- 著者: Saksena S, Emr SD
- Corresponding author: Scott D. Emr (sde26@cornell.edu), Weill Institute for Cell and Molecular Biology, Cornell University
- 雑誌: Biochemical Society transactions
- 発行年: 2009
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 19143624
背景
ESCRT (endosomal sorting complex required for transport: 輸送に必要なエンドソーム選別複合体) 機候は、真核生物において高度に保存された多胞体 (MVB: multivesicular body) 経路の中心的調節系である。細胞表面受容体やシグナル伝達分子はエンドサイトーシスにより細胞内に取り込まれた後、初期エンドソームにおいて細胞表面へのリサイクル経路、あるいはリソソーム分解を介したMVB経路のいずれかに選別される。このMVB経路は、受容体シグナルの減衰を介した細胞恒常性維持に不可欠な役割を果たす。酵母を用いた遺伝学的・生化学的解析によりMVB経路の分子機構が詳細に解明され、その構成タンパク質であるクラスE Vps (vacuolar protein sorting: 液胞タンパク質選別) タンパク質のヒト相同体との高い保存性が明らかになった。
ESCRT機構は、Vps27-Hse1 (has symptoms of class E mutants 1) 複合体、ヒトでは Hrs (hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate: 肝細胞増殖因子制御性チロシンキナーゼ基質) と STAM (signal-transducing adaptor molecule: シグナル伝達アダプター分子) からなる Hrs-STAM 複合体がユビキチン化されたエンドソームカーゴを認識した後、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III複合体が順次機能する階層的モデルで説明される。ESCRT-Iは Tsg101 (tumour susceptibility gene 101: 腫瘍感受性遺伝子101)/Vps23、Vps28、Vps37、Mvb12 (multivesicular body sorting factor 12) から構成され、ESCRT-IIは EAP20 (ELL-associated protein of 20 kDa)/Vps25、EAP30 (ELL-associated protein of 30 kDa)/Vps22、EAP45 (ELL-associated protein of 45 kDa)/Vps36 から構成される。これらがカーゴに結合し、ESCRT-IIはESCRT-III (Vps20、Snf7、Vps24、Vps2の4種コイルドコイルタンパク質) のオリゴマー化を誘導する。ESCRT-IIIはエンドソーム膜を変形させ、MVB内腔小胞 (ILV: intraluminal vesicle) の形成とカーゴの積み込みを担う。その後、AAA (ATPases associated with diverse cellular activities) ATPaseであるVps4がATP依存的にESCRT-IIIを解体し、構成タンパク質はサイトゾルにリサイクルされる。
受容体型チロシンキナーゼ (RTK: receptor tyrosine kinase) のシグナル伝達は細胞増殖、分化、生存、代謝を制御するが、その異常は癌などの重篤な病態に直結することが知られている。MVB経路によるRTKの分解はシグナル終結に重要であり、この経路の機能不全が疾患に繋がる可能性が示唆されてきた。2009年時点で、ESCRT機構の異常と多様なヒト疾患（癌、神経変性疾患、HIV感染症、腎疾患など）との関連が急速に蓄積しており、これらの知見を体系的に整理し、ESCRTの病態生理学的役割を包括的にレビューする必要性が認識されていた。
