細胞がリガンドや栄養素などの外部のシグナルを認識し、急速に変化する環境に適切に応答する能力には、主要な細胞シグナル伝達ネットワークの間のクロストークが関与しています (1-2)。これらの複雑なパスウェイは細胞内栄養素、代謝フラックス、ストレスを感知し、多数の下流エフェクターを介してこれらの異なるシグナルを統合します (1-2)。重なり合い交差するパスウェイの複雑な性質を理解しようとすることは、科学者にとって興味深いパズルのように思えます。
多くの織り交ぜられたシグナル伝達経路のうち、私が最も情熱を注いでいるのはPI3K/Aktシグナル伝達経路です。私の名前はSrikanth Subramanian、Cell Signaling Technology (CST) のシニアプロダクトサイエンティストで、すべてのPI3K/Akt抗体とその下流パスウェイのいくつかの標的の抗体を調製し管理するチームの一員です。ですので、多少は偏りがあるかもしれませんが、PI3K/Aktシグナル伝達とはCSTに入社する前の大学院生のときから縁があり、それは今日も続いています。長年にわたってシグナル伝達経路の標的の研究に取り組むことで、個人のレベルでは永続的な友情を、プロフェショナルのレベルでは協力関係を築いて、多くの素晴らしい思い出を生み出し、キャリアを得ることができました。そして、私の家族を不意に襲った病気の一部がこのダイナミックなパスウェイの特定のタンパク質に関連していると知ったことによって、PI3/Aktシグナル伝達は私にとって重要な意味を持つものになりました。これらのタンパク質のいくつかと、家族との個人的なつながりについて詳しく話します。
PI3K/Aktパスウェイは細胞外のシグナルに応答して代謝、増殖、細胞の生存、成長、血管新生を促進します (1-2)。これは、多様な下流の標的を通じセリンおよびスレオニンのリン酸化を介して起こります (2)。このパスウェイは生物学および医学の多様な分野で数え切れないほどの研究の焦点となっています (1)。AKTを制御する上流因子 (PI3K)、およびGSK3、FoxO、mTORC1などシグナル伝達系の下流で主要な役割を果たす多目的な標的に関する理解は大きく進歩しました。AKTは、ほぼすべての細胞および臓器に普遍的に存在し、機能することが分かっています。がん、インスリン抵抗性、2型糖尿病、自己免疫障害、神経障害など、様々な疾患にAKTシグナル伝達が関与していることを考えると、AKTの調節とその機能について理解することは非常に重要です (1-3)。
InsR
2型糖尿病 (叔母と祖母)
インスリン受容体 (InsR) は、2つの細胞外αサブユニット (リガンド結合ドメインを含む) と2つのβサブユニット (細胞外ドメイン、膜貫通ドメイン、細胞質チロシンキナーゼドメインを含む) がジスルフィド結合で結び付けられた、ヘテロ二量体の膜受容体チロシンキナーゼです (4-8)。長いアイソフォーム (InsR-β) と短いアイソフォーム (InsR-α) の生理的な役割についてはまだ未知な部分もありますが、インスリン様成長因子 (IGF)、特にIGF-IIに対して異なる結合親和性を持つことが重要なようです (5-7)。InsR-αは主に出生前に発現し、胚形成および胎児の発生においてIGF-IIの効果を増強します (6)。注目すべきことに、InsR-αは成人の組織、特に脳でも発現しています。InsR-αは、IGF-IIおよびインスリンに対する感受性を高めます (5-7)。一方、InsR-βは主に肝臓、筋肉、脂肪組織、腎臓を含む、高度に分化した成人組織で発現し、インスリンの代謝効果を高めます (5-6)。
インスリンは、人体のエネルギー恒常性の重要な操作者です (8)。インスリンの調節機能の障害はエネルギーバランスを乱し、2型糖尿病などの疾患を引き起こします (8-9)。標的細胞の調節は、細胞表面のインスリン受容体の活性化によって開始され、PI3KやAktを含む細胞内シグナル伝達ネットワークを介して、グルコース輸送体GLUT4によるグルコースの取り込みやタンパク質の合成など様々な細胞プロセスに影響を及ぼします (8-9)。2型糖尿病では、GLUT4の発現や上皮細胞の細胞膜への輸送が起こらなくなることで、エネルギー産生のためにグルコースを細胞内へ取り込むことが妨げられます (9)。
PI3K
乳がん (2人の叔母)
