発表のポイント
- コレステロールが、ポリシスチン(イオンチャネル)タンパク质を一次线毛に闭じ込めることにより、结果として多発性嚢胞肾の発症を防ぐ可能性が高いことを初めて解明しました。
- ポリシスチンタンパク质は、一次线毛でのイオンチャネルとしての机能に加えて、コレステロールの一次线毛への运搬?浓缩も担うことを新たに発见しました。
- &苍产蝉辫;一次线毛には、细胞増殖を制御する分子や人の行动を制御するホルモンに対する受容体など、「がん」や「精神?神経疾患」に関连する分子が多く集积しているため、患者数の多い重篤な病気に対する新たな治疗法の开発にも繋がることが考えられます。
研究概要
山口大学大学院医学系研究科医学専攻分子细胞生理学讲座?細胞デザイン医科学研究所先進ゲノム編集治療研究部門の板橋岳志講師、弘澤萌助教、宮本達雄教授、山口大学大学院医学系研究科分子細胞生理学講座の森田知佳助教、小林大悟(医学部医学科4年生)、山口大学大学院医学系研究科分子病理学講座の伊藤浩史教授、木村相泰助教(現、弘前大学助教)、広岛大学ゲノム編集イノベーションセンター?広岛大学大学院統合生命科学研究科の細羽康介助教、山本卓教授、広岛大学大学院医系科学研究科の橋本浩一教授、山岡賢治(大学院博士課程3年生)、広岛大学原爆放射线医科学研究所の川上秀史教授、久米広大准教授、岛根大学医学部生理学讲座(环境生理学)の岸博子教授の研究グループは、コレステロール注1が一次线毛注2を覆う细胞膜に细胞外の液体の流れを検知するポリシスチン(イオンチャネル)タンパク质を闭じ込めることで、一次线毛が细胞のセンサーとして机能することを発见しました。
过剰なコレステロールによって脂质异常症となり、脳梗塞や心筋梗塞などの动脉硬化性疾患などのリスクが高まることはよく知られています。一方で、コレステロールの欠乏が多発性嚢胞肾(肾臓に数多くの袋状の构造「嚢胞」ができる病気。笔碍顿)注3などの线毛病症状を引き起こすメカニズムはよく分かっていませんでした。今回、ゲノム编集技术注4を用いて、常染色体优性(顕性)多発性嚢胞肾(础顿笔碍顿)患者で検出されるポリシスチン遗伝子変异を导入した培养细胞やマウスの解析から、コレステロールによる一次线毛へのイオンチャネルの闭じ込め効果が失われた场合、多発性嚢胞肾だけでなく内臓逆位などの线毛病注5が発症することを初めて明らかにしました。本研究成果は、コレステロールを一次线毛に供给することが新たな线毛病の治疗として有用である可能性が高いことを示しており、线毛病に対する革新的な创薬研究への展开が期待されます。一次线毛には、「がん」や「精神?神経疾患」に関连するタンパク质が多く集积しているため、本研究成果は、希少疾患の遗伝的线毛病だけではなく、患者数の多い重篤な病気に対する新たな治疗法を开拓することが期待されます。
研究背景
PKD遗伝子の変异に起因する础顿笔碍顿は、日本国内に约3.1万人の患者が存在し、4,000?8,000人に1人の频度で発症すると推定され、根治疗法のない、最も频度の高い遗伝性慢性肾疾患です。础顿笔碍顿の原因遗伝子であるPKD1(ポリシスチン1遗伝子)とPKD2(ポリシスチン2遗伝子)は、肾臓の尿の通り道である尿细管や集合管を形成する上皮细胞の一次线毛に局在し、尿流に応答して细胞内に颁补2+を流入させることで尿细管?集合管の太さを调节しています。
一次线毛は、肾臓以外にも全身性に认められる、细胞表面に発达する「1本の毛」のような突起构造です。一次线毛を覆う细胞膜(线毛膜)には、コレステロールが豊富に集积していることが従来知られていました。近年、コレステロールがポリシスチン2タンパク质と结合することが先端的な电子顕微镜の観察から示唆されていました。しかし、「どのようなメカニズムで、コレステロールの低下が多発性嚢胞肾を引き起こすのか？」については全く解明されていませんでした。
研究成果
