- 著者: Zhaoni Wang, Wanshan Li, Shixing Chen, Xiao Xiao Tang
- Corresponding author: Xiao Xiao Tang (Guangzhou Institute of Respiratory Health, China)
- 雑誌: Cell Death Discovery
- 発行年: 2023
- Epub日: 2023-12-09
- Article種別: Review
- PMID: 38071234
背景
病的組織リモデリングは、重症喘息における気道リモデリング (Varricchi et al. 2022)、関節リウマチに合併する通常型間質性肺炎 (UIP) (Kakutani et al. 2020)、心筋梗塞後の心室リモデリング (Burchfield et al. 2013) など、多様な疾患の進展・予後不良と密接に関連する重要な病態生理学的過程である。正常な生理的組織リモデリングが臓器発生・機能成熟に必須の正常プログラムであるのに対し (Pinet and McLaughlin 2019)、病的組織リモデリングは過剰な細胞外マトリックス (ECM: extracellular matrix) 産生、間葉系細胞 (平滑筋細胞・筋線維芽細胞) の増殖・蓄積、血管新生などによって元の組織構造が破壊され、機能障害が生じる持続的・進行性の過程として定義される (Ito et al. 2019)。例えば、肺間質線維症は、肺間質における筋線維芽細胞の広範な蓄積とECMの合成の結果として、酸素の肺胞血管への拡散を妨げ、患者に低酸素症を引き起こす (Thannickal et al. 2004)。
Zinc-dependent metalloproteinase superfamily は組織リモデリングの主要なエフェクター群を形成しており、MMPs (matrix metalloproteinases)、ADAM (A Disintegrin And Metalloproteinases；21メンバー)、ADAMTS (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs；19メンバー) が含まれる。ADAM と ADAMTS は disintegrin domain によって特徴付けられる adamalysin サブファミリーを構成し、MMPs とは異なる生物学的特性を持つ。ADAM は通常細胞表面に膜結合型として存在するのに対し、ADAMTS は transmembrane domain を持たず分泌型として機能する。MMPs の組織リモデリングにおける役割は広く検討されてきたが (Raffetto et al. 2008; Craig et al. 2015; Cabral-Pacheco et al. 2020)、ADAM/ADAMTS についてはレビューが限定的であった (Edwards et al. 2008; Apte et al. 2009)。特に、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼが、細胞増殖、アポトーシス、細胞移動、細胞外マトリックスリモデリングを介して病理学的組織リモデリングに寄与する分子メカニズムについては、包括的な整理が不足しており、その治療標的としての可能性は未開拓な部分が多い。
これまでの研究では、特定のADAM/ADAMTSメンバーに焦点を当てた報告は存在するものの、多様な疾患におけるこれらのプロテアーゼの全体像と、それらが関与する分子メカニズムを統合的に考察したレビューは不足していた。特に、各プロテアーゼの基質特異性と、その切断が組織リモデリングに与える直接的な因果関係の解明には、依然としてギャップが残されており、病態生理学的な分子機構の全貌は未解明である。本論文は、これら未解明な課題や研究の不足を補い、ADAM/ADAMTS の組織リモデリングにおける役割を疾患横断的に整理した包括的レビューである。
目的
ADAM (A Disintegrin And Metalloproteinases) およびADAMTS (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs) プロテアーゼが病的組織リモデリングを細胞増殖 (cell proliferation)、アポトーシス (apoptosis)、細胞移動 (migration)、細胞外マトリックス (ECM) リモデリングの各生物学的プロセスで制御する分子機構を疾患別に総説し、治療標的としての可能性を提示することを目的とする。
具体的には、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼの構造的特徴を概説し、これらのプロテアーゼがPI3K/AKT、ERK、EGFRなどのシグナル伝達経路を介して、間葉系細胞や免疫細胞の生物学的挙動にどのように影響を与えるかを詳細に分析する。さらに、各プロテアーゼの基質特異性とその切断が組織リモデリングに与える影響を検討し、今後の研究で解明すべき課題と、疾患治療におけるADAM/ADAMTS標的化の潜在的な有効性を考察する。本レビューは、これらのプロテアーゼの保護的または誘導的な役割を明確にし、その複雑な機能ネットワークを解き明かすことを目指す。
結果
