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Applied Biological Materials(APB)社 成長因子とサイトカイン 入門

記事ID : 41939
研究用

各ファミリーの特徴、その応用まで解説しますApplied Biological Materials(APB)社 成長因子とサイトカイン 入門


成長因子やサイトカインは、オートクライン、パラクライン、エンドクラインなどの方法で細胞の活動を制御するシグナル分子です。成長因子やサイトカインは、特定の受容体に結合し、関連する下流のシグナル伝達経路を活性化することで、核内での遺伝子転写を調節し、最終的には生物学的反応を引き起こします(1)(図1)。成長因子やサイトカインは、異なる種類の細胞に対して様々な機能を発揮する一方で、異なる成長因子やサイトカインが特定の細胞に対して類似または重複した機能を発揮することもあります。成長因子やサイトカインは、成体における細胞増殖、分化、アポトーシス、免疫・造血反応、形態形成、血管新生、代謝、創傷治癒、組織の恒常性維持など、様々な生理的プロセスに影響を与えています。成長因子やサイトカインの産生や制御の異常は、癌(2)、肝線維症(3)、気管支肺異形成(4)など様々な疾患の原因となります。歴史的には、成長因子は細胞の成長や増殖にポジティブな影響を与える物質であると考えられており、一方、サイトカインは通常、免疫学的/造血学的な反応を示すと考えられていました。しかし、様々な研究が進むにつれ、「成長因子」と「サイトカイン」は似たような機能を持つことがわかってきたため、現在ではこれらの用語は互換的に使われています。

シグナル分子を用いた隣り合う細胞間のコミュニケーション
図1.シグナル分子を用いた隣り合う細胞間のコミュニケーション。

成長因子のシグナル伝達メカニズム

・パラクライン

パラクラインシグナルは隣接する細胞間で発生し、そのシグナルは迅速な反応を引き起こします。パラクラインリガンドが分解されるため短時間しか持続しません。

・オートクライン

オートクラインシグナリングは、細胞が自ら合成した物質を介して自身にシグナルを送り、同じ細胞内で生物学的な反応を引き起こすものです。
オートクラインシグナルは、細胞質内で起こるものと、分泌された成長因子やサイトカインが同じ細胞の表面にある受容体と相互作用することによって起こるものがあります。

・エンドクライン

エンドクラインシグナルは、成長因子やサイトカインが血液中に分泌され、血液や組織液によって標的細胞に運ばれ、その後の反応が引き起こされます。

成長因子のクラス分類

成長因子は、構造的・機能的特徴に基づいて、さまざまなファミリー/スーパーファミリーに分類されます。

・トランスフォーミング成長因子β(TGF-β)スーパーファミリー

TGF-βスーパーファミリーには、TGF-βタンパク質、骨形成タンパク質(BMPs)、成長分化因子(GDFs)、グリア由来神経栄養因子(GDNFs)、Activins、Inhibins、Nodal、Lefty、Mülllerian Inhibiting Substance(MIS)が含まれます(図2)。すべてのファミリーに共通しているのは、自身が二量体を形成する点、及び受容体がタイプIおよびタイプIIの受容体サブユニットからなるヘテロ二量体を形成している点です。リガンド結合後、II型受容体はI型受容体をリン酸化して活性化し、I型受容体はSmad依存性のシグナル伝達経路を活性化して、遺伝子の転写を制御します。TGF-βスーパーファミリーのメンバーは、形態形成、胚発生、成体幹細胞の分化、免疫制御、創傷治癒、炎症、癌などの様々な生物学的プロセスを多機能に制御しています(5)。

