私達の研究室では、分子生物学、生化学や細胞生物学の研究手法を駆使し、細胞内情報伝達機構、特に細胞運命(増殖、分化、生存、死)の決定に最も重要なシグナル伝達システムである、MAPキナーゼ・カスケードの研究を行っています。 MAPキナーゼ・カスケードは、MAPKKK-MAPKK-MAPKという3種類の蛋白質リン酸化酵素(キナーゼ)によって構成されるシグナル伝達モジュールであり、出芽酵母からヒトに至る全ての真核生物に相同な分子が存在する細胞内情報伝達の根幹をなすシステムです。

 ヒトを代表とする哺乳類細胞には、ERK経路、p38経路、JNK経路という少なくとも3種類のMAPキナーゼ・カスケードが存在しますが、各経路の生理機能はそれぞれ異なることが知られています。

ERK経路

 主に増殖因子によって活性化され、細胞増殖や分化を制御する。ERK経路の上流に位置するRasや増殖因子受容体は癌遺伝子であり、この経路の異常な活性亢進が発癌を招く。

p38およびJNK経路

 ストレス応答MAPK経路とも呼ばれる。紫外線や放射線、酸化、熱ショック、高浸透圧などの様々な環境ストレス刺激によって活性化され、ストレスを被った細胞に細胞死(アポトーシス)を誘導する。また、炎症性サイトカインや病原体の感染などによっても活性化され、免疫応答や炎症の制御に中心的な役割を果たしている。

・はじめに

・新規ヒト・ストレス応答MAPKKK、MTK1の発見と生理機能の解明

・ストレス応答MAPキナーゼ経路の活性抑制メカニズムと発癌

・MAPキナーゼ経路のシグナル特異性決定、維持機構と疾患治療への応用

・細胞質内ストレス顆粒による、ストレス応答経路の活性阻害と抗癌剤抵抗性

・おわりに

 現在の研究テーマ

     はじめに

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研究内容
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ヒト・ストレス応答MAPキナーゼ経路の活性制御機構を解明するため、まずモデル生物である出芽酵母を用いて研究を開始し、酵母のストレス応答MAPK経路を制御する新しい2つのMAPKKK分子(Ssk2/Ssk22)、および浸透圧ストレス・センサーを同定した(Science, 1995)。

次に、この成果をヒト経路の研究へと発展させ、酵母Ssk2/Ssk22に相同な新規ヒトMAPKKK遺伝子、MTK1のクローニングに成功した。 また実際に、哺乳類細胞を用いてMTK1が、ヒト・ストレス応答MAPキナーゼ(p38およびJNK)経路を特異的に活性化するMAPKKKであることを明らかにした(EMBO J, 1997)。

 一方、ストレス応答経路の活性阻害機構に関しても研究を展開し、特にPP2C型セリン/スレオニン脱リン酸化酵素の関与を明らかにしてきた。まず、ストレス応答経路の活性化を阻害する機能を持つヒト遺伝子のスクリーニングを行い、PP2Cαがp38MAPK及びMAPKK (MKK4/6)を脱リン酸化して不活性化し、細胞のストレス応答を負に制御する分子であることを明らかにした(EMBO J, 1998)。

  さらに、紫外線などのDNA損傷によって、p53依存的に発現誘導されるPP2C類似ホスファターゼWip1(PPM1D)が、p38やp53を脱リン酸化して、これらの分子の活性を阻害し、DNA損傷後のアポトーシスを抑制する機能を持つことを解明した(EMBO J, 2000)。 

 我々のこの発表を基に、Wip1はその後、様々な癌で異常な遺伝子増幅が認められる癌遺伝子であることが明らかとなった。

ヒト細胞にはERK/p38/JNKという、少なくとも3種類のMAPK経路が存在するが、これら複数の経路間でシグナルの誤った混線は起こらない。MAPK経路の正確なシグナル伝達を保証する機構は、細胞機能の制御に極めて重要であると考えられる。この様なメカニズムの一つとして、MAPK経路を構成する各キナーゼ分子が相互に直接結合しあう、ドッキング相互作用が重要であることが示唆されている。そこで私達は、MAPKKK-MAPKK分子間の選択的結合を規定し、シグナル伝達特異性を決定づける未知メカニズムの解明を行った。

「ストレス顆粒」は、低酸素などの特定のストレス刺激によって一過性に形成される細胞質内構造体であり、その本体はmRNA、RNA結合蛋白質、及び40Sリボゾーム等からなる凝集体であることが知られている。しかしながらストレス顆粒形成が細胞のストレス応答に果たす役割は、ほとんど明らかにされていない。

私達は、ストレス顆粒が、MTK1の活性化促進分子(RACK1)を顆粒内に取り込んでその機能を阻害し、MTK1−p38/JNK経路を失活させて、DNA損傷による細胞死(アポトーシス)を強く抑制する事を見出した。


これまで私達は、主にストレス応答MAPK(p38/JNK)カスケードの活性制御機構の研究を推進し、この経路が細胞運命決定や、免疫応答の制御に極めて重要であることを示すと共に、その制御異常が発癌に関与することを明らかにしてきました。 さらに最近、臨床検体を用いたゲノム・ワイドの解析により、様々な癌で見出されるMKK4(ストレス応答経路のMAPKK)の機能欠損変異が、発癌プロセスに極めて重要な遺伝子変異(driver mutation)の一つであることや、p38経路の活性化がoncogene addiction(癌遺伝子の不活性化によって誘導される癌細胞特異的なアポトーシス)に最も重要であり、癌遺伝子をターゲットとした分子標的治療において、癌細胞の排除に中心的な役割を果たすシグナル伝達システムであることなどが相次いで報告されています。

