チモシンβ4の研究は具体的に何を言っているのか？

概要

チモシンβ4（Tβ4）は、複数のアミノ酸残基からなる低分子タンパク質で、人体の様々な組織や細胞に広く分布している。[1][2] 人体における主要なアクチン制御分子の一つとして、複数の生物学的機能を持ち、組織の再生、リモデリング、創傷治癒、アクチンバランスの維持、腫瘍の発生と転移、細胞のアポトーシス、炎症、血管新生、毛包の発達、その他の生理学的・病理学的プロセスにおいて重要な役割を果たしている。

生物学的機能と作用機序

Tβ4は、人体における主要なアクチン制御分子の一つであり、複数の生物学的機能を有し、組織の再生、リモデリング、創傷治癒、アクチンバランスの維持、腫瘍の発生と転移、細胞のアポトーシス、炎症、血管新生、毛包の発達、その他の生理学的および病理学的プロセスにおいて重要な役割を果たしている。

ソースタンドフォンライン

アクチン制御因子：アクチンは非筋肉細胞では全タンパク質の約10%を占め、細胞構造、細胞運動、創傷治癒に必要な必須成分である。細胞内にTβ4が存在すると、全てのアクチン単量体を封じ込め、アクチンの重合と解重合を制御するのに十分である。Tβ4はアクチンモノマーと1：1の比率で結合し、F-アクチンポリマーの形成を防ぐことができる。Tβ4のアクチンへの結合は、結合した水の解離を伴う。Tβ4のC末端はアクチンHis-40に結合し、アクチン単量体の構造変化を引き起こす。Tβ4分子にはアクチン結合ドメイン（LKKTET）があり、これが主な静電的接触部位である。そのN末端断片は立体障害を通してアクチン重合を阻害することができる。単独で作用する場合、Tβ4はアクチンの重合とヌクレオチド交換を阻害することができる。これは、もう一つのアクチン結合タンパク質であるプロフィリンが、ADPとATPの交換を促進し、アクチンの集合を促進するのとは対照的である。 [1][2]Tβ4とプロフィリンは相乗的にアクチン集合体を制御することができる。Tβ4はG-アクチンとF-アクチンの変換を制御することができる。Tβ4がG-アクチンに結合するのに必要な濃度は20pmol以下であるのに対して、Tβ4の濃度は移動性の高い血液細胞では300pmolに達することが報告されている。濃度が高くなると、Tβ4はF-アクチンの解重合能を低下させる。これが、Tβ4が細胞内マイクロフィラメントシステムの機能を制御する理由かもしれない。
内皮細胞の移動と血管新生の促進：ニワトリ絨毛膜（CAM）血管新生モデルを用いた研究から、内皮細胞が管状構造に分化すると、Tβ4のmRNA含量が5倍増加し、Tβ4をトランスフェクションすると、内皮細胞クローンにおける管状構造の形成が促進されることが示された。さらに、Tβ4はトランスグルタミナーゼ（第XIIIa因子）を介してフィブリンやコラーゲンと相互作用し、血液凝固のプロセスにおいて重要な役割を果たすことが研究により判明している。さらに、老化した糖尿病マウスの全層皮膚損傷実験では、Tβ4は大面積の皮膚創傷や深い熱傷の治癒を促進し、皮膚や角膜の修復を促進し、創傷治癒を促進する能力を示した。
細胞アポトーシスの抑制：Tβ4は、塩化ベンザルコニウムやエタノールなどの腐食性物質によって損傷を受けた角膜上皮細胞を有意に保護する効果がある。Tβ4遺伝子発現のアップレギュレーションは、細胞の低酸素耐性増強に有益である。[2][3]