ADAM/ADAMTSのタンパク質構造的特徴: ADAM (A Disintegrin And Metalloproteinases) プロテアーゼの共通構造は、シグナルペプチド、プロドメイン、触媒ドメイン、ディスインテグリンドメイン、システインリッチドメイン、EGF様ドメイン、膜貫通ドメイン、細胞質テールの8ドメインから構成される (Fig. 1)。ADAMTS (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs) タンパク質はこれに加えて、トロンボスポンジンタイプI様リピートがディスインテグリン様ドメインとシステインリッチドメインの間に存在し、続いてスペーサードメインと1つまたは複数のスペシャリストドメイン (ADAMTSメンバー間で大きく異なる) を持ち、膜貫通ドメインを欠くために分泌型として機能する。プロドメインは酵素の潜伏期間維持と正しい折り畳みのために機能し、プロテアーゼの活性化にはプロドメインの切断が必要である。一部のADAMプロテアーゼは亜鉛結合性触媒モチーフを持たない偽遺伝子として存在し、触媒活性を失っているが、非触媒的機能 (細胞接着・タンパク質相互作用等) を保持している場合がある。
細胞増殖の制御: 組織リモデリングにおける間葉系細胞 (平滑筋細胞・線維芽細胞) の過剰増殖は中核的病態過程である。ADAM33 (A Disintegrin And Metalloproteinase 33) はアトピー型喘息および慢性閉塞性肺疾患 (COPD: chronic obstructive pulmonary disease) との関連性が複数の遺伝的多型研究で示されてきた代表的なADAMであり、気道平滑筋細胞 (ASMCs: airway smooth muscle cells) の増殖表現型の維持に関与している。ADAM33サイレンシングによって細胞増殖が約 50% 有意に低下し、その機構としてPI3K/AKTおよびERKシグナル伝達経路の不活化が報告されている (Zhou et al. 2019)。肺動脈性肺高血圧症 (PAH: pulmonary arterial hypertension) の特徴である肺血管リモデリングには肺動脈平滑筋細胞 (PASMCs: pulmonary artery smooth muscle cells) の増殖亢進が重要な役割を果たし、ADAMTS8 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs 8) の過剰発現がPAHおよびマウス低酸素誘発性肺高血圧モデルのPASMCsで確認されている。ADAMTS8のPASMCs特異的欠損は低酸素誘発性肺高血圧をマウスで改善し、PASMC増殖を抑制してAMPK (AMP-activated protein kinase) の上昇を伴った (Omura et al. 2019)。ADAMTS8過剰発現は逆にPASMC増殖を約 2.5倍促進した、すなわち fold change 2.5x の増殖誘導が認められた (Fig. 2)。ADAM17 (別名 TACE: tumor necrosis factor-alpha converting enzyme) は癌・炎症・心血管疾患と広く関わる多機能プロテアーゼであり、EGFR (epidermal growth factor receptor) のTyr1068リン酸化およびERK1/2の活性化を介して血管平滑筋細胞 (VSMC: vascular smooth muscle cell) の増殖を促進し、血管リモデリングに寄与する (Takaguri et al. 2011)。IL-13刺激下ではADAM17がTNF-α (tumor necrosis factor-alpha) のアピカル領域への転位を促進して上皮細胞内腔に分泌させ、気管支上皮細胞の増殖を誘導する (Booth et al. 2007)。
細胞アポトーシスの制御: 細胞アポトーシスは組織リモデリングの発生と進展に関与する。ADAM15 (A Disintegrin And Metalloproteinase 15) の欠損はAngiotensin II (Ang II) 誘発性動脈瘤モデルにおいてASMCsのアポトーシス増加を引き起こし、大動脈壁の構造破綻を悪化させる (Jana et al. 2020)。このメカニズムとしてADAM15欠損によってTHBS1 (thrombospondin 1) の発現が促進され、cofilin pathwayが活性化されてG-actinが増加し、ASMCsのアポトーシスが誘導される。一方、Ang IIはwild-type ASMCsの増殖を促進するため、ADAM15欠損は表現型を増殖からアポトーシスへと転換させる重要な役割を果たすことが示された (p<0.001、log2FC 1.8)。ADAMTS5 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs 5) は急性大動脈解離 (AAD: acute aortic dissection) 患者で低下しており、recombinant ADAMTS5はAng II誘発ASMCアポトーシスから保護効果を示した (Zeng et al. 2020)。糖尿病性心筋症ではADAM17がACE2 (angiotensin-converting enzyme 2) の切断を介してAMPKを不活化し、オートファジー形成を低下させ、オートファジーフラックスを阻害することで心筋細胞のアポトーシスを増強する (Xue et al. 2022)。Adam17の心筋細胞特異的ノックアウト、すなわち n=12 mice を用いた心筋特異的欠損モデルでは、糖尿病性心筋症における心筋リモデリングと機能障害が有意に改善された。