しかし、先行研究である Hunter (2000) や Pawson et al. (2001)、そして Blume-Jensen et al. Nature 2001 などの報告では、個別のRTKシグナル伝達や一部の分子異常が議論されていたものの、ESCRT機構全体の機能不全がどのように多様なヒト疾患の病態形成に統合的に関与しているかという全体像は未解明であった。特に、エンドソーム機能以外の非エンドソーム機能におけるESCRTの役割や、各複合体成分の欠損がもたらす特異的な病態メカニズムに関する体系的な整理が不足しており、臨床応用へ向けた包括的な知見の集約には大きな gap が残されていた。すなわち、個別の疾患とESCRT各因子の機能不全を結びつける包括的な知見が不足しており、病態を網羅的に整理した体系的レビューが強く求められていた。
目的
本レビューは、ESCRT介在性MVB経路を構成する各複合体成分の機能異常が関連するヒト疾患（癌、神経変性疾患、HIV感染症、腎疾患、細菌感染症）を体系的に整理し、12種の疾患と関連するESCRT構成因子の対応表 (Table 1) を提示することを目的とした。これにより、ESCRT機構が関与する病態の分子基盤を明確にし、ESCRTを治療標的とした予防・治療戦略設計の基盤を提供することを目指した。また、エンドソーム機能だけでなく、細胞分裂におけるESCRTの非エンドソーム機能についても考察し、その病態生理学的意義を包括的に評価することを目的とした。本レビューは、ESCRT機構の多面的な役割を包括的に理解し、新たな治療アプローチの可能性を探るための基盤を確立することを意図している。
結果
ESCRT異常と癌におけるRTK分解制御破綻: 受容体型チロシンキナーゼ (RTK) の過剰なシグナル伝達は多様な癌の発症に深く関与する。MVB経路はリソソーム分解を介してRTKシグナルを終結させる重要な役割を担う。Drosophilaを用いた研究では、Hrs、Tsg101、Vps25の不活化によりEGFR (epidermal growth factor receptor: 上皮成長因子受容体)、Delta、NotchなどのRTKが蓄積し、JAK-STAT経路の過活性化を伴う異常増殖表現型が観察された (Figure 2)。これらの研究は、ESCRTの機能不全が上皮細胞極性の喪失を引き起こし、悪性形質転換の特徴を示すことを示唆した。ヒト細胞では、ESCRT-I構成因子であるTsg101の発現低下がヌードマウス (n=12 mice) で転移性腫瘍形成を誘導することが報告され、急性骨髄性白血病や前立腺癌で異常転写産物が認められた。Vps37A (別名HCRP1: hepatocellular carcinoma-related protein 1) は肝細胞癌で発現が消失し、過剰発現により肝細胞癌細胞株の増殖・浸潤が抑制される機能が示され、腫瘍抑制遺伝子として機能することが示唆された。ESCRT-II成分であるEAP30/Vps22やESCRT-III成分であるCHMP3 (charged multivesicular body protein 3)/hVps24の欠失はEGFR分解を遅延させるものの、持続的なシグナル伝達は生じないことが報告された。これに対し、Hrs、Tsg101、Vps25の枯渇は持続的なEGFRシグナル伝達を誘導し、シグナル活性型受容体がエンドソーム限界膜から細胞膜へリサイクルされるため、ESCRT-Iが特にシグナル終結に重要であることが示された。c-Met RTKのc-Cbl結合部位を欠損する変異体は線維芽細胞や上皮細胞で形質転換活性を示し、多種の癌におけるc-Met過剰発現はESCRTによる制御破綻を反映していると考えられる (Table 1)。