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図2.TGF-βスーパーファミリー

・上皮細胞成長因子(EGF)ファミリー

EGFファミリーには、EGF、TGF-α、ニューレグリン、アンフィレグリン、ベタセルリンなどが含まれます。すべてのファミリーメンバーは、6つのシステイン残基を含む保存されたアミノ酸配列 (3つの分子内ジスルフィド結合を形成します) を1つ以上持っています。EGFファミリーのメンバーは、EGFR/ErbB受容体チロシンキナーゼを介して作用します。EGFファミリーのメンバーは、細胞の増殖、分化、生存を促進する能力でよく知られています。またEGFファミリーのメンバーとその受容体の制御異常は、腫瘍の発生と密接に関連していることが知られています(6)。

・血小板由来成長因子(PDGF)

血小板由来成長因子(PDGF)は、強力な細胞分裂促進および走化性タンパク質です。現在、4つの遺伝子(PDGFA、PDGFB、PDGFC、PDGFD)によってコードされる4つのPDGFタンパク質が知られています。PDGFは、活性化したマクロファージ、上皮細胞、内皮細胞、平滑筋細胞、活性化した血小板などの異なる細胞集団によって産生されます(7,8)。
PDGFは、PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-CC、PDGF-DD、PDGF-ABなどのジスルフィド結合したホモダイマーまたはヘテロダイマーとして分泌されます。PDGF受容体には、PDGFRαとPDGFRβというチロシンキナーゼ活性を持つ2つの受容体が知られていますが、いずれもヘテロ二量体やホモ二量体を形成することができます。リガンドの結合により受容体の二量体化、自己リン酸化が促進され、その結果、複数の下流の細胞内シグナルカスケードが活性化されます。
PDGFRαを介したシグナル伝達は、顔面骨格、毛包、精子形成、肺、腸の絨毛の発生に重要で、PDGFRβを介したシグナル伝達は、血管、腎臓、白色脂肪細胞の発生に重要です(9)。このように、PDGFは初期発生、創傷治癒、血管新生に不可欠です。PDGFアイソフォームの調節と産生の異常が、腫瘍、血管疾患、線維性疾患の原因となることは注目に値します。

・線維芽細胞増殖因子(FGF)ファミリー

ヒトでは、FGFファミリーの22のメンバーが同定されており、その全てがヘパリン結合タンパク質です。細胞表面に存在するヘパラン硫酸プロテオグリカンとの高親和性の相互作用は、受容体チロシンキナーゼを介したFGFのシグナル伝達に不可欠です(10)。FGFは多能性タンパク質であり、主に細胞分裂促進作用がありますが、形態形成作用、内分泌作用等も持っています。FGFは、胚の発生過程(9)、成熟した組織・システムの血管新生(11)、ケラチノサイトの組織化(12)、創傷治癒過程(13)等に関与していることが知られています。

・インスリン様成長因子(IGF)

インスリン様成長因子(IGF)は、インスリンと高い配列類似性を持つタンパク質です。IGF受容体は、細胞質にチロシンキナーゼドメインを持つ、ジスルフィド結合したヘテロ4量体の膜貫通型タンパク質です。IGF受容体には、IGFI-RとIGFII-Rの2種類があります。IGFの利用は、IGF Binding Protein1-6によって制御されます(14)。IGFの主な作用は細胞の成長です。実際、下垂体成長ホルモンの作用のほとんどは、IGF、主にIGF-1によって媒介されています。成長ホルモンは多くの組織、特に肝臓を刺激してIGF-1を合成・分泌させ、その結果、骨を含むほとんどの組織で肥大(細胞サイズの増加)と過形成(細胞数の増加)を刺激します。また、IGFはニューロンの生存を誘導したり、軟骨細胞を保護したり、骨細胞を活性化したりもします(15)。

・血管内皮細胞増殖因子(VEGFs)

