ノッチシグナルタンパク質が支配する新しい経路の驚くべき発見が、より良い医薬品開発の扉を開く
By Lindsay Brownell
(BOSTON) – 毎分1ガロン半の血液が体の静脈と動脈のネットワークを通って脈打っているのです。 その血流の力は、内皮細胞と呼ばれる血管を覆う細胞を健康に保つのに役立っています。外科手術や脳卒中など、血流が妨げられると、血管は漏れ始め、細胞の損傷や病気につながる多くの炎症反応を引き起こしかねません。 ハーバード大学ヴィース研究所の科学者たちは、血流がどのようにして血管を無傷に保つのかという謎を解明しようと試み、驚くべきことに、さまざまな衰弱した状態を治療する薬の有望なターゲットとなる、まったく新しい細胞シグナル伝達経路を発見しました。 Notch1の活性が阻害されると（右）、細胞間の結合は破壊され（細胞間の黒い隙間）、アクチンは細胞全体に分布する「ストレスファイバー」となる。 Credit: Wyss Institute at Harvard University
「よく知られているNotchタンパク質が、血管の漏出を防ぐ役割を果たし、既知の転写ベースの経路とはまったく異なる方法で動作する二次的なシグナル伝達経路を通じてそれを行うことがわかりました」と、Wyss Instituteの准教授で生物デザインセンターの創設者、ボストン大学の生物医工学特別教授であり、論文の責任執筆者のChris Chen医学博士、博士（Ph.D.)は語っている。 “この新しい経路は、発見の観点からエキサイティングなだけでなく、癌や心血管治療薬の副作用の一部を改善し、より安全で効果的なものにする可能性があります。” この研究は、本日、Natureに掲載されています。
血管を覆う内皮細胞は、アドヘレンス接合と呼ばれる接続によってしっかりとつながり、血管内の血液を保ち、他の物質の出入りのしやすさを調節する障壁を形成しています。 このバリアを研究し、なぜ血流不足でそれが漏れるのかを明らかにするため、研究チームは、マイクロ流体デバイス内に、細胞外マトリックスで囲まれたヒト内皮細胞の層を並べたチャンネルからなる血管オンチップモデルを作製しました。 そこで、Notch1の細胞内ドメインが剥離しないようにすることで活性化を阻害する薬剤を添加したところ、血管が漏れ始めたことが観察され、これは隣接する内皮細胞間のアドヘレンス結合の破壊と各細胞内のアクチン繊維の再編成が原因であると突き止めたのである。
不思議なことに、Notch1の細胞内ドメインが剥離後に転写を開始するのを阻止しても（これはNotch1の確立された作用機序）、血管は漏れないことから、転写を伴わないタンパク質の他の部分が血流に反応していることが示唆されました。 この疑いは、Notch1を阻害する化学物質と青い色素をマウスに注射した生体内実験で強まり、投与したマウスの血管から色素が予想よりもはるかに速い速度で漏れ出すことが確認された。 「遺伝子がタンパク質に転写され、細胞内で何らかの機能を果たすまでには通常2時間ほどかかりますが、私たちは30分以内に色素が漏れ出すのを確認しました。このことは、バリアの透過性を制御するプロセスが、まったく別のメカニズムで機能していることをさらに示唆しています」とビル・ポラチェック博士は語っている。
細胞内ドメインが内皮障壁の制御に関与していないことがわかると、研究者たちはNotch1の他の部分の活性を調べました。 CRISPR/Cas-9を用いてNotch1遺伝子のさまざまな部分を削除したところ、細胞内ドメインをコードする部分を削除しても透過性に影響はなかったが、小さな膜貫通ドメイン（TMD）部分も削除すると、フロー条件下で血管の漏出量が増加することがわかった。 Wyss研究所の客員研究員で共同筆頭著者であるMatthew Kutys博士は、「NotchのTMDの生物学的機能が評価されたのはこれが初めてです」と語る。 「と、Wyss研究所客員研究員で共同執筆者のMatthew Kutys博士は言っています。「それは不活性で、活性化した後はただ消えてしまうと思われていましたし、ほとんどの教科書や研究論文には、それがノッチ受容体の明確な部分として示されてさえいませんでした。 更なるテストを通して、彼らは、Notch1が活性化されて、その細胞内ドメインが放出される時、そのTMDは、VE-カドヘリン、Rac1、LAR、Trioというタンパク質と膜内で複合体を形成し、それらが集合して細胞間のアドヘレンス結合を組み立てて維持し、細胞膜に対してアクチン繊維を分配してその結合をサポートすると解明しています。
Notch1は異なる機能を果たすことがわかり、タンパク質のどの部分がそれぞれの機能を制御しているかを知ることによって、より有効で毒性の低い新しい薬剤を開発することができるのです。 “Notchはいくつかのがん治療薬の標的になっていますが、それらの薬は浮腫などを引き起こすことが知られています。 現在、私たちはノッチの2つの経路を分離し、細胞内ドメインだけを標的にして、TMDを温存し、血管の健全性を保つ薬剤を作ることに積極的に取り組んでいます」と、この研究に協力したイェール大学医学部遺伝学教授のKaren Hirschi博士は述べている。 また、TMDを発現するように操作した細胞モデルでは、漏出を誘発する炎症が劇的に減少したことから、TMDそのものを治療薬とする可能性も検討されている。
「ヴィース研究所が実現し、育成している、機械工学と分子生物学という異分野間のコラボレーションは、古い問題に対する新しいアプローチを促進し、真にパラダイムシフトする結果をもたらすことができます」とドナルド・イングバー医学博士（M. D. Ph.D. ）は述べています。 ウィス研究所の創設者であり、ハーバード大学医学部の血管生物学およびボストン小児病院の血管生物学プログラムのユダ・フォルクマン教授、ハーバード大学ポールソン工学・応用科学大学院（SEAS）の生体工学教授でもあるドナルド・イングバー医学博士（Donald Ingber）は、「機械工学と分子生物学という異分野間の融合が、旧来の問題に対する新たなアプローチを生み出し、真にパラダイムシフトとなる結果をもたらします。 「この研究は、この種のパートナーシップが科学と社会にもたらす利益を示す典型例です」
この研究の追加執筆者には、ヴィース研究所の博士研究員であるJinling Yang博士、Jeroen Eyckmans博士、Michael B. B. B. D.博士が含まれます。 Yinyu Wu（イェール大学遺伝学教室の大学院生）、Hema Vasavada（イェール大学医学部の研究室マネージャー）です。
この研究は、国立衛生研究所（NIH）、国立科学財団（NSF）、Ruth L. Kirchstein National Research Service Award、ハートウェル財団、ハーバード大学ウィス研究所からの助成金により行われました。 非正規のNotch複合体がアドヘレンズジャンクションと血管バリア機能を制御している。