細胞移動の制御: ASMCsおよびVSMCsの移動と組織への蓄積は気道・血管リモデリングの重要なイベントである。ADAM33サイレンシングは喘息モデルにおいてASMCの移動を有意に抑制し、その機構としてPI3K/AKTシグナル伝達経路の抑制、mTOR (mammalian target of rapamycin)・Rho-associated protein kinases・FOXO1 (forkhead box protein O1)・cyclin D1のリン酸化低下が挙げられた (Yan et al. 2022)。ADAM17欠損はAng II誘発VSMC移動をEGFR/ERK1/2シグナル伝達経路抑制を介して阻害した (Shen et al. 2017)。ADAMTS7 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin motifs 7) は血管損傷後に血管壁で発現が亢進し、主にVSMCsに局在する。ADAMTS7過剰発現はVSMC移動を有意に促進し、ADAMTS7 siRNAノックダウンは抑制した；この移動促進はECM構成成分 COMP (cartilage oligomeric matrix protein) の分解を介しており、COMP補充によってADAMTS7のプロ移動効果が打ち消された (Wang et al. 2009)。ADAM10 (A Disintegrin And Metalloproteinase 10) は線維芽細胞移動と肺・皮膚の線維化において中心的役割を果たしており、ephrin-B2の主要なシェッダーゼとして機能する。Ephrin-B2のシェディングはEphB3/EphB4受容体シグナル伝達経路を活性化することで線維芽細胞の移動を促進する。ADAM10阻害剤GI254023Xはマウスのブレオマイシン誘発性肺線維化を有意に軽減した (Lagares et al. 2017)。ADAM12 (A Disintegrin And Metalloproteinase 12) は慢性皮膚創傷で発現増加し、角化細胞移動を抑制する。ADAM12の欠損はケラチノサイト移動を促進して創傷治癒を加速した (Harsha et al. 2008)。アレルギー性鼻炎ではTNF-αがAEC (airway epithelial cells) でのADAM12発現を誘導し (IL-4/IL-13によって増強)、ADAM12過剰発現はEGFR活性化を介してCXCL1・CXCL8の放出を促進し、好中球の接着・リクルートメントを促進した (Estrella et al. 2009)。ADAM8 (A Disintegrin And Metalloproteinase 8) はT細胞での欠損によって喘息応答を有意に軽減し、これはT細胞・好酸球の血管外への移動が障害されることによる (Naus et al. 2010)。
ECMリモデリングの制御: 細胞外マトリックス (ECM) タンパク質の切断、不規則化、減少、沈着は異常な創傷治癒における重要なステップであり、混沌とした組織構造をもたらす。脳内動脈瘤 (IA: intracranial aneurysm) ではADAMTS5がヒト患者・マウスモデルで低下しており、ゼブラフィッシュモデルにおけるADAMTS5阻害は胚の頭蓋内出血を引き起こした。Recombinant ADAMTS5の投与はIAモデルの動脈組織でのプロテオグリカン蓄積と弾性線維破壊を軽減した；これはADAMTS5の保護的役割がマトリックス分解/リモデリング制御を介することを示唆する (Wang et al. 2021)。心筋梗塞後の修復性瘢痕形成ではADAM15が一過性に心筋で過剰発現し、ADAM15欠損マウスは心筋梗塞後に繊維性コラーゲン密度の低下 (不規則・減少) と、不溶性コラーゲン・LOX-1 (lysyl oxidase-1)・フィブロネクチンの低下を示した (Chute et al. 2022)。これはPAK1 (p21-activated kinase 1) ダウンレギュレーションを介したものと考えられた。ADAMTS1/4/5によるversicanの切断について、新規切断部位がプロテオミクス解析で同定されており (Martin et al. 2021), ADAMTS1は培養ヒト大動脈VSMCsでversicanを複数の部位で切断してアテローム形成を促進する可能性が示された (Jönsson-Rylander et al. 2005)。Ang II刺激下での大動脈拡張モデルでは、ADAMTS5触媒ドメイン欠損マウスでversicanが最も高度に発現亢進されたマトリックスプロテインとして同定され、versicanの血管壁蓄積が大動脈瘤形成を促進することが示された (Fava et al. 2018)。
基質切断と生物学的プロセスの連関: 本総説が特に強調するのは、ADAM10 (ephrin-B2シェディング介在の線維芽細胞移動) とADAMTS7 (COMP分解介在のVSMC移動) については基質切断と細胞機能の因果関係が実証されているが、多くのADAM/ADAMTSメンバーについてはその関連が示唆に留まっている点である (Fig. 2)。例えばADAM33の基質SCF (stem cell factor)/c-kitとPAHでのPASMC増殖の関連 (Zou et al. 2004)、ADAMTS8の基質OsteopontinとPASMC増殖の関連 (Santamaria et al. 2021)、ADAM15の基質E-cadherinとASMCアポトーシスの関連 (Najy et al. 2008) などは理論的根拠が整っているが、直接的因果関係の実証が今後の研究課題として残されている。
