胞増殖や血管新生など何らかの意味でがん形質に関係特定されており，その遺伝子の突然変異が発がんの直接する遺伝子であると予想されている。そして，一般的な原因であることが明確である。しかし，それらの患者の遺伝子の放射線誘導突然変異率は，およそ 10–5/Gy 程度

がん発症は 10 万人に数名程度と極めて稀な事象である。

であることを考えると，細胞がん化（3 × 10–2/Gy）が起ところが，ヒトは，その半数ががんになる。この事実は，きるためには，2,500 の関連遺伝子のすべてが同時に突

ヒトのがんの多くがとても単独の遺伝子変異で生じてい然変異を起こさねばならないことになる。しかし，これるとは考えられないことを示唆する。一度に多くのがんまで，そうしたことが起きていることを示唆する結果はない。これらのことからも放射線発がんは，突然変異を*1 京都大学放射線生物研究センター；京都市左京区吉田近衛町（〒 606–8501）
Radiation Biology Center, Kyoto University; Yoshidakonoe-cho,
Sakyo-ku, Kyoto 606–8501, Japan.
E-mail: msm@orange.plala.or.jp

経る経路以外に発現頻度が極めて高い経路が存在すると考えるのが極めて自然である。ここでは，突然変異を経由しない発がん経路について解説する。

Origin of Radiation Carcinogenesis is Chromosome Aneuploidy

II

突然変異を経由しない発がん経路

119をがん化することはできていない。しかし，私達の二人に一人はがんに罹患する。このことは，他の動物細胞にそれでは，突然変異を経由しない発がん経路とはどう比べて，ヒト細胞は無限増殖能を獲得（不死化）するたいったものであろうか？最近，発がん標的が DNA でなめに必要な変化が極めて起こりにくいことを示していい可能性が指摘されるようになってきた。例えば，マイる。

クロビームで細胞一個の単位で照射を制御できる技術を細胞の試験管内寿命を決定する一つの仕組みとして，使った研究で，被ばくした細胞自身でなく被ばくしてい染色体末端に存在するテロメアの役割が良く知られていない細胞ががん化する，あるいは細胞質のみへの被ばる。ほ乳類のテロメアは TTAGGG の 6 塩基の単純繰りくで細胞ががん化する現象があることが見つかってい返し構造で染色体の末端に存在し，DNA 複製毎に少しる。いわゆる「バイスタンダー効果」である。また，ずつ短縮し，ある一定の長さを切ると遺伝情報をコード

被ばく後，生存した細胞が数十回分裂を繰り返して生まする遺伝子部分が機能しなくなり細胞は老化し死亡する

れた子孫細胞ががん化することも知られている。この現とされている。無限増殖能を持つ幹細胞やがん細胞は，

象は「遺伝的不安定性」と呼ばれる。どちらの現象も，短くなったテロメアを元に戻す合成酵素テロメレースががん化する細胞の DNA が直接被ばくすることは不要で機能している。したがって，テロメレース活性を復活さある。すなわち，放射線の標的が DNA である必要がなせることで細胞を不死化できる。長い間，ヒト体細胞にく，放射線の生物影響の代表的ドグマであった（DNA）

は，何らかの理由でこのテロメレース活性がないと信じ標的説に対して「非標的説」と総称されている。DNAられてきたが，我々は，ヒト胎児由来細胞のテロメレーでなければ何が放射線発がんの標的であろうか？

ス活性を調べたところ，ビトロで培養を開始した時点で

1~3)

III

放射線発がんの起源は染色体異数化は，他の動物由来体細胞と同様に強いテロメレース活性を持っていることを発見した（第 1 図）8)。しかし，培我々のこれまで 40 年近い研究成果は，放射線を照射養を開始し数回の細胞分裂のうちに劇的にテロメレースして実験的にがん化させた細胞において，最初に見られ活性を失う。マウスやハムスターおよびラット由来細胞る変化が染色体の異数化であることを明確に示していは，継代が進むと一時的にテロメレース活性の低下を起る 4, 5)。多くのがん細胞で観測される染色体構造異常は，こすが，再び活性を取り戻し不死化しがん化の道を辿るがん化の初期にはほとんど観測されない。この現象は，ことができる 8, 9)。この性質の違いがヒト細胞をビトロマウス，ハムスターおよびラット胎児由来細胞に共通しでがん化させることができない最大の原因であると考えた現象である。さらに驚くことに，こうした染色体異数られる。なぜならば，正常ヒト細胞をがん化するために化は，放射線などの発がん要因で処理されたときに留ま