主要炎症分子のダウンレギュレーション創傷治癒は複雑な生物学的プロセスであり、炎症、細胞増殖、組織リモデリングの3段階に分けられ、それぞれの段階で関連タンパク質の遺伝子発現がアップレギュレートされ、その後ダウンレギュレートされる。慢性創傷の場合、加齢、基礎疾患、免疫抑制剤などの要因により、この調節過程が阻害され、炎症分子の過剰産生、過剰炎症、細胞増殖と組織リモデリングの阻害につながる。研究の結果、Tβ4はフリーラジカルのレベルを下げ、脂質の過酸化を遅らせ、IL-1、マクロファージ炎症性タンパク質1α（MIP1α）、MIP1β、単球走化性タンパク質-1（MCP-1）などの炎症性サイトカインの産生を抑制し、トロンボキサンやプロスタグランジン2αのレベルを下げ、炎症を緩和することがわかった。そのため、分節性腸炎や筋萎縮などの炎症性疾患の治療に用いることができる。
成体心外膜幹細胞の分化を刺激する：Tβ4は冠動脈血管の発達の様々な局面で重要な役割を果たしており、休止状態の成体マウス心外膜移植片の成長を著しく刺激し、線維芽細胞、平滑筋細胞、内皮細胞の多能性を回復させ、それらの分化を誘導することができる。[1][2] 心臓のTβ4遺伝子をノックアウトすると、Tβ4の血管新生切断産物（AcSDKP）のレベルが著しく低下する。AcSDKPを注射しても心臓を回復させることはできないが、成体マウスの心外膜前駆細胞の内皮細胞への分化を有意に促進することができる。このことは、Tβ4とAcSDKPが冠動脈と新生血管の強力な刺激因子であり、Tβ4誘導成体マウス心外膜細胞が血管再生の供給源として機能し、心臓損傷後の低レベルで損なわれた血管系の持続的再生につながることを示唆している。
毛包の発達を刺激する：Tβ4は、毛包幹細胞の移動、分化、細胞外マトリックスの再構築を促進し、それによって毛髪の成長を制御する。ラットとマウスを用いた研究により、毛髪の成長サイクルにおいて、バルジ領域に由来する毛包ケラチノサイトの特定のサブセットがTβ4を高発現し、一方、毛包のバルジ領域には皮膚幹細胞も存在することが判明した。Tβ4濃度がナノモルレベルになると、幹細胞の遊走と分化が促進され、Tβ4の存在は、細胞外マトリックス分解酵素であるマトリックスメタロプロテアーゼ-2（MMP-2）の発現と分泌も増加させる。
腫瘍形成との関係Tβ4遺伝子の発現上昇は、甲状腺髄様癌、大腸癌、悪性度の高い黒色腫、乳癌、口腔扁平上皮癌など様々な腫瘍細胞で観察されている。Tβ4は血管内皮増殖因子の発現を効果的に誘導し、血管新生を促進し、細胞の遊走性を活性化し、腫瘍の悪性化につながる。Tβ4発現のアップレギュレーションは、E-カドヘリン発現のダウンレギュレーションをもたらし、細胞接着を弱め、マトリックスメタロプロテアーゼの発現を増加させ、癌細胞に成長優位性と浸潤特性を与え、悪性化に寄与する。Tβ4は抗アポトーシス能力を有しており、Tβ4の発現増加は細胞のアポトーシスの程度を低下させるが、これはおそらくTβ4がチトクロームcの放出を阻害し、アポトーシス過程の開始を阻害するためであり、これは悪性腫瘍のもう一つの重要な特徴である。
角膜修復の促進チモシンβ4は、様々な角膜傷害モデルにおいて創傷治癒を促進し、特定の重要なサイトカインの産生を制御する能力を示した。研究の結果、チモシンβ4はマトリックスメタロプロテアーゼの発現を減少させ、細胞外マトリックスのリモデリングを促進し、サイトカインを活性化することがわかった。特に、チモシンβ4はマトリックスメタロプロテアーゼの活性を阻害し、これはチモシンβ4で治療した皮膚損傷モデルから得られた結論とは逆のものである。 [1][2][3]このことは、組織修復過程における特定の酵素の制御経路が、アップレギュレートまたはダウンレギュレートされる可能性があることを示唆している。

