細胞死(アポトーシス)のシグナル伝達機構と生体における役割―アポトーシス実行因子カスパ-ゼ8を中心に―

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特別講演要 旨

細胞死 (

アポ トーシス)のシグナル伝達機構 と生体における役割

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京都大学大学院生命科学研究科 細胞死 (アポ トーシス)は､高等生物の発生過 程における形態形成 ･恒常性維持 ･免疫系を含め た生体防御 ･或いは老化な どに深 く関与 してお り､ 生体 にとって必要不可欠な生命現象である｡ ヒ ト ではアポ トーシスの制御機構が異常 になると､ア ポ トー シスの促進化による免疫不全や神経変性疾 患等が発症 し､抑制化が起 きると自己免疫疾患や 癌等 の重病を引き起 こす ことになる｡ このためア ポ トー シスの制御機構は､非常に精密且つ複雑に 調節 されている｡アポ トー シスの誘導には､サイ トカイ ン ･抗原 ･ウイルス ･薬剤 ･放射線 ･活性 酸素な ど多種多様な因子が関わっているのに対 し､ アポ トー シスの実行段階では､カスバ-ゼ と称す る一連 のシステイ ン-プ ロテアーゼが実行因子 と して 中心的な役割を担 っている｡つま り､アポ ト ー シスの誘導 シグナルがカスバ-ゼーカスケー ド に伝 え られ､段階的にカスバ-ゼが活性化 して 種々の蛋 白質 を切断す る｡ このプロテアーゼを介 する不可逆的な反応が細胞 を死に導 くのである｡ これまでに､晴乳類では 14種類のカスパーゼが 同定 されているが､その うちアポ トー シスのシグ ナル伝達 にはカスパーゼ 2･カスパーゼ 8･カス バ-ゼ 9･カスパーゼ 10が initiator分子 とし て､その下流の effector分子 としてカスパーゼ 3･カスパーゼ 6･カスパーゼ 7が関与すること が明 らか となっている (1)｡ サイ トカ ンである TNFや Fasリガン ドが細胞表 面にあるそれぞれの レセプターに結合す ると､ア ポ トー シス誘導 シグナルが細胞に伝わ り､細胞は 数時間後 には消滅 して しまう｡カスバ-ゼ8は､ これ らレセプター (デス レセプター と総称)が活 性化 されて細胞内にアポ トーシス誘導 シグナルを 伝えるために最初 に関わ る分子である｡ 図1に示 すよ うに､アポ トー シスの刺激が入ると､アダプ ター分子FAI)I)を介 してカスバ-ゼ 8は レセプタ ーに結合 し複合体 を形成す る｡その中でカスパー 蕊 ㌘

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左 二野 生型 ､右 :カスバ-ゼ8遺伝子 欠損 ホモ接 合型 野生型MEF細 胞

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抗FH 坑件 (nC/ml) 図4 デ ス レセ プタ- を介 す るアポ トー シス誘 導 にカ スバ -ゼ 8は必要 であ る

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発 生 す るが ､ ll.5 日目以降 にな る と全 て の個体 にお いて発 生異常 が認め られた (表 1)｡ 図3は､ 発 生異常 とな った 11.5日目のホモ型変 異腔 を示 す O この変異瞳 は､心臓 が発生異常 とな り､そ の 結果 心腔 に血が溜 まって いるのが観察 され る｡ こ の よ うな症 状 以 外 に､ホ モ 型 変 異腔 で は卵黄 嚢 (yolksac)の血管 形成や神経管 の形成 に も異常が 認 め られ た (3)｡ これ らの ことは､ カ スパーゼ 8 が腫 発 生期 に何 らかの役割 を果 た して いる ことを 意 味す る｡興 味深 い ことに､カスパ ーゼ8と関わ りの ある Fasを含 めたデス レセ プター･Bid･カ スパ ーゼ3の各遺伝子欠損 マウス も既 に作製 され て いるが ､いずれ のマ ウス も肝性致 死 とはな らず 生 まれて くる｡唯一 FADDの遺伝子 欠損 マ ウスが カスバ-ゼ8遺伝子欠損 マ ウス と同様 に心臓 に異 常 が 生 じ腔性致死 とな る｡ しか し､FADD遺伝子 欠損 マ ウスで は､卵黄嚢 の血管形成や神 経管 の形 成 に異 常 が あ るのか定 か で はな い｡ この よ うに 我 々の研 究 によ りカスパーゼ8が腫 発 生 に必要な 分子 で ある ことが 明 らか とな ったが ､そ の生理的 役割 につ いては残念 なが ら未だ明 らか にできてい な い｡ また我 々がカ スバ-ゼ8の研究 を始 めた時期 に､ カ スバ-ゼ8がFasだ けで な くTNFレセ プターや TRAILレセ プターな どの他 のデス レセ プターか ら のアポ トー シス誘導 シグナル伝達 に も関わ ってい る とい う報告がな された｡そ こで我 々は､デス レ セ プ ター の うち､何れ のデス レセ プ ター を介 した アポ トー シス誘導 にカスバ-ゼ8が必須 であるの か検 証 した｡カスパーゼ8を欠損 した細胞株が実 験 に必 要 であ った ので､我 々はカスパ ーゼ8遺伝 子 を欠損 した腫 発 生 10日目のホモ腔 と同腹 の野 生型膳 よ りそれぞれ繊維芽細胞 (以後MEF細胞 と 略称 ) の単離 を試み､樹立化 に成功 した｡ これ ら カ スバ-ゼ8遺伝 子欠損型MEF細胞 と野 生型MEF 細胞 の両細胞株 に外か らデス レセ プター を導入 し､ レセ プター を活性化す る ことによ り細胞 にアポ ト ー シス を誘導 出来 るか調べた (図 4). 今 回導入遺 伝 子 と し て 用 い た の は ､ ヒ トの Fas遺 伝 子 (hFas)･細胞 内領域 を欠 いた変異 型 の ヒ トFas 遺伝 子 (hFas△)･DR4(別 名TRAILレセ プタ- 1) の細胞 内領域 とFasの細胞外領域 を有す るキ メラ 遮 伝子 (hFaS/DR4)の3種類である (図4A)｡ い ずれ の遺伝子産物 も細胞表 面に発現 す れ ば､アポ トー シス を誘導で きるアゴニステ ィ ックな抗 Fas 抗体 と結 合で きる｡両細胞株 にそれぞれ3種類の 遺伝 子 を導入 し､様 々な濃度 の抗Fas抗体 で細胞 を刺 激 した後 に生存 率 を調べた (図 4B)｡野 生型