テロメレース活性を一義的に制御しているテロメレース

らず，培養時に高い密度を経験させるなど，培養条件を触媒サブユニット（TERT）遺伝子の活性化が極めて有変えることで容易に生じ，その変化が細胞の無限増殖能効であることが知られているからである。テロメレースの獲得とがん化に繋がることが判った。

活性は幹細胞から前駆細胞にかけて特異的に発現されてIVヒト細胞はなぜがん化しないのか？

いることも良く知られており，我々の発見は，がん化が分化の制御異常から容易に生ずることを意味している。

一方，ヒト由来細胞をがん化させることは極めて難し

そして，細胞の分裂回数を考えるとヒト細胞集団はテく，私の研究歴に等しい 40 年以上も世界中でたくさんロメレース活性を一斉になくしていることとなり，こののがん研究者が繰り返し取り組んだにもかかわらず，成現象に潜む遺伝子発現シャットオフ機構は，がん化機構

功例は数例を数えるに過ぎないを考える上でも，分化を考える上でも極めて貴重な現象

6, 7)。そして，その成功例の追試に成功したという報告もない。けれども，ヒト胎児由来培養細胞も発がん処理をされると，他の実験動物の胎児由来細胞と同様に一連のがん化形質，すなわち，である。
V

染色体異数化の標的は何か？

細胞分裂寿命の延長，悪性形態変化，染色体異数化，基

さて，III 章では，がん化細胞に最初に普遍的に見ら質非依存性増殖能の獲得，遺伝的不安定性などを発現すれる変化が染色体の異数化であることを示した 4, 5)。そる。しかし，他の実験動物細胞と違ってヒト細胞は，容うであれば，発がんに関係する標的は，染色体異数化を易に無限増殖能を獲得できず，試験管内でヒト胎児細胞引き起こす細胞内構造であると推測できる。我々は，そ120

Masami Watanabe

第1図

様々な動物胎児由来初代培養細胞の培養に伴うテロメレース活性の変動の標的候補としてテロメア，サブテロメア，セントロメ

通常，中心体が増加した細胞が多極分裂を起こすと核ア，セントロゾーム（中心体）などに注目して検討した分裂がうまくゆかず細胞は死を迎える。その場合，二個が，得られた結果から中心体がその第一候補と考えていの娘細胞に受け渡されるべき染色体が，三個以上の細胞る。
放射線照射や高密度培養は，中心体数の増減など様々に分散されるので，全ての遺伝情報が個々の細胞に受けな異常を誘導する。勿論，こうした異常を持った細胞の継がれる可能性は極めて低いからであろう。しかし，増多くは細胞分裂がうまくゆかず死を迎えるであろう。しえた中心体が二極に集まって疑似二極分裂を起こすと，かし，我々の結果は，異常を持った細胞のうち，無視で複数の中心体が集合した極から複数の紡錘子が伸び動原きない多くの細胞が生き残ることを示している。その生体にメロテリック結合することがわかった。メロテリッ

き残りの過程で，染色体の異数化が起きていると予想さク結合部では，染色体分離時に力学的不均衡が生じ染色れる。その経路を第 2 図に示す。

体不均等分離が生ずる。そのため，染色体の取り残しが第2図

染色体異数化誘導経路

121

Origin of Radiation Carcinogenesis is Chromosome Aneuploidy

起きるが，引き続く細胞分裂時に一方の細胞に染色体が経路を辿る可能性が大きい。まず，放射線は細胞内ミト取り込まれることになる。染色体が異数化した細胞ではコンドリア機能を攪乱させ，電子伝達系を不調とするた遺伝子発現が大きく変化し，種々のがん形質を発現する

め，電子伝達系から電子が漏れだし細胞内酸化ラジカルようになる。現時点で，我々は，「中心体構造異常⇒染量を増加させる。我々は，このラジカルのうち発がんの色体異数化⇒細胞がん化」が，放射線発がんの主経路で主役は，常温で 20 時間以上の半減期を持つ長寿命ラジあると結論している。

カルであると考えている。この長寿命ラジカルは，細胞VI染色体異数化の標的は何か？

内高分子タンパクに存在するスルフイニル残基に生じたものであり，ビタミン C やエピガロカテキンなどで効染色体異数化はどのようにして細胞がん化を促進する

率よく捕捉される特徴を持つものである 11~13)。このことのであろうか？我々は，マウスやヒトの胎児由来細胞かは，放射線による生体影響が OH ラジカルや O2 ラジカ