正常な乳腺の発生は様々なホルモンとシグナル伝達経路によって調節されています (3、10)。これには、エストロゲン受容体 (Estrogen Receptor：ER) シグナル、HER2 (Human Epidermal growth factor Receptor 2) シグナル、古典的Wntシグナル、CDK (Cyclin Dependent Kinase)、Notch、SHH (Sonic Hedgehog)、PI3K/Akt/mTORなどが関与します (3、10-11)。PI3K/AKT経路は、乳がんにおいて最も頻繁に活性化される発がんパスウェイです (3、10)。PI3K (ホスファチジルイノシトール3-キナーゼ) は、触媒ドメインp110と調節ドメインp85の2つのドメインから構成されています (3、10)。PI3K活性化のメカニズムの中で、p110αをコードするPIK3CA遺伝子の変異が最も頻繁に観察され、同時にPI3Kの基質に作用してその活性を抑制するホスファターゼであるPTEN (Phosphatase and TENsin homolog) タンパク質の減少が観察されます (3)。PIK3CA遺伝子の変異に加えて、HER2 遺伝子の増幅、PTENの機能不全、哺乳類のゲノムに保存されている3つのAKT/PKBアイソフォームの1つであるAKT1遺伝子の活性化変異など、PI3Kの活性を高める他の多くの分子変化があります (3、10-11)。
非ホジキンリンパ腫 (子供の頃からの親友)
PI3Kファミリーは3つの異なるクラス (I、II、III) に分類されます。クラスIは、細胞の成長と生存に最も関連があり、α、β、δ、γの4つのアイソフォームが含まれます (12-13)。PI3KδとPI3Kγの発現は主に白血球に限定され、PI3KαとPI3Kβは普遍的に発現しています (13)。PI3Kαはインスリンシグナル伝達に関わる主要なアイソフォームで、様々なリンパ腫でも同定されていることから、リンパ腫形成における役割が示唆されています (13-16)。PI3Kβアイソフォームはインテグリンの形成と安定性の調節に役立ち、血小板の活性化に必要です (6-8)。PI3KδとPI3Kγは白血球の輸送と細胞増殖を調節します (13-16)。B細胞性非ホジキンリンパ腫 (Non-Hodgkin lymphoma：NHL) では、リン酸化AKTおよび下流のNF-kβとPI3Kパスウェイの標的を抑制するためには、PI3KαとPI3Kδを阻害する必要があります (13-16)。
間質性肺疾患と肺線維症 (母と叔父)
肺の損傷は様々なメカニズムを介して発生する可能性がありますが、すべてに共通するのは、制御不能な進行性の線維症を発症するということです (17)。I型コラーゲンは主にヒトの肺線維性組織で見られます (17)。正常な生理学的な条件において、肺線維芽細胞がI型コラーゲン細胞外マトリックス (ECM) と相互作用すると、PTENによってPI3K/Aktの活性化が阻害され、線維芽細胞の増殖阻害とアポトーシス刺激につながります (17)。特発性肺線維症 (IPF) 線維芽細胞では、PTENが抑制されることによってPI3K/AKT活性が上昇し、コラーゲンマトリックス上でも高い増殖性およびアポトーシス抵抗性を持つようになります (17)。
GSK3
神経変性疾患 (妻の祖母)
GSK-3 (Glycogen SynthaseKinase-3) は、細胞の増殖、分化、接着を含む複数の細胞プロセスを調節する細胞性セリン/スレオニンプロテインキナーゼです (18-19)。GSK-3の2つのアイソフォームとしてGSK-3αとGSK-3βが同定されており、これらは脳全体で普遍的に発現しています (18)。GSK-3はAktの活性化を通じて調節されます。GSK-3の活性は特定の部位のリン酸化に依存しており、GSK-3βのSer9あるいはGSK-3αのSer21のリン酸化は活性を阻害し、GSK-3βのTyr216およびGSK-3αのTyr279のリン酸化は活性を上昇させます (18-19)。
GSK-3の調節不全はアルツハイマー病 (Alzheimer's disease：AD) およびパーキンソン病 (Parkinson's disease：PD) を含む疾患の病因に関係しています (18-19)。GSK-3は、長年にわたり神経変性疾患への関与が研究されてきたTauやAβ (β-Amyloid)、α-Synucleinと相互作用します。Aβの産生はGSK-3によって調節され、その毒性はGSKによって誘導されるTauのリン酸化と変性によって媒介されます (19)。α-SynucleinはGSK-3の基質です。GSK-3の阻害は、パーキンソン病に関連する有害物質に対して保護的に働きます (18-19)。
FoxO1とFoxO3a
自己免疫疾患と全身性エリテマトーデス (母)