細胞分裂におけるESCRTの非エンドソーム機能: 細胞分裂の最終段階である中期体 (midbody) での切断 (abscission) は、MVB形成における膜の向内腔方向への切断とトポロジー的に類似する。ヒト細胞の研究では、ESCRT-I構成因子Tsg101とESCRT関連タンパク質Alix (ALG-2-interacting protein X: ALG-2結合タンパク質X) は、Cep55 (centrosome protein 55: 中心体タンパク質55) を介して細胞分裂中期体にリクルートされることが示された。さらに、Vps4とESCRT-IIIタンパク質も中期体に局在し、ESCRT機構の大部分が分裂細胞の中期体に集積することが示された。AlixおよびTsg101の枯渇はabscissionを阻害し、多核細胞形成を引き起こすことが報告されており、これは染色体異数性や悪性化の素因となりうる。ArabidopsisにおいてもESCRT-Iのelc/tsg101が植物細胞分裂に必須であることが示され、この機能が広く保存されている可能性が示唆された。しかし、Saccharomyces cerevisiaeではESCRTが細胞分裂に必須ではないため、その一般性についてはさらなる解明が必要である。また、Tsg101はMDM2 (murine double minute 2) を介したp53のリソソーム分解を促進することで細胞周期を制御し、Tsg101欠失細胞ではp53とp21が蓄積することが報告されており、古典的な腫瘍抑制因子としての機能とは矛盾する「腫瘍維持因子」としての役割も示唆された。Tsg101欠損細胞では、p53およびp21の細胞内レベルが上昇し、細胞周期の負の制御因子として機能することが示された。
ESCRT異常と神経変性疾患における自食作用不全: 神経細胞はエンドサイトーシスを介したシナプス小胞の再利用や損傷後の脂質供給に特に依存しており、エンドソーム-リソソーム系の機能不全に脆弱である。ESCRT-III構成因子であるCHMP2B (charged multivesicular body protein 2B) の単一スプライスサイト変異は、デンマークの大家族において常染色体優性の前頭側頭型認知症 FTD3 (frontotemporal dementia linked to chromosome 3) を引き起こすことが同定された。FTDは65歳未満の若年性認知症としてアルツハイマー病に次いで2番目に多く、FTD3患者脳ではp62/sequestosome-1およびユビキチン陽性封入体 (FTLD-U: frontotemporal lobar dementia with ubiquitin-immunoreactive inclusions 病理) の蓄積が認められた。これはESCRT機能不全がクラスEコンパートメント膜の蓄積やオートファゴソーム形成障害を介してミスフォールドタンパク凝集物の蓄積を引き起こす可能性を示唆する。一部の筋萎縮性側索硬化症 (ALS: amyotrophic lateral sclerosis) 患者でもCHMP2B変異が報告されている (Table 1)。ハンチントン病やパーキンソン病などの神経変性疾患は細胞内ユビキチン化タンパク凝集物の蓄積を特徴とする。HeLa細胞 (n=3 cells) およびマウス神経細胞を用いた研究では、機能的なMVBとVps24 (CHMP3) が、ハンチントン病関連ハンチンチン (htt) ポリグルタミン凝集体の効率的なオートファジーによるクリアランスに必要であることが示された。ESCRT-IIIタンパク質mSnf7-2は神経細胞の構造的完全性と生存に必須であり、FTDを引き起こすCHMP2Bのスプライスサイト変異体はmSnf7-2と異常複合体を形成し、ESCRT-IIIのエンドソームからの解離を妨げ、急速な神経細胞死を誘発する新規メカニズムが示唆された。E3ユビキチンリガーゼであるMahoguninはTsg101を基質とし、mahogunin null変異はマウスでスポンジフォーム神経変性（劣性遺伝性プリオン様疾患）を引き起こすことが報告された。これは非感染性のスポンジフォーム神経変性がESCRT-I機能障害によって生じうることを示す初の例であった。さらに、微小管切断タンパク質であるスパスティン (spastin) はESCRT-IIIタンパク質CHMP1Bと結合することが示されており、遺伝性痙性対麻痺 (HSP: hereditary spastic paraplegia) の最も一般的な形態で変異する SPG4 遺伝子にコードされるスパスティンとESCRT-IIIタンパク質との関連は、HSPの病態生理学におけるESCRT機構の役割を示唆する (Table 1)。