ら三倍体細胞と四倍体細胞を分離し，それぞれの細胞にルなどの活性の高いラジカルであるとする既存の概念とおけるがん形質発現を調べたが，四倍体細胞は無限増殖根本的に異なる。活性の高いラジカルは，DMSO など能を獲得するものの，基質非依存性増殖能や造腫瘍性をのラジカルスキャベンジャーで捕捉されるが，活性ラジ獲得していないことが判った。一方，三倍体細胞では，カルの常温細胞内における半減期が 200 ナノ秒以下と短トリソミー化した染色体に限らず正常数のままである染いので，スキャベンジャー効果は，放射線照射中に処理色体にコードされた遺伝子でもその発現が異常になってされたときに限られる。しかし，我々の最近の研究成果いることが判った 。それに伴い，細胞増殖能が亢進し，では，放射線処理後，20 分を経た後からビタミン C を

DNA 損傷性が増し，かつ，基質非依存性増殖能や造腫処理しても細胞がん化を完璧に抑制できることがわかっ瘍性を獲得している。三倍体化が細胞がん化を誘導するた 14)。放射線照射終了 20 分後に細胞内に存在しビタミ仕組みはまだ明確ではないが，三倍体化が細胞がん化のン C で捕捉できるラジカル，すなわち長寿命ラジカル原因であることは強く示唆される。

が発がんの原因ラジカルであると考えられる。

10)

我々の成果を総合的に解釈すると，第 3 図下段に示す

第3図–

長寿命ラジカルは，細胞内の高分子をランダムに攻撃

放射線発がんの DNA 損傷起源説と非 DNA 損傷起源説

122

Masami Watanabe

するが，その標的の一つが中心体である。確かに，発ががんの標的が DNA であると考えて放射線防護の本質をんが誘導される放射線を被ばくした細胞や高密度培養さ理解することはできず，安全な放射線防護技術の確立はれた細胞では，中心体の増加が観察される。ミトコンドできない。いま望まれるのは，低線量放射線の生体影響

リアから漏れ出る電子が細胞内酸化ラジカルを生じ，細と自然発がんの仕組みの全容を明らかにし，科学的基盤

胞内高分子を損傷するという反応は，通常の生理活動にに立った放射線防護概念を再構築することである。

おいても日常茶飯事に生じていることであるが，細胞に参は，そうしたラジカルを捕捉し無毒化する機構が備わっ考文献ており，損傷生成と無毒化が絶妙にバランスをとってい

1) H. Zhou, G. Randers-Pehrson, C. A. Waldren, D. Vannais,

るものと思われる 。ヒトの細胞は，他の実験動物の細E. J. Hall and T. K. Hei; Induction of a bystander

胞に比べ細胞内酸化度を一定に保つ能力が格段に整って

mutagenic effect of alpha particles in mammalian cells,

いる。このことがヒトの細胞ががん化しにくい理由の一

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97 (5), 2099–2104 (2000).

つである可能性も大きい。放射線を被ばくした時は，そ2) S. G. Sawant, G. Randers-Pehrson, C. R. Geard, D. J.のバランスが一時的に壊れ発がん影響を顕在化させる。

Brenner and E. J. Hall; The bystander effect in radiation

すなわち，放射線防護で問題とされるレベルの低線量放

oncogenesis: I. Transformation in C3H 10T1/2 cells in

射線は，自然生理活動のバランスを壊す働きをしている

vitro can be initiated in the unirradiated neighbors ofに過ぎず，それ自体が発がんの原因損傷を作っているの

irradiated cells, Radiat. Res., 155 (3) 397–401 (2001).

ではないだろう。言い換えれば，低線量放射線による発3) S. A. Mitchell, G. Randers-Pehrson, D. J. Brenner and

がんは自然発がんを押し上げているに過ぎない。バラン

E. J. Hall; The bystander response in C3H 10T1/2 cells:

スを壊す要因は，放射のような外来要因に限らず，通常

the inﬂuence of cell-to- cell contact, Radiat. Res., 161 (4),の生理活動自身も含まれるであろう。したがって，発が397–401 (2004).

15)んは避けることのできない現象でありその頻度も桁外れ

4) K. Suzuki, N. Yasuda, F. Suzuki, O. Nikaido and M.に大きくなる。加えて，生ずる原因損傷は非 DNA 損傷

Watanabe; Trisomy of chromosome 9q: specific chromosomeである。したがって，青写真である DNA が正常に保たchange associated with tumorigenicity during the process of

れているので，中心体の機能異常で染色体の不均等分配

X-ray-induced neoplastic transformation in golden hamster

が一度生じたとしても，次の分裂時には，正常な中心体

embryo cells, Int. J. Cancer, 44 (6), 1057–1061 (1989).