VEGFは、内皮細胞に特異的なホモ二量体の糖タンパク質成長因子です(16)。VEGFは、血管新生と血管透過性を制御し、特に胚発生、骨格の成長、生殖機能において重要な役割を果たしています。また、造血においても重要な役割を果たしています。VEGFは、主にチロシンキナーゼVEGFR1およびVEGFR2を介してシグナルを伝達し、細胞の生存、増殖、移動、および/または接着を刺激します(17)。VEGFの調節不全は、腫瘍、眼内血管障害、その他の疾患と関連していることが知られています(16)。VEGF遺伝子ファミリーのメンバーには、VEGF/VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E、VEGF-F、およびPlacental Growth Factor (PlGF)が含まれます(18)。

・肝細胞増殖因子(HGF)

HGFは間葉系細胞から分泌され、主に上皮や内皮由来の細胞に対する多機能なサイトカインとして作用します。HGFは、HGFRを介してチロシンキナーゼのシグナルカスケードを活性化することにより、細胞の成長、細胞の運動性、形態形成を制御します(19)。HGFは、胚の器官形成、成人の器官再生、および創傷治癒に大きな役割を果たすことが示されています。さらに、HGFは細胞分裂、細胞運動、マトリックスへの侵入を促進する能力を持ち、血管新生や腫瘍形成において中心的な役割を果たしていることが報告されています(20)。

・腫瘍壊死因子(TNF)

腫瘍細胞のアポトーシスに関与することが知られているサイトカインは、当初、腫瘍壊死因子(またはTNFファミリー)として分類されていました。すべてのTNFファミリーメンバーは、「TNFホモロジードメイン」(THD)と呼ばれる三量体の保存されたC末端ドメインを持っています。受容体との結合に関与するTHDは、ファミリーメンバー間で約20〜30%の配列同一性があります。ほとんどのリガンドは膜結合タンパク質として合成され、タンパク質分解によって切り離されることで可溶性となります(21)。最初に同定されたファミリーのメンバーはTNFαとTNFβでした。現在までに、19種類のTNFスーパーファミリーリガンドと32種類のTNFスーパーファミリー受容体が同定されています。多くのTNFスーパーファミリーのメンバーは、アポトーシスを促進または抑制に関わる一方で、ナチュラルキラー細胞の活性化、T細胞の共刺激、B細胞のホメオスタシスと活性化など、自然免疫系と獲得免疫系の両方において重要な機能を制御しています(22)。 さらに、いくつかのTNFスーパーファミリーのメンバーは、卵胞のアポトーシス(23)や破骨細胞の発生(24)などの細胞タイプ特異的な反応を制御していることが知られています。

・インターロイキン(IL)

インターロイキン(IL) は、免疫応答時に免疫系や造血系の細胞の成長、分化、活性化を制御する免疫調節タンパク質の一種です。ILは、ケモカインやインターフェロン(IFN)とは異なります。ケモカインは、走化性を介して免疫細胞を炎症部位に誘導することが主な機能であり、インターフェロン(IFN)は、主にウイルス感染に対する細胞応答を媒介します。ILは、炎症を促進する作用や抗炎症作用を発揮することから、病原体に対する宿主の防御に不可欠です。既知のILは、その構造上の特徴から、IL1様サイトカイン、クラスIヘリカルサイトカイン(IL4様、γ鎖、IL6/12様)、クラスIIヘリカルサイトカイン(IL10様、IL28様)、IL17様サイトカインの4つのグループに大別されます(表1)。さらに、独自の構造的特徴を持つインターロイキンも多数存在します。インターロイキンは、その種類によって機能が異なります。例えば、IL1とIL2は主にTリンパ球とBリンパ球を活性化する働きがあり、IL2はT細胞とB細胞の成長と成熟を促進する働きがあるとされている。また、IL1はIL6と並んで、炎症の媒介因子として働きます。IL4はBリンパ球の抗体分泌を増加させ、IL12は細胞傷害性T細胞やナチュラルキラー細胞の産生を促進します。ILは主に白血球から分泌されますが、ケラチノサイト、軟骨細胞、線維芽細胞、内皮細胞、上皮細胞、平滑筋細胞など、他の関連する非免疫細胞からも分泌されることがあります。