また現在、多くの製薬企業によってストレス応答MAPK経路の選択的阻害剤が開発され、臨床試験が開始されており、関節リウマチ、神経変性疾患や2型糖尿病などに対する新たな分子標的治療薬としての可能性が大きく注目されています。 しかしながら、MAPキナーゼ・カスケードの活性制御機構や生理機能には、未だ不明な点が数多く残されており、また疾患における制御異常の詳細も明らかにされていません。これらの問題の解明は生物学的に極めて重要であるばかりでなく、癌、アレルギー・自己免疫疾患、神経変性疾患や糖尿病などを始めとする様々な難治性疾患の病因・病態の理解と、新たな分子標的治療薬開発の観点からも必要不可欠です。

私達は、細胞内シグナル伝達機構の基礎研究を通して、疾患の病因・病態を分子レベルで解き明かすと共に、新規治療法の開発に繋がる応用研究を積極的に展開して行きたいと考えています。

 これら複数のMAPキナーゼ経路が正しく制御されることで、人体の恒常性が維持されていますが、MAPK経路に何らかの制御異常が起こってしまうと、癌、アレルギー・自己免疫疾患(関節リウマチ、喘息等)、糖尿病や神経変性疾患(アルツハイマー病、パーキンソン病等)などの疾病になってしまうことが知られています。

 私達は、これら難病の克服を目指してMAPK経路の活性制御機構と生理機能、および疾病との関連を分子レベルで解き明かし、さらにMAPK経路をターゲットとした分子標的薬剤を開発して疾患治療に役立てることを最終的な目標として、日々研究を推進しています。

 これまでに、MAPキナーゼ経路の活性制御に関わる複数の新規遺伝子を同定することに成功し、その生理機能と疾患との関わりを明らかにして来ました

その結果、全てのMAPKK分子のC末端領域に、対応する上流のMAPKKK分子との特異的結合に必要な、新規ドッキング・サイトが存在することを見出し、DVDサイトと命名した。さらにこのDVDサイトを介した分子間相互作用が、シグナル特異性の決定、維持のみならず、MAPKKKからMAPKKへの効率的なシグナル伝達にも必須であることを明らかにした。

またDVDサイトと相同なアミノ酸配列を持つ人工合成ペプチドを細胞に導入して、MAPKKK-MAPKK分子間の相互作用を競合的に阻害すると、MAPKKの活性化が強く抑制される事を見出した。 即ち、ドッキング・サイトをターゲットとした分子標的薬剤を開発する事で、MAPK経路に対する新たな活性阻害剤の創薬が可能であり、癌や自己免疫疾患の治療へ応用し得ることを示した(Molecular Cell, 2005)。

ストレス顆粒の機能としては、これまでに蛋白質の翻訳抑制に作用する事のみが報告されてきたが、我々の研究によって初めて、ストレス顆粒が多彩なシグナル伝達分子とも相互作用して、細胞死誘導シグナルを負に制御する多機能構造体である事が明らかになった。

さらに我々は、この様なストレス顆粒形成による細胞死抑制が、固形癌を治療する上で問題となっている「腫瘍内部低酸素環境による癌細胞の抗癌剤抵抗性獲得」の一因となっていることを示した(Nature Cell Biology, 2008)(紹介記事)。

ストレス顆粒の生理機能の解明は、現在ストレス応答研究のホット・トピックとして注目を集めている。

  1. 新規ヒト・ストレス応答MAPKKK、MTK1の発見と生理機能の解明

  2. ストレス応答MAPキナーゼ経路の活性抑制メカニズムと発癌

  3. MAPキナーゼ経路のシグナル特異性決定・維持機構と疾患治療への応用

  4. ストレス顆粒による、ストレス応答経路の活性阻害と抗癌剤抵抗性

     おわりに

様々な環境ストレス刺激が、どのようにしてMTK1を活性化するのかを明らかにするため、MTK1の制御ドメインと特異的に結合する分子のスクリーニングを行い、3種類のGADD45関連遺伝子(GADD45α/β/γ)を単離することに成功した。 さらに、これらGADD45関連分子が、様々なストレスやサイトカイン刺激によって転写誘導されるストレス応答遺伝子であり、MTK1と結合してその活性化因子として機能することを見出した。 即ち、ストレスやサイトカイン刺激によって発現誘導されたGADD45関連分子が、MTK1を介してp38およびJNK経路を活性化し、ストレスを被った細胞に死(アポトーシス)を誘導するという、新たなシグナル伝達システムの存在を示した (Cell, 1998; MCB, 2002; MCB, 2007)。

次に、GADD45-MTK1経路の生理機能の解明を推進し、まずこの経路がTGFβのシグナル伝達に関与することを見出した。  TGFβは発癌抑制作用を持つサイトカインであり、実際にその下流で作用する転写因子Smad4は膵臓癌や大腸癌で高率に遺伝子変異が認められる癌抑制遺伝子である。私達は、TGFβ刺激によってSmad4依存的に発現誘導されたGADD45βが、MTK1-p38経路を活性化して腫瘍血管新生抑制因子TSP-1の発現を亢進させ、発癌阻止に作用する事を明らかにした。また、実際にSmad4に変異を持つ癌細胞では、TGFβで刺激してもGADD45βが発現しないため、MTK1-p38/JNK経路の活性化やTSP-1の発現は共に消失しており、MTK1の制御異常が発癌に関与することを示した(EMBO J, 2002)。

またMTK1遺伝子欠損マウスを作成して、免疫系における機能に関しても解析を進め、GADD45分子によるMTK1-p38経路の活性化が、Th1細胞(ヘルパーT細胞の亜群)からのIFN-γ産生に必須であり、Th1免疫応答(細胞性免疫・遅延型アレルギー)の制御に中心的な役割を果たしていることを明らかにした(EMBO J, 2004)。