によって正常な分裂が行われるであろう。
VII

おわりに我々の結果は，放射線発がんの経路には DNA 損傷を

5) M. Watanabe, K. Suzuki and S. Kodama; Karyotypicchanges with neoplastic conversion in morphologicallytransformed golden hamster embryo cells induced byX-rays, Cancer Res., 50 (3), 760–765 (1990).

起源とする経路以外に，DNA 損傷を起源としない経路

6) T. Kakunaga; Neoplastic transformation of human diploidが存在することを示している。そして，DNA 損傷を起

fibroblast cells by chemical carcinogens, Proc. Natl. Acad.

源としない経路が圧倒的主経路である。したがって，国Sci. USA, 75 (3), 1334–1338 (1978).

際放射線防護委員会が採用する「放射線発がんの原因

7) M. Namba, K. Nishitani, F. Hyodoh, F. Fukushima andは，DNA 損傷である」という大前提の上に成り立って

T. Kimoto; Neoplastic transformation of human diploidいる閾値無し直線モデル（LNT モデル）によって放射fibroblasts (KMST-6) by treatment with 60Co gamma

線の発がん危険度を推測することに科学的な妥当性はな

rays, Int. J. Cancer, 35 (2), 275–280 (1985).

くなった。また，放射線によって誘導される DNA 損傷8) Z. Yang, S. Kodama, K. Suzuki and M. Watanabe;を起源としない発がん経路で起きている現象は，自然発

Telomerase activity, telomere length, and chromosome

がん経路で起きている現象と区別することができない。

aberrations in the extension of life span of human embryo

自然発がんの頻度は，遺伝子の突然変異頻度に比べ，数cells induced by low-dose X-rays, J. Radiat. Res. (Tokyo),百倍〜千倍高いので，低線量域には，必然的に「生理学39 (1), 35–51 (1998).

的閾値」が存在すると考えるのが最も実際に近いといえ

9) S. Kodama, I. Mori, K. Roy, Z. Yang, K. Suzuki and M.

る。その意味で，放射線発がんリスクを推測するために，

Watanabe; Culture condition-dependent senescence-likeLNT モデルの利用は再考されるべきである。放射線発

growth arrest and immortalization in rodent embryo cells,

123

Origin of Radiation Carcinogenesis is Chromosome Aneuploidy

Radiat. Res., 155 (1 Pt 2): 254–262 (2001).

Chem., 49 (5), 547–551 (1997).

10) H. Nawata, G. Kashino, K. Tano, K. Daino, Y. Shimada,14) S. Koyama, S. Kodama, K. Suzuki, T. Matsumoto, T.

H. Kugoh, M. Oshimura and M. Watanabe; Dysregulation

Miyazaki and M. Watanabe; Radiation-induced long-of gene expression in the artificial human trisomy cells

lived radicals which cause mutation and transformation,of chromosome 8 associated with transformed cell

Mutat. Res., 421 (1), 45–54 (1998).

phenotypes, PLoS One, 6 (9), e25319 (2011).

15) H. Yoshii and M. Watanabe; Intervention of oxygen-11) J. Kumagai, K. Masui, Y. Itagaki, M. Shiotani, S.

control ability to radiation sensitivity, cell aging and cell

Kodama, M. Watanabe and T. Miyazaki; Long-livedtransformation, J. Radiat. Res. (Tokyo), 50 (2), 127–137

mutagenic radicals induced in mammalian cells by(2009).

ionizing radiation are mainly localized to proteins, Radiat.
Res., 160 (1), 95–102 (2003).
12) J. Kumagai, M. Nakama, T. Miyazaki, T. Ise, S. Kodama

渡邉正己（わたなべまさみ）

and M. Watanabe; Scavenging of long-lived radicals

昭和 48 年金沢大院薬学研究科修了。薬

by (-)-epigallocatechin-3-O-gallate and simultaneous

博。横浜市大医助教授，長崎大薬教授，

suppression of mutation in irradiated mammalian cells,

京都大原子炉実験所教授を経て平成 24

Radiat. Phys. Chem., 64, 293–297 (2002).

年 4 月より放射線生物研究センター特任13) T. Matsumoto, T. Miyazaki, Y. Kosugi, T. Kumada, S.

教授。京都大学名誉教授。現職 42 年間，

Koyama, S. Kodama and M. Watanabe; Reaction of

放射線発がん機構の研究に従事し「DNA 損傷を起源とlong-lived radicals and vitamin C in gamma-irradiated

しない細胞がん化経路」が発がんの圧倒的主経路である

mammalian cells and their model system at 259 K.とする新説を提言。

Tunneling reaction in biological system, Radiat. Phys.