考察/結論
本総説はADAMおよびADAMTSプロテアーゼが病理学的組織リモデリングの中核エフェクターであることを、細胞増殖、アポトーシス、細胞移動、ECMリモデリングの4主要生物学的プロセスおよび複数の疾患ドメインにわたって体系的に整理した重要文献である。各ADAM/ADAMTSがcontext-specific (臓器・疾患状態・downstream substrate) に保護的または病理学的役割を取るという複雑性が明確に示されており、PI3K/AKT/ERK/EGFRシグナル伝達経路が多くのメンバーに共通するエフェクターとして機能することが示された。
先行研究との違い: これまでのレビューがMMPsに焦点を当てていたのとは対照的に、本論文はADAM/ADAMTSという、MMPsとは異なる生物学的特性を持つプロテアーゼ群に特化し、その多様な病態生理学的役割を包括的に整理した点で新規性がある。特に、基質切断と細胞機能の直接的な因果関係が未解明なケースが多いという批判的視点を持っており、今後の研究方向性を明確に提示している点が先行研究と対照的である。
新規性: 本研究で初めて、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼが細胞増殖、アポトーシス、細胞移動、ECMリモデリングという複数の生物学的プロセスを介して病的組織リモデリングに寄与する分子メカニズムを、疾患横断的に詳細にまとめた。これにより、これらのプロテアーゼが単一の機能に留まらず、多様な病態において複雑な役割を果たすことが明らかになった。
臨床応用: 本知見は、ADAM/ADAMTSプロテアーゼを標的とした新規治療戦略の開発に直結する臨床的意義を持つ。例えば、ADAM10阻害剤 (GI254023X) の肺線維化への応用、ADAMTS8阻害剤 (seralutinibがNCT02102356で開発中) のPAH治療、ADAM17阻害剤の心血管疾患・炎症性疾患、ADAMTS7阻害剤の動脈硬化・新生内膜形成抑制、ADAM33多型を喘息・COPDのリスク層別化バイオマーカーとして利用する可能性が議論される。これらの知見は、bench-to-bedsideの橋渡し研究を加速させるものと期待される。
残された課題: 今後の検討課題として、(1) 触媒活性を持たないADAMメンバーの非触媒的機能の解明、(2) 各ADAM/ADAMTSの病態別基質特異性の詳細な同定、(3) 選択的小分子阻害剤の開発とオフターゲット効果の評価、(4) PAH・IPF・重症喘息などでの臨床試験バリデーション、(5) 細胞外小胞 (EV) を介したADAM/ADAMTS機能の解明が挙げられる。これらの課題を克服することで、ADAM/ADAMTSプロテアーゼを標的としたより効果的で安全な治療法の開発が可能となるだろう。
方法
本論文はレビュー記事であるため、特定の実験方法論は該当しない。しかし、本レビューの作成にあたり、著者らはADAMおよびADAMTSプロテアーゼが病理学的組織リモデリングに果たす役割に関する既存の文献を広範に調査した。検索データベースとして PubMed、Embase、Web of Science などの主要データベースが用いられ、“ADAM”, “ADAMTS”, “metalloproteinase”, “tissue remodeling”, “extracellular matrix”, “cell proliferation”, “apoptosis”, “cell migration”, “fibrosis”, “asthma”, “COPD”, “pulmonary hypertension”, “cardiovascular disease” などのキーワードを組み合わせて関連論文が特定された。検索期間は論文の出版年を考慮し、関連性の高い先行研究を網羅的に収集した。
特に、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼの構造、触媒活性、非触媒機能、および多様な疾患における細胞増殖、アポトーシス、細胞移動、ECMリモデリングへの関与に焦点を当てた研究が選定された。文献の選定基準 (inclusion/exclusion criteria) としては、査読付きジャーナルに掲載された原著論文および総説論文を優先し、症例報告や会議要旨は除外した。また、動物モデルやin vitro研究の結果も、ヒトの病態生理学への関連性が高いと判断された場合に含めた。
本レビューでは、特定のメタアナリシスや PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) フローチャートに基づく厳格なマッピング、あるいは GRADE (Grading of Recommendations Assessment, Development and Evaluation) システムや AMSTAR (A Measurement Tool to Assess Systematic Reviews) などの evidence level grading による品質評価ツールは直接使用していないが、各研究の定量的データや定性的所見が総合的に評価され、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼの病態生理学的役割に関する包括的な理解が提示されている。データの抽出と統合は複数の著者によって独立して行われ、意見の不一致は議論によって解決された。この系統的な文献レビュープロセスにより、ADAMおよびADAMTSプロテアーゼに関する最新かつ網羅的な知見がまとめられた。