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骨が産生するホルモン線維芽細胞増殖因子
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東京大学医学部附属病院腎臓・内分泌内科福 本 誠 二
はじめに
骨は，硬組織として生体の支持，運動の支柱， あるいは内臓の保護組織として機能することに加 え，造血組織を内包し，カルシウム(Ca)やリン の膨大な貯蔵庫としても作用するものと考えられ てきた．すなわち骨は，破骨細胞による骨吸収と 骨芽細胞による骨形成を繰り返す骨リモデリング により，自らの形態と量を外的環境に応じて変化 させる動的組織であり，骨リモデリングを調節す る副甲状腺ホルモンや性ホルモン，甲状腺ホルモ ンなどの標的臓器であると考えられてきた．一方， 近年の線維芽細胞増殖因子(fibroblast growth fac-tor: FGF)23 の同定，およびその後の研究の進展 により，骨はホルモンを産生する内分泌臓器とし ても作用し，ホルモン産生を介して自らの石灰化 を調節することが明らかにされてきた．以下本稿 では，FGF23 の作用とともに，FGF23 測定の臨 床的意義につき概説したい．1．FGF23 の構造と機能
FGF23 は，FGF ファミリー最後のメンバーと して同定された液性因子である1)～3)．FGF ファミ リーは，酸性 FGF(FGF1)や塩基性 FGF(FGF2) をプロトタイプとし，線維芽細胞の増殖活性を有 する因子と考えられてきた．その後各種の FGF フ ァ ミ リ ー メ ン バ ー が 同 定 さ れ た 結 果 ， 現 在 FGF23 ファミリーは，β-trefoil と呼ばれる 3 軸構 造を特徴とする，FGF 相同領域を有する蛋白と して定義されている．FGF23 遺伝子は 251 個の アミノ酸からなる蛋白をコードしている(図1)1)～3)． このうち N 端 24 個のアミノ酸はシグナルペプチ ドで，分泌される FGF23 蛋白は 227 個のアミノ 酸 か ら な る も の と 考 え ら れ て い る ． 一 部 の FGF23 蛋白は，furin などにより179Arg と180Ser の間でプロセッシングを受ける4)．FGF23 は，この プロセッシング部位の N 端側に FGF 相同領域を 有しており，プロセッシング部位 C 端側のアミ ノ酸配列は，FGF23 に特有である．プロセッシ ングを受けない全長 FGF23 は後述の生物活性を 図1 FGF23 の構造 FGF23 遺伝子は，251 個のアミノ酸からなる蛋白をコードしている．このうち N 端 24 個のアミノ酸は，シ
グナルペプチドである．一部の FGF23 蛋白は，furin などにより179Arg(R)と180Ser(S)の間でプロセッシングを
受け，不活性なペプチドに分解される．FGF23 はこのプロセッシング部位の N 端側に，FGF 相同領域を有し ている．
図2 血中濃度の調節機構 血中リン濃度は，腸管リン吸収，腎尿細管リン再吸収，および骨や細胞内のリンとの動的平衡により，調 節されている．このうち腎尿細管でのリン吸収は，大部分が近位尿細管で行われる．腎尿細管でのリン再吸 収が，慢性的なリン濃度の調節に最も重要である．数字は，健常成人の 1 日あたりの代表的な値を示す． 有するのに対し，プロセッシングを受けた後の N 端，および C 端フラグメントは不活性であるこ とが報告されている5)．ちなみにヒトでは 22 種 類の FGF ファミリーメンバーが存在し，これら はいくつかのサブファミリーに細分されている． FGF23 は，FGF19 や FGF21 と共に，FGF19 サ ブファミリーに属する因子である． 血中リン濃度は，腸管からのリン吸収，腎尿細 管でのリン再吸収，および骨や細胞内のリンとの 動的平衡により調節されている(図2)．このうち 腎尿細管でのリン再吸収が，慢性的なリン濃度の 調節に最も重要と考えられている．糸球体で濾過 されたリンは，大部分が近位尿細管で再吸収され る．したがって近位尿細管でのリン再吸収を担う 分子の発現量や活性が，血中リン濃度調節に非常 に重要な役割を果たすことになる．この近位尿細 管での生理的リン再吸収を担う分子が，2a 型， および 2c 型ナトリウム-リン共輸送体である．