MEF細胞 の場合､抗 Fas抗体で処理す る とhFas

を発 現 して いる細胞 では濃度依存的 に細胞が死ぬ よ うにな る｡ しか し､hFas△を発現 して いる細胞 は全 く抗Fas抗体 刺激 に反応せず アポ トー シスは 起 こ らな い｡既 に明 らかな ことで は あるが､Fas によ るアポ トー シス誘導 には細胞 内領域 を必 要 と す る｡ またキ メ ラ遺伝子 hFaS/DR4を発現 して い る細胞 は ､hFas発 現 細胞 と同様 に濃度 依 存 的 な 細胞 死が観察 され た. 一方 カスバ-ゼ8遺伝子欠 損 型MEF細胞 を用 いた場合 ､ どの遺伝子 を発現 さ せ て も抗Fas抗 体 刺 激 よるアポ トー シスは観察 さ れ な か っ た (図 4B)｡ これ らの 実 験 結 果 は ､ hFaS/DR4のキ メ ラ分 子 は アポ トー シス を誘導 で きる こと､カ スバ -ゼ8を欠 くとFasやDR4を介 した アポ トー シス誘導が抑 制 され る ことを示す｡ 以 上の ことよ り､ カスパーゼ8はFasばか りでな くTRAILレセ プターか らのアポ トー シス誘導 に も 関与す る ことが 明 らか にな った｡その後 同様 な研 究 が他 の研究者 らによって行われ ､カスパーゼ 8 は現在知 られ て い るデス レセ プター全て にお いて ､ そのアポ トー シス 誘導 の シグナル伝達 に必須 で あ る ことが証 明 され て いる (4)0 カ スバ-ゼ8を活性化す るアポ トー シスの シグ ナル伝達経路 は､必ず しもデス レセ プター を介す る経路だ けで はな い｡"anoikis"と言われる現象 は､接着性 の培 養 細胞 が剥がれた ままの状態 とな る と､細胞死 が起 きる現象である｡ この anoikis にカスパーゼ 8が アダプター分子 FADDと共 に関 与す る こ とが 示 され て いる (5)｡ この アポ トー シ スの シグナル伝 達 経路 は､デス レセ プター に非依 存 的で あ り､起 因 とな る分子 と してイ ンテ グ リン が考 え られて い る｡ また さ らに､デス レセ プター とFADDの両者 に非依 存的なカスパーゼ 8活性化 経路 も最近見 つ け られた(6)｡ハ ンチ ン トン病 は､ ハ ンチ ンチ ン蛋 白の構造変化が 引き金 となる神経 変性疾患 で あ り､神経細胞 で アポ トー シスが誘発 され る｡ この アポ トー シス誘導 シグナル伝達 にカ スパーゼ8が 関与 して いる ことが証明 された｡ポ リグル タ ミン化 したハ ンチ ンテ ン蛋 白にHip-1分 子 とHippi分子 が 結 合 して複合体 を形成す るが､ そ の中にカスパー ゼ8が 引き込 まれ活性化す るの である｡ 上述 したよ うにカ スパーゼ8が機能 しな いと､ 例 え上流 の因子 が活性化 された として も細胞死 は 起 きな い｡ 生体 防御機構 と して､細胞障害性免疫 細胞 がFas/Fasリガ ン ドの系 を使 って有害 とな っ た標的細胞 を除去 す る ことが知 られ て いるが､標 的細胞 でカスバ- ゼ8が活性化 しな い とこの防御 機構が全 く機 能 しな い ことにな る｡ ある種のが ん 細胞 ではFasが発 現 しているにも拘わ らず､細胞 障害性免疫細胞 の刺激 に対 し抵抗性 を示すO これ は､カスパーゼ8が標 的細胞 内で活性化 されな い ためであると考 え られた｡それ を裏付 けるよ うに､ 悪 性 の神 経繊 維 芽 細胞 腫(neuroblastoma)な ど数