準備方法

現在、臨床および研究現場で使用されているチモシンβ4（Tβ4）の供給源は、主にウシ胸腺からの抽出と化学合成の2つである。ウシの胸腺からTβ4を抽出することは、コストがかかるだけでなく、材料の入手可能性や抽出技術によって制限され、その結果、純度や含有量が低くなってしまう。不純物の存在も多くの問題をもたらし、特に牛のウイルス数の増加を考慮すると、抽出プロセスが複雑になる。遺伝子工学の発展に伴い、Tβ4の生産に遺伝子工学的手法を活用することは新たな方向性となるだろう。当研究室では、人工的に合成したTβ4を植物でタンデム発現させ、Tβ4を効率よく発現するトランスジェニック植物を得ることを計画している。自然に抽出されたTβ4と比較して、トランスジェニック植物を用いて生産されたTβ4は、より高い生理活性、より高い純度、より少ない副作用という利点を有する。さらに、生産コストを削減し、汚染を最小限に抑え、大規模生産を可能にする最適なアプローチである。[3]

背景

チモシンβ4は、等電点5.1の43アミノ酸残基からなるペプチドで、哺乳類では高度に保存されている。チモシンαや類似のチモシンとは異なり、核タンパク質ではなく細胞質タンパク質である。 [2][3]チモシンβ4は、免疫機能、神経系の発達、創傷治癒、アクチンタンパク質の機能など、さまざまな生理機能に関与している。

チモシンαや類似のチモシンとは異なり、チモシンβ4は核タンパク質ではなく細胞質タンパク質である。疎水性アミノ酸が少なく、Lys-Lys-Xaa-Lys構造領域を含まない。化学的コンフォメーション研究により、チモシンβ4は一本鎖として存在し、機能することが示されている。31-43残基と18-30残基の間に内部反復領域があり、6個の同一アミノ酸を持つ。残基4-12と32-40の間に2つの高度ならせん領域があるが、チモシンβ4はプロリンターンを形成しない。生物学的分布と発現の観点から、チモシンβ4は当初胸腺から精製された。そのため、当初は初期段階のT細胞成熟に作用する胸腺ホルモンであると考えられていた。しかし、チモシンβ4は他の組織、臓器、細胞にも広く存在し、脾臓、胸腺、肺、腹膜マクロファージに最も多く存在し、次いで脳、肝臓、腎臓、精巣、心臓である。線維芽細胞のような細網内皮系以外の細胞でも、チモシンβ4を合成することができる。胸腺細胞は胸腺間質細胞よりも7倍高いレベルのチモシンベータ4 mRNAを持ち、様々な血液細胞タイプでチモシンベータ4の発現が観察される。チモシンβ4 cDNAの研究から、シグナルペプチドを欠くことが示された。[1] 体内には、インターロイキン-1（IL-1）や内皮増殖因子など、シグナルペプチドを持たない分泌タンパク質も存在するが、専門家たちは、チモシンβ4は分泌タンパク質とは考えにくく、むしろ特定の基本的な細胞機能に不可欠である可能性が高いと信じている。

申し込み

チモシンβ4（Tβ4）による内皮前駆細胞機能の最適化に関する基礎的・応用的研究

虚血性心血管疾患の罹患率と死亡率は年々増加しており、ヒトの健康に深刻な脅威をもたらしている。これらの疾患の病態は非常に複雑であり、虚血性心血管疾患の発症には内皮細胞の機能不全が重要な役割を果たしている。成熟内皮細胞は内皮障害を修復できるが、その再生能力には限界がある。内皮前駆細胞（EPC）は血管内皮細胞の前駆細胞の一種であり、内皮細胞に分化する可能性を持っている。数多くの研究から、EPCが血管の修復や新生血管形成において様々な役割を果たすことが示されている。しかし、EPC移植の臨床応用はまだ多くの課題に直面している。加齢、高血圧、高コレステロール血症、糖尿病などのいくつかの心血管系疾患や危険因子は、循環EPCの数を減少させ、その機能を低下させるため、虚血性心血管系疾患