リ コ ン ビ ナ ン ト FGF23 を 用 い た 検 討 に よ り ， FGF23 は2a型，および 2c 型ナトリウム-リン共輸 送体の腎尿細管刷子縁膜での発現を低下させるこ とにより，リン再吸収を抑制することが明らかに された6)．同時に FGF23 は，1,25-水酸化ビタミ ン D[1,25(OH)2D]産生酵素である 25-水酸化ビタ ミン D[25(OH)D]-1α-水酸化酵素発現を低下さ せると共に，1,25(OH)2D をより活性の低い代謝 物へと変換する 25(OH)D-24-水酸化酵素発現を 促進することにより，血中 1,25(OH)2D 濃度を低 下させる6)．1,25(OH)2D は，腸管リン再吸収を促 図3 FGF23 の作用 FGF23 は，腎近位尿細管リン再吸収を担う 2a 型， および 2c 型ナトリウム-リン共輸送体(NaPi-2a, 2c)発現を低下させることにより，リン再吸収を抑 制する．同時に FGF23 は，1,25-水酸化ビタミン D[1,25(OH)2D]産生を抑制することなどにより， 血中 1,25(OH)2D 濃度を低下させ，腸管リン吸収 を抑制する． 進するホルモンである．したがって FGF23 は， 腎尿細管リン再吸収と，血中 1,25(OH)2D 濃度の 低下を介した腸管リン吸収の抑制により，血中リ ン濃度を低下させることになる(図3)．
2．FGF23 の作用機序
FGF23 は，骨，特に骨細胞(osteocyte)により 産生されるものと考えられている7)．骨細胞は， 骨芽細胞が最終的に分化し，石灰化した骨中に埋 没した細胞である．これまで骨細胞の機能として は，力学負荷の感知や骨リモデリングの調節など， いくつかのものが想定されてきた．FGF23 の同 定により，骨細胞は，液性因子の分泌を介してミ ネラル代謝を調節するという機能も有していることが明らかとなった．一方 FGF23 は，腎臓に作 用する因子である．したがって FGF23 は，骨細 胞により産生され，血液を介して腎臓に作用する 全身性因子と考えられた．このことは，腎臓には FGF23 に特異的な受容体が存在することを示唆 している． 従 来 FGF ファミリーメンバーは，4 種類の FGF 受容体遺伝子から選択的スプライシングな どによって産生される各種の FGF 受容体(FGF receptor: FGFR)に作用することにより，その作用 を発揮するものと考えられてきた．一方 FGF23 の既知の FGFR に対する親和性は，低い．そこ で腎臓で FGF23 に結合する蛋白の解析などによ り，FGF23 は，FGFR1c と呼ばれる FGFR の一 種と Klotho との複合体に作用することが明らか にされた8)．Klotho 蛋白は，トランスジェニック マウス Klotho において，著明に発現の低下して いる蛋白である9)．Klotho マウスは，寿命の短縮 や成長障害，性腺機能不全，異所性石灰化などの 特徴を示し，加齢モデルマウスと考えられていた． 一方 Klotho マウスは，既に高リン血症，高 1,25 (OH)2D 血 症 を 示 す こ と も 報 告 さ れ て い た ． FGF23 の同定後 FGF23 ノックアウトマウスが作 成され，Klotho マウスと同様に，高リン血症，高 1,25(OH)2D 血症を示すことが明らかにされた10)． また Klotho マウスの血中 FGF23 濃度は，著明な 高値を示すことも明らかとなった8)．このことは， Klotho マウスでは FGF23 の作用が障害されてい ること，したがってKlotho が FGF23 の受容機構 の一端を担っていることを支持している． FGF19 サブファミリーに属する FGF19 は，腸 管によって産生され，肝臓に作用し胆汁酸合成抑 制などの作用を発揮する．また FGF21 は，主に 肝臓により産生され，脂肪細胞などに作用する因 子であることが示されている．この FGF19 と FGF21 の 作 用 に は ， Klotho 類 似 蛋 白 で あ るβ Klotho が必要であることが報告されている11)．し たがってこれら FGF19 サブファミリーメンバー は ， 産 生 細 胞 と は 離 れ た 組 織 に ，Klotho や β Klotho を含む特有の受容体を介して作用するこ とから，endocrine FGF，あるいは hormone-like
FGF と呼ばれている．
3．FGF23 と疾患(表1)