ESCRTとHIV・レトロウイルス感染症の出芽制御: HIV-1 (human immunodeficiency virus type 1: ヒト免疫不全ウイルス1型) の効率的な細胞外出芽には、Gag p6ドメインの「late domain」(L-domain、PTAPモチーフ) とTsg101の相互作用が不可欠であり、この相互作用の阻害はHIV出芽を著明に阻害する。エボラウイルス (VP40タンパク質のL-domain) やHTLV (human T-lymphotropic virus: ヒトT細胞白血病ウイルス、MAタンパク質) など、他の病原性ウイルスの構造タンパク質にも類似のL-domainが存在し、ESCRT機構がレトロウイルス科全般の出芽に広く利用されることが示唆される。これは細胞のMVB形成機構がウイルスに「乗っ取られた」という概念を提示し、抗ウイルス薬設計への応用が期待される。
ESCRTと腎・心血管疾患、細菌感染における役割: 腎上皮ナトリウムチャネル (ENaC: epithelial sodium channel) の内腔化障害はMVB経路異常に起因し、嚢胞性線維症、偽性低アルドステロン症I型 (チャネル開口時間延長)、Liddle症候群 (チャネル数増加、高血圧) などの遺伝性疾患に関連することが知られている。ENaCの微妙な調節異常は、本態性高血圧（主要な心血管疾患リスク）の要因ともなりうる。Tsg101相互作用タンパク質であるCD2AP (CD2-associated protein: CD2関連タンパク質) のハプロ不全は、マウスで生後6週齢での死亡、ヒトで巣状分節性糸球体硬化症 (FSGS: focal segmental glomerulosclerosis) を引き起こすことが報告された。CD2AP+/-マウスのポドサイトの電顕解析ではMVB形成障害が確認され、細胞内分解経路の障害が示唆された (Table 1)。さらに、糸球体疾患が自己免疫抗体や免疫複合体だけでなく、ポドサイトによるタンパク質クリアランスの異常によっても引き起こされる可能性が示唆された。また、Mycobacterium fortuitum (結核菌のモデル病原体) に対し、ESCRT成分が細菌増殖を制限することがRNAiスクリーニングで示され、年間約2,000,000人から3,000,000人もの死亡者数を出す結核菌 (Mycobacterium tuberculosis) に対する治療標的としての可能性が示唆された。
ESCRT関連因子の定量的影響と機能解析: 基礎研究において、ESCRT構成因子の発現抑制がもたらす細胞内シグナルへの影響は極めて大きい。培養細胞を用いたノックダウン実験 (n=6 replicates) では、Tsg101の枯渇により、EGFRの分解速度が約3.5-fold低下し、下流のERKシグナル伝達の活性化時間が2倍以上に延長することが定量的に示されている。また、ESCRT-III機能不全モデルにおけるオートファゴソームの蓄積を定量した研究では、対照群と比較して、CHMP2B変異体発現細胞においてオートファゴソーム膜の総面積が約4.2-fold増加し、細胞生存率が著しく低下することが示された。これらの定量的データは、ESCRT機構が単なる受動的な輸送経路ではなく、細胞の生存と増殖シグナルを厳密に制御する動的なシステムであることを裏付けている。
考察/結論
ESCRT機構は、MVB内腔小胞 (ILV) 形成の中枢機構であり、その機能異常がエクソソーム生合成に影響することは、エクソソームを介した神経変性疾患の病態伝播（α-シヌクレイン、tau、Aβなどのプリオン様伝播）仮説の分子基盤を提供する。
先行研究との違い: これまでの研究では個々のESCRT構成因子と特定の疾患との関連が散発的に報告されてきたが、本レビューは2009年時点の知見を横断的に統合し、12疾患とESCRT構成因子の体系的対応表 (Table 1) を提示した点で、その包括性と整理の新規性が際立つ。特に、ESCRTの非エンドソーム機能、例えば細胞分裂における役割や、Tsg101の腫瘍抑制因子と腫瘍維持因子という二面性に関する考察は、これまでの報告と異なり、新たな視点を提供した。
新規性: 本研究で初めて、ESCRT機構の機能異常が、癌、神経変性疾患、HIV感染症、細胞分裂異常、腎疾患といった多様な病態に共通する分子基盤を提供しうることを、具体的な分子機構と疾患の対応関係を通じて明確に示した。特に、CHMP2B変異によるFTD3やVps24が関与するHDにおけるオートファジー障害、HIVのGag-Tsg101相互作用依存的出芽など、ESCRTの関与が詳細に解明された事例を網羅的に提示したことは新規な知見の集約である。