FoxO (Forkhead box class O) 転写因子ファミリーは、代謝、アポトーシス、酸化ストレス耐性、老化に関与しています (20-21)。哺乳類にはFoxO1、FoxO3a、FoxO4、FoxO6の4つのFoxOタンパク質があります。FoxO1、FoxO3、FoxO4は様々な組織で広範囲に発現していますが、FoxO6の発現は主に神経細胞に限られます (1-2、21)。FoxO1とFoxO3aは活性化状態では核に存在しますが、Aktの活性化によりリン酸化されると、不活性化されて細胞質に運び出されます (20-23)。
FoxOファミリーのメンバーは免疫調節において重要な役割を果たしますが、それらの機能は広範囲に渡り、時には矛盾する場合があります (20-21)。たとえば、FoxO1はNF-κBを活性化しますが、FoxO3aとFoxO4はNF-κBの活性を抑制することにより自己免疫疾患と炎症性疾患に抑制的な役割を果たす可能性があります (21-23)。全身性エリテマトーデス (Systemic lupus erythematosus：SLE) では、T細胞およびB細胞受容体の下流にあるFoxO1シグナル伝達系によってリンパ球の活性化が調節され、免疫疾患を引き起こします (20)。FoxO3aはSLEの過程で発現抑制されます (21)。
TSC-mTORC1
自己免疫疾患と全身性エリテマトーデス (母)
mTOR (mammalian Target Of Rapamycin) は、細胞の成長と代謝の調節において中心的な役割を果たす保存されたセリン/スレオニンキナーゼです (24)。mTORは、mTOR複合体1 (mTORC1) あるいはmTOR複合体2 (mTORC2) に組み込まれますが、この2つの複合体の構成因子は構造的に類似しているものの、その機能は異なります (25)。mTORC1は栄養素や成長因子、環境ストレスなどを感知することによって、栄養と代謝をリンクさせます (24-25)。mTORC2はAktの発現と活性化に関与しています (25)。
TSC (Tuberous Sclerosis Complex) はTSC1とTSC2から構成される腫瘍抑制因子です (24-25)。TSCは転写またはオートファジーを調節することにより細胞代謝に影響を及ぼします (25)。悪条件においては、AMPK (AMP-activated protein Kinase) はTSC2をリン酸化し、TSC1-TSC2複合体の形成を促進してmTORC1活性を阻害します (24-25)。AKTを介したリン酸化はTSC2を阻害し、その阻害を解除してmTORC1を活性化します (1、25)。
mTORC1の継続的な活性化はAktの脱リン酸化を引き起こし、mTORC1のフィードバックが抑制されます (25)。このように、mTORC1はAktの下流の活性化標的であると同時に、Aktへのネガティブフィードバック効果によるパスウェイ阻害因子でもあります (1、24-25)。
形質細胞は病原体に対する防御抗体を分泌しますが、全身性エリテマトーデス (SLE) などの自己免疫疾患においては体の細胞を標的とする病原性抗体 (自己抗体) も産生します (26)。mTORC1の過剰活性化は形質細胞および自己抗体の産生を増加させ、病気の発生を促進する可能性があります (24-26)。
PI3K/Aktシグナル伝達が広範囲に及ぶことを考えると、Aktが様々な種類の細胞や組織の様々な刺激への応答において中心的かつ多様な役割を果たすことは不思議ではありません (1-2)。ただし、PI3K/Aktパスウェイはより大規模なシグナル伝達ネットワークの要となる部分であり、すべてのシグナル伝達経路は状況に応じて変化することを心に留めておくことが重要です (1)。病理学の視点から言えば、科学者や医学者たちは「この病気の犯人が誰で、どのような細胞や器官系で、どんなシグナル伝達システムを利用しているのか」を探るボードゲーム「クルー」のシグナル伝達版を毎日プレイしているようなものです。
科学者たちは、PI3K/Aktシグナル伝達のメカニズムを複雑なレベルでより深く理解するために、ネットワークの詳細を解明するのに役立つ (新しい) ツールを必要としています。CSTは、このパズルの穴を埋めることができます。CSTの使命は、がんやトランスレーショナルリサーチに最も関連性が高く、有用で、再現性の高い製品を作ることです。研究者たちがこれらのシグナル伝達ネットワークを操作することで、いつか愛する人を苦しませる病気を治療できるように、CSTは信頼性の高いシグナル伝達ツールを科学者コミュニティに提供できるように努めています。
参考文献：
Insulin Receptor Isoforms in Physiology and Disease: An Updated View. Endocr Rev. 2017 Oct 1;38(5):379-431.