FGF23 の同定後，いくつかのリン代謝異常症 が，FGF23 の作用異常により惹起されることが 明らかにされた．骨は，骨芽細胞が産生する I 型 コラーゲンを主とする骨基質蛋白に，ハイドロキ シアパタイト結晶が沈着することにより産生され る．この石灰化した部分が石灰骨であり，石灰化 していない部分を類骨と呼んでいる．くる病/骨 軟化症は，骨石灰化障害により石灰化骨が減少し， 表1 FGF23 作用異常による疾患 疾患名 原因遺伝子 発症機序 FGF23 作用過剰 X 染色体優性低リン血症性くる病/骨軟化症 PHEX 骨での FGF23 過剰産生 常染色体優性低リン血症性くる病/骨軟化症 FGF23 骨での FGF23 過剰産生 常染色体劣性低リン血症性くる病/骨軟化症 DMP1 骨での FGF23 過剰産生 腫瘍性くる病/骨軟化症 原因腫瘍での FGF23 過剰産生 McCune-Albright 症候群/線維性骨異形性に伴う 低リン血症性疾患 GNAS1 骨での FGF23 過剰産生 FGF23 作用障害 家族性高リン血症性腫瘍状石灰沈着症 GALNT3 FGF23 蛋白プロセッシングの亢進 FGF23 FGF23 蛋白プロセッシングの亢進 Klotho FGF23 不応症PHEX: phosphate-regulating gene with homologies to endopeptidases on the X chromosome DMP1: dentin matrix protein 1
GNAS1: guanine nucleotide binding protein alpha stimulating activity polypeptide 1
類骨が増加する疾患である．くる病/骨軟化症の 原因は多岐に渡るが，非常に類似した病態を示す いくつかの低リン血症性くる病/骨軟化症が存在 することが知られていた．すなわち，3 種類の遺 伝性疾患，X 染色体優性低リン血症性くる病/骨 軟化症(X-linked hypophosphatemic
rickets/osteo-malacia: XLH)，常染色体優性低リン血症性くる病 /骨軟化症(autosomal dominant hypophosphatemic rickets/osteomalacia: ADHR)，常染色体劣性低リ ン 血 症 性 く る 病/ 骨 軟 化 症 (autosomal recessive hypophosphatemic rickets/osteomalacia: ARHR)， 腫瘍随伴症候群の一つである腫瘍性くる病/骨軟 化症(tumor-induced rickets/osteomalacia: TIO)，
および McCune-Albright 症候群や線維性骨異形成 症(fibrous dysplasia)に伴う低リン血症性疾患は， いずれも腎近位尿細管リン再吸収障害を特徴とす る疾患である．通常低リン血症は，1,25(OH)2D 産生を促進し，血中 1,25(OH)2D 濃度を上昇させ る．しかしこれらの疾患患者では，低リン血症が 存在するにも拘らず，血中 1,25(OH)2D 濃度は低 値～正常低値に留まり，リン再吸収と共にビタミ ン D 代謝にも異常が存在するものと考えられて きた．大部分のこれらの患者血中の FGF23 濃度 は高値を示すこと，XLH や ARHR モデル動物の 骨細胞において FGF23 の過剰産生が認められる ことなどから12)～18)，これらの疾患は骨や原因腫 瘍における FGF23 産生過剰により惹起されるも のと考えられるに至った．ただし，これらの疾患 において FGF23 が過剰産生される機序は，現状 では不明である． これらの疾患とは逆に，腎尿細管リン再吸収の 亢進を伴う高リン血症と，高 1,25(OH)2D 血症を 特徴とする疾患が，家族性高リン血症性腫瘍状石 灰沈着症(familial hyperphosphatemic tumoral cal-cinosis: FHTC)である．この FHTC の病態は， FGF23 ノックアウトマウスや Klotho マウスと類 似 し て い る ．FHTC の 原 因 遺 伝 子 と し て は ， FGF23，GALNT3，および Klotho の 3 種類の遺伝 子が同定されている19)～21)．このうち FGF23，お よび GALNT3 遺伝子異常では，FGF23 蛋白のプ ロセッシングが亢進し，活性を有する全長 FGF23 が 減 少 す る た め ， ま た Klotho 遺伝子異常では FGF23 への抵抗性のため，FGF23 作用障害が惹 起されるものと考えられている．