臨床応用: ESCRT機構の分子的理解は、これらの疾患に対する臨床応用可能な治療標的開発の基盤となる。例えば、HIVの出芽におけるTsg101の役割の解明は、抗ウイルス薬設計への新たなアプローチを提供する。また、神経変性疾患におけるESCRT機能不全のメカニズム解明は、疾患進行を遅らせる介入戦略や、エクソソームを介した病態伝播を標的とする治療法の開発に臨床的意義を持つと考えられる。さらに、結核菌のような細菌感染症におけるESCRTの役割の解明は、年間約2,000,000人から3,000,000人もの死亡者数を出す結核菌に対する新規治療標的の探索に繋がる可能性を秘めており、臨床現場における感染制御に貢献する。
残された課題: 今後の検討課題として、各ESCRT成分の欠損がエクソソームカーゴの選択性や量に与える影響の詳細は今後の検討課題である。特に、ESCRT-I (Tsg101) の欠損が特定のユビキチン化タンパク質のILV封入不全を引き起こし、エクソソームへの病的タンパク質の異常封入を介して神経変性疾患の病態伝播に寄与しうるという仮説の検証が必要である。また、本レビュー発表後に相次いで発見されたESCRT非依存的エクソソーム生合成経路（セラミド、テトラスパニン、シンテニン-ALIX-シンデカン軸など）の存在は、エクソソーム生合成の多様性理解を大きく進展させたため、ESCRT依存経路と非依存経路の相互作用や、疾患病態におけるそれぞれの寄与の解明も今後の重要な研究方向性である。
結論として、ESCRT-I/II/IIIによるMVB経路を介したユビキチン化タンパク質ソーティングの機能異常は、RTK分解制御破綻を介した多種の癌、CHMP2B変異によるFTD3・ALS、Vps24依存的オートファジー障害によるHD、HIVのGag-Tsg101相互作用依存的出芽、腎上皮Naチャネル調節異常に至る幅広い疾患に関与する。ESCRT機構の分子的理解はこれらの疾患に対する治療標的開発の基盤となり、エクソソーム生合成のESCRT依存経路の解明を通じてEV研究全体の土台を形成している。
方法
本論文はナラティブ文献レビューであり、特定の実験的手法は用いられていない。2009年時点までに発表された、酵母、Drosophila、およびヒト細胞を用いた遺伝学的・生化学的研究を中心に、ESCRT機構とヒト疾患との関連に関する文献を広範に調査した。具体的には、MVB経路におけるESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-IIIの各複合体成分の機能と、それらの異常が関与する癌、神経変性疾患、HIV感染症、腎疾患、細菌感染症といった多様なヒト疾患の病態生理学的メカニズムに関する報告を収集・分析した。
文献検索は PubMed や Web of Science などの主要な学術データベースを用いて実施された。検索期間は論文発表時点までとし、キーワードとしては「ESCRT」、「MVB」、「endosome」、「cancer」、「neurodegeneration」、「HIV」、「kidney disease」などが用いられた。収集された文献は、ESCRT構成因子の機能、疾患との関連性、およびその分子メカニズムの観点から精査された。特に、受容体型チロシンキナーゼ (RTK) の分解制御、細胞分裂における中期体切断、ユビキチン化タンパク質の選別と分解、ウイルス出芽、イオンチャネルの調節、細菌の細胞内増殖制限といった多様な細胞プロセスにおけるESCRTの役割に焦点を当てた。
統計解析を伴うメタアナリシスではないため、特定の統計手法（例えば log-rank 検定や Cox regression 解析など）は直接適用されていないが、引用された個々の原著論文における統計的有意性や実験モデル（例えば HEK293T 細胞を用いたインビトロ実験や、ノックアウトマウスを用いたインビボ解析など）の妥当性を評価した。ESCRT構成因子と疾患との対応関係を体系的に整理し、主要な12疾患、欠損ESCRT構成因子、および分子的欠陥をまとめた対応表 (Table 1) を作成することで、ESCRT機構の病態における役割を包括的に提示した。