表1.インターロイキンの分類
グループ 遺伝子 共通点と構造的モチーフ
IL1-like IL1A, IL1B, IL1RN, IL1F5, IL1F6, IL1F7, IL1F8, IL1F9, IL1F10, IL18, IL33 Fold rich in B-strand known as a B-trefoil
γ-chain utilizing IL2, IL4, IL7, IL9, IL15, IL21, TSPL Four tightly packed α-helices known as “four- helix bundle” motif; receptor complex contains γc chain subunit
IL4-like IL3, IL4, IL5, IL13, CSF2 Four tightly packed α-helices known as “four- helix bundle” motif; shorter core helices
IL6/12-like IL6, IL11, IL12A, IL23A, IL27A, IL31, CLCF1, CNTF, CTF1, LIF, OSM, CSF3 Four tightly packed α-helices known as “four- helix bundle” motif; longer core helices
IL10-like IL10, IL19, IL20, IL22, IL24, IL26 “Bundle helix” structural motif containing six or seven stacked helices
IL28-like IL28A, IL28B, IL29 “Bundle helix” structural motif containing six or seven stacked helices
IL17-like IL17A, IL17B, IL17C, IL17D, IL25, IL17F Neurotrophin-like cysteine-knot fold
Non-classified IL8, TXLNA, IL16, IL32, IL34, CSF1 Varies

(Adapted from: Human IL classification. Human Genomics website. http://www.humgenomics.com/content/5/1/30/table/T2. Accessed September 1, 2015)

・インターフェロン(IFN)

インターフェロン(IFN) は、ウイルス、細菌、寄生虫、腫瘍細胞などの病原体の存在に反応して宿主細胞で作られ、放出されるシグナル伝達タンパク質のグループです。IFNは病原体に直接作用するのではなく、感染した細胞やその近くにある細胞を刺激して、病原体の複製や増殖を防ぐタンパク質を産生させます。また、インターフェロンは、B細胞の活性化を抑制し、T細胞の活性を高め、ナチュラルキラー細胞の細胞破壊能力を高めるなど、免疫調整機能も持っています。 ヒトを含む動物では、20種類以上のIFN遺伝子とタンパク質が同定されており、 これらは一般的に I型IFN とタ II型IFNの2つのクラスに分けられます。 I型IFNは、ウイルス性IFNとしても知られており、IFN-α、IFN-β、IFN-ωが含まれます。 II型 IFNは、免疫性IFN(IFN-γ)としても知られています。 ウイルス性IFNはウイルス感染によって誘導されるのに対し、II型IFNは細胞分裂刺激や抗原刺激によって誘導されます。 ほとんどのタイプのウイルス感染細胞は、I型IFNを合成します。一方、IFN-γは、ナチュラルキラー細胞、CD4 Th1細胞など、免疫系の特定の細胞でのみ合成されます(26)。

・コロニー刺激因子(CSF)

コロニー刺激因子(CSF)は、分泌される糖タンパク質で、造血幹細胞の表面にある受容体タンパク質と結合し、細胞内のシグナル伝達経路を活性化することで、細胞を増殖させ、特定の種類の血液細胞(通常は白血球)に分化させます。このようにして、CSFは、がん治療の副作用を軽減したり、感染症のリスクを低減したりします。CSFにはCSF1、CSF2、CSF3の3つのタイプがあります。CSF1は、単球とマクロファージ前駆体の成長と成熟を促進します。また、ヒトマクロファージ/単球の食作用および殺腫瘍活性を高め、様々な異なるサイトカインを分泌するように誘導します。CSF2は、造血前駆細胞の成長と分化を促進することが知られており、CSF3は、顆粒球、単球、マクロファージの産生、分化、機能を制御することで造血に関与しています。