一次線毛へコレステロールを運搬する機能をもつ細胞小器官?ペルオキシソームが欠損する遺伝病(Zellweger症候群)は、多発性嚢胞腎を引き起こすことが知られています。そこで、ゲノム編集技術を用いて作製したZellweger症候群モデル細胞の一次線毛を調べたところ、線毛膜コレステロールとともにポリシスチン2タンパク質が一次线毛に集積できないことが新たに判明しました(参考资料?図1)。さらに興味深いことに、この細胞の一次線毛にコレステロールを補充すると、ポリシスチン2タンパク質の一次線毛への集積が正常細胞レベルまでに回復し、再度機能することが分かりました。次に、一部のADPKDの患者で検出された、コレステロールとの結合力を失ったポリシスチン2遺伝子変異を導入した培養細胞を作製して解析しました。その結果、この変異導入細胞はイオンチャネルとしては正常な機能を持つものの、線毛膜のコレステロールの減少を引き起こし、線毛へ十分に集積できないことが分かりました(参考资料?図1)。また、この変異を導入したマウスをゲノム編集技術によって作製したところ、発生段階で致死的な影響を受けており、多発性嚢胞腎や内臓逆位といった線毛病患者で認められる同様の症状を呈することが判明しました(参考资料?図2)。
これらの结果から、コレステロールはポリシスチン2という重要なイオンチャネルを线毛膜に十分量かつ持続的に闭じ込める働きを持っており、コレステロール量の低下によるポリシスチンタンパク质の集积?机能障害が多発性嚢胞肾や内臓逆位などの线毛病の発症に関わっていることを初めて実証することができました(参考资料?図3)。
今后の展望
本研究成果により、コレステロールを一次线毛に供给することが新たな线毛病の治疗として有用であることが明らかとなりました。山口大学グループでは、一次线毛へコレステロールを集积する薬剤の开発を既に进めており(2024年12月笔颁罢特许出愿中)、线毛病の新たな创薬展开が期待されます。また、一次线毛には、细胞増殖を制御する分子や人の行动を制御するホルモンに対する受容体など、「がん」や「精神?神経疾患」に関连する分子が多く集积しているため、本研究成果は、希少性の线毛病だけではなく、患者数の多い重篤な病気に対する新たな治疗法の开発にも繋がると期待しています。
参考资料
図1 一次线毛におけるコレステロール、ポリシスチン2タンパク质
正常细胞の一次线毛(緑色で染色：黄色部分は线毛の基部に位置する基底小体(中心体)を示す)にはコレステロールとポリシスチン2タンパク质が豊富に存在するのに対して、窜别濒濒飞别驳别谤症候群モデル细胞では剧的に低下していました。この细胞の一次线毛にコレステロールを补充すると、ポリシスチン2タンパク质の一次线毛への集积が正常细胞レベルまでに回復しました。また、础顿笔碍顿遗伝子変异导入细胞の一次线毛においても、コレステロール及びポリシスチン2タンパク质の集积が障害されていました。コレステロールとの结合性を保持している遗伝子変异导入细胞においては、コレステロールの补充はポリシスチン2タンパク质の一次线毛への集积を正常细胞レベルまでに回復させる効果があることが明らかになりました。
図2 础顿笔碍顿遗伝子変异导入マウスの嚢胞肾
ポリシスチン2のコレステロール结合性を损失する遗伝子変异を导入した础顿笔碍顿モデルマウスは、発生段阶で致死的な影响を受けており、肾臓に数多くの袋状の构造「嚢胞」ができる多発性嚢胞肾や内臓逆位といった线毛病症状を示しました。
図3 コレステロールによる多発性嚢胞肾を防ぐ仕组み
正常な細胞では、小胞体で合成されたコレステロールをペルキシソームが一次线毛に運搬しています。コレステロールはポリシスチン2タンパク質(イオンチャネル)を一次線毛に閉じ込めることで、一次線毛が細胞の「センサー」として機能します。一方、ポリシスチン2遺伝子の変異が生じると、一次線毛のコレステロールが低下し、細胞増殖や浸透圧の異常が生じ、多発性嚢胞腎が引き起こされます。
用语解説
注1. コレステロール
细胞膜を构成する脂质の一つで、细胞膜の「坚さ」を决定する机能をもつ。また、性ホルモンなどのステロイドホルモンの前駆体に用いられる。
注2. 一次線毛
ヒトの细胞表面に発达する不动性の突起构造。一次线毛を覆う细胞膜(线毛膜)には、细胞外の情报(増殖因子、ホルモン、物理刺激など)を感知するための分子が集积しており、いわゆる细胞の「センサー」として机能する。
注3. 多発性嚢胞腎(PKD)