4．FGF23 測定の意義－低リン血症－
我々は，FGF23 蛋白プロセッシング部位の N 端側と C 端側に対するモノクローナル抗体を用 い，全長 FGF23 のみを測定する系を構築した13)． 一方 FGF23 蛋白プロセッシング部位の C 端側に 対する 2 種類のポリクローナル抗体を用いた，C 端アッセイも報告されている14)．この C 端アッ セイでは，全長 FGF23 に加え，プロセッシング を受けた後の C 端フラグメントも測定されるも のと考えられる．上述のように，血中 FGF23 濃 度はいくつかの低リン血症性疾患で上昇している ことが報告されている．実際，XLH および TIO 患者と，ビタミン D 欠乏や Fanconi 症候群などの， 他の低リン血症性疾患患者の FGF23 濃度を全長 アッセイにより比較した成績では，FGF23 濃度 の測定は過剰な FGF23 活性により惹起される疾 患と，他の原因による低リン血症の鑑別に有用で あることが示されている22)．このうち特に TIO は，主に中胚葉系の腫瘍により惹起される疾患で， 罹患患者の QOL を非常に障害する疾患である． 重度の筋力低下や骨痛のため，しばしば TIO 患 者は完全に寝たきりとなってしまう．血中 FGF23 濃度は，TIO 惹起腫瘍の切除後，半減期約 20 分 で速やかに低下する23)．したがって FGF23 濃度 の測定は，TIO 惹起腫瘍が完全に切除できたかど うかの確認にも有用である．さらに TIO 惹起腫 瘍は，しばしば骨中に存在し，局在が困難な場合 が少なくない．静脈サンプリングにより体内各部 位の FGF23 濃度を測定することが，TIO 惹起腫 瘍の局在確定にも有用であることが示唆されてい る23)．5．FGF23 測定の意義－高リン血症－
FGF23 や GALNT3 遺伝子変異による FHTC 患 者では，FGF23 蛋白プロセッシングの亢進により，全長 FGF23 は低値を示す．一方これらの患者で は，C 端アッセイによる FGF23 濃度は，著明な 高値を示す19)24)．これらの結果は，本症患者では， 高リン血症などにより FGF23 産生が代償的に亢 進していること，したがって FGF23 産生は厳密 に 調 節 さ れ て い る こ と を 示 唆 し て い る ． 一 方 Klotho 遺伝子変異による FHTC 患者では，全長 アッセイでも C 端アッセイでも，FGF23 は高値 である21)． 高リン血症を特徴とする慢性腎臓病患者でも， FGF23 濃度は高値である．この FGF23 濃度の高 値は，難治性の二次性副甲状腺機能亢進症の発症 や慢性腎臓病の進行の指標となる可能性が指摘さ れていた25)．さらに最近，血液透析患者において， FGF23 の値が透析開始後 1 年以内の生命予後と 相関するという成績が報告された26)．従来血清リ ン濃度の上昇は，透析患者の生命予後と関連する と報告されてきた．本論文では，血中 FGF23 濃 度の上昇は，リン濃度とは別個に，透析患者の予 後因子として報告されている．したがって今後 FGF23 の測定は，慢性腎臓病患者の管理にも使 用 さ れ る 可 能 性 が 考 え ら れ る ． た だ し こ の FGF23 の上昇が，どのような機序により予後に 影響するのかは不明である．
6．サマリーと結論
FGF23 は，骨により産生され，特異的受容体 を介して腎臓で作用する．また FGF23 の産生は 調節を受けており，FGF23 作用の過不足により 低リン，および高リン血症性疾患が惹起される． これらの成績は，FGF23 がホルモンとして機能 していること，骨はホルモン産生臓器でもあるこ とを示している．FGF23 の測定は，現状では保 険適用となっていない．しかし FGF23 濃度の評 価は，リン代謝異常症の鑑別や経過観察，さらに は慢性腎臓病患者の管理にも有用である可能性が 示されている．今後 FGF23 測定の臨床的意義が 確立され，FGF23 測定が臨床的に使用可能とな ることが期待される． 文 献1) Yamashita T, Yoshioka M, Itoh N. Identification of a novel fibroblast growth factor, FGF-23,
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