種類 のがん細胞 において､カスバ-ゼ8の発現抑 制や遺伝子欠損が起 きていることが最近明 らか と な った(7)O これ らのことは､カスバ-ゼ 8がが ん抑制 因子 として細胞内で働 くことを強 く示唆す る｡ また さ らにカスパーゼ8は両生類 のアフリカツ メガエルや魚類のゼブラフィッシュに も存在する｡ 我 々は､両動物 由来のカスバ-ゼ8壷 ヒ トの培養 細胞 に導入 した実験 によ り､両分子が アポ トー シ ス誘導能 を保持 していることを確認 した｡ この こ とは､カスパーゼ8が種を越 えて魚類か ら晴乳類 まで脊椎動物の間で構造 とその機能が保存 されて いる ことを示す｡興味深いことに､無脊椎動物の 昆虫 (シ ョウジョウバエ)にもカスバ-ゼ8に相 当 す る遺 伝子(Dredd)が見つか って いるが ､ この遺 伝子産物 は細胞死ではな く自然免疫 に関与するこ とが報告 されている(8)｡ 又､双子の片割れと称 して も過言ではないカス パーゼ 10は､カスバ-ゼ8と蛋 白構造 も酷似 し てお りFasやFADDとの複合体形成時 に もその中 に含 まれ活性化 され る(9)｡それで は､カスパー ゼ 10とカスバ-ゼ 8はお互 いどのよ うな役割分 担 を担 っているのだろうか ?現段階ではそれ に対 す る答 を見出せないままである｡加 えて､ ヒ トに は カスバ-ゼ10とカスバ-ゼ8の両方が存在す るのに対 し,マウスではカスバ-ゼ8しかないの がゲ ノム構造よ り明 らか となっている｡一方 アフ リカツメガエルでは､カスパーゼ8とカスバ-ゼ 10の両方が同定 されている｡カスパーゼ 10とカ スパーゼ8の機能の違 いを探る前に､ このよ うな 種間によってカスパーゼ 10の有無が認 め られる ために､本 当に カスパーゼ10は必要なのか とい うと疑 問が生 じて くる｡カスパーゼ 10遺伝子 に 変異が生 じると自己免疫疾患 を発症す る という報 告が あ り､カスパーゼ 10の特異的な役割が少な くともヒ トには存在 していると思われ る｡ 今回､我々の研究成果や最近の知見 をまとめ合 わせ ると､カスパーゼ8がFasな どのデス レセプ ター を介するアポ トー シス誘導 に､anoikisに伴 うアポ トー シスに､そ して神経変性疾患 のハ ンチ ン トン病で誘発 されるアポ トー シス に必要不可欠 である ことが判 った｡ これ まで に知 られていた生 理学的細胞死や病理学的細胞死の少な くとも一部 は､カスバ-ゼ8が関与 していたのである｡ しか し､肱発生におけるカスパーゼ8の役割 について は､直接 アポ トー シスと関係あるのか定かでない｡ これ まで とは全 く別なカスパーゼ8の役割が存在 す るのか もしれないo細胞死 (アポ トー シス)の研 究 は､ この 10年間で急速に発展 して きた｡その 中で も特 にカスバ-ゼ と称するプロテ アーゼが実 行 因子 として同定 されてか らは､アポ トー シスの シグナル伝達経路が容易に理解できるよ うにな っ た｡ この ことによ り､ これ までお互い関連性があ ると考 えも及 ばなか った二つの疾患が､実は l種 類のカスパーゼ分 子が冗進的に活性化或いは逆 に 失活 した場合 に現れた症状であることも判って き た｡今後 は､ス トレスに伴 うアポ トー シスの作用 機序の解明や アポ トー シスが絡んだ疾患の原因究 明や治療法確立な ど臨床応用的な研究へ と拡が っ て行 くことが期待 できる｡ また基礎的な研究 とし て､発生の形態形成 の際にみ られるアポ トー シス の制御機構の解 明 も今後残 された課題であると思 われる｡ 引用文献

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