成長因子とサイトカインの応用

成長因子は、その機能や関連するシグナル伝達経路の複雑さを研究するために、多種多様な細胞モデル(細胞培養)で広く使用されています。TGF、EGF、TNF、PDGFは、様々な癌細胞株で使用され、癌細胞の成長、移動、浸潤に対する影響が調べられています(9,27,28,29)。VEGFは、動脈、静脈、リンパ管に由来する血管内皮細胞の成長を促進することが知られており、三次元細胞培養モデルにて、微小血管内皮細胞がコラーゲンゲルに侵入して毛細血管様構造の形成を誘導することが報告されています(17)。 IL2は、in vitroにおいて、B細胞、ナチュラルキラー細胞、リンパ球活性化キラー細胞、単球/マクロファージ、オリゴデンドロサイトの成長と分化を促進することが報告されています(30)。 また、成長因子は細胞を一定の状態に維持するためにも用いられます。例えば、basic FGFは、培養中の胚性幹細胞を未分化な状態に維持するために重要な成分です(31)。

多くの成長因子やサイトカインは、その重要な役割から、前臨床試験や臨床試験に利用されています。 例えばリコンビナントPDGFは、前臨床試験において、間葉系細胞の血管新生、移動および分裂を促進するために使用されています。 リコンビナントヒトPDGF-BBは、歯周組織の再生に有効かつ安全であることが実証されており、慢性炎症による歯周組織の喪失の治療薬としてFDAに承認されています(32)。 顆粒球コロニー刺激因子(G-CSF)および顆粒球-マクロファージコロニー刺激因子(GM-CSF)は、がん患者の白血球の産生を促進するために使用されます。 また、これらの薬剤は、造血前駆細胞(幹細胞)を末梢血循環に動員して、自家骨髄移植に使用できる細胞を生成するためにも使用されます(33)。

さらに、サイトカインの中には、免疫療法に重要な役割を果たすものもあります。免疫療法は、体の免疫防御機能を高めることで効果を発揮し、転移性腎細胞がんの標準的な治療法の一つとされています。1992年、IL2が転移性腎細胞がんの治療薬としてFDAに承認されました。IL2療法は、一部の患者には10年以上の効果をもたらすケースもあり、腎臓がんの治療における重要なマイルストーンとなっています。

IFN-αも腎臓がんの治療に広く用いられています。IFN-αはがん細胞の生物学的プロセスを阻害することで増殖を防ぎ、免疫系に対してがん細胞を脆弱にします。また、IFN-αは、B型肝炎、C型肝炎(非A型、非B型肝炎)、性器疣贅などのウイルス感染症の治療にも承認されています。
IFN-βは再発型多発性硬化症の治療に軽度の効果があり、IFN-γは慢性肉芽腫性疾患の治療に使用されています。

しかし、成長因子・サイトカインの投与には副作用も伴います。例えば、G-CSFの投与は、骨粗鬆症、骨髄壊死、急性冠症候群などを引き起こすことが報告されています(33)。また、IL2やインターフェロンの摂取は、うつ病の症状と関連していると言われています(34,35)。
従って、治療の選択肢として成長因子・サイトカインを使用する場合は、短期的および長期的なシナリオについて、常に臨床的に注意深くモニターする必要があります。

その他用語

ヘパリンとヘパラン硫酸(HS)

ヘパリンとHSは、アミノ糖とウロン酸の繰り返しからなる直鎖状の多糖類であるグリコサミノグリカン(GAG)です。ヘパリンとHSの違いは、ヘパリンはマスト細胞でのみ産生され、抗凝固剤としてのみ機能します。
一方、HSはほとんどすべての細胞タイプで作られ、抗凝固作用を持ちます。また、HSはプロテオグリカン(HSPG)として存在し、2〜3本のHS鎖が細胞表面や細胞外マトリックスタンパク質に近接して結合しています。このような形で、HSはFGFやサイトカインなどの様々なタンパク質リガンドと結合し、発生過程、血管新生、血液凝固、腫瘍の転移など、様々な生物学的活動を制御していると考えられています。

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