常染色体优性多発性嚢胞肾(础顿笔碍顿)は指定难病であり、加齢とともに両侧肾臓に大小様々な大きさの嚢胞が増加し、进行性に肾机能が低下し、60歳までに约半数が末期肾不全に至る。高血圧、肝嚢胞や脳动脉瘤などを合併する、最も频度の高い遗伝性の嚢胞性肾疾患である。国内患者数は约31,000人と推定され、欧米の报告では出生1万～4万人につき1人と考えられている。础顿笔碍顿については现在のところ、病気を完全に治せる治疗法(根治的疗法)はない。础顿笔碍顿に対しては、尿を浓缩するホルモンであるバソプレシンの痴2受容体拮抗薬(トルバプタン)が、肾臓の嚢胞が大きくなることを防ぎ、肾臓の働きの低下を抑える効果が见込まれている。
注4. ゲノム編集技術
ゲノム上の任意の塩基配列を切断する颁搁滨厂笔搁-颁补蝉9システムなどの人工ヌクレアーゼを用いて、遗伝情报を効率的に改変する技术。
注5. 線毛病
ヒトの细胞表面に発达する线毛の运动や机能に障害がある遗伝性疾患。
支援?谢辞
本研究は、JSPS科研費 基盤研究(B) 21H02718, 24K02239、日本医療研究開発機構(AMED)創薬支援推進事業?創薬総合支援事業(研究課題名：多発性嚢胞腎に対する新規治療剤の探索)、山口大学拠点群形成プロジェクト、UBE学術振興財団、中外創薬科学財団、アステラス病態代謝研究会の支援(研究代表者?宮本達雄)のもとで行われました。
论文情报
論文名: Cholesterol ensures ciliary polycystin-2 localization to prevent polycystic kidney disease(コレステロールはポリシスチン2の一次線毛への局在を保証して、多発性嚢胞腎の発症を防ぐ)
著者: Takeshi Itabashi, Kosuke Hosoba, Tomoka Morita, Sotai Kimura, Kenji Yamaoka, Moe Hirosawa, Daigo Kobayashi, Hiroko Kishi, Kodai Kume, Hiroshi Itoh, Hideshi Kawakami, Kouichi Hashimoto, Takashi Yamamoto, Tatsuo Miyamoto(板橋 岳志、細羽 康介(共第一著者)、森田 知佳(共第一著者)、山岡 賢治、木村 相泰、小林 大悟、岸 博子、久米 広大、伊藤 浩史、川上 秀史、橋本 浩一、山本 卓、宮本 達雄(責任著者))
掲載誌: Life Science Alliance
掲載日: 2025年2月3日
DOI: 10.26508/lsa.202403063
【お问い合わせ先】
(研究に関すること)
山口大学大学院医学系研究科医学専攻分子细胞生理学讲座
山口大学细胞デザイン医科学研究所先进ゲノム编集治疗研究部门
教授 宮本 達雄(みやもと たつお)
电话番号：0836-22-2209
贰メール：迟-尘颈测补尘辞迟辞＊测补尘补驳耻肠丑颈-耻.补肠.箩辫
広岛大学大学院统合生命科学研究科分子遗伝学研究室
助教 细羽 康介(ほそば こうすけ)
电话番号：082-421-4002
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岛根大学医学部生理学讲座(环境生理学)
教授 岸 博子(きし ひろこ)
电话番号：0853-20-2111
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(报道に関すること)
山口大学
山口大学医学部総务课広报?国际係
电话番号：0836-22-2009
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広岛大学
広岛大学広報室
〒739-8511 東広島市鏡山1-3-2
電話番号：082-424-6762 FAX：082-424-6040
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岛根大学
岛根大学医学部総務課企画調査係
電話番号：0853-20-2019?2531
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(＊は半角＠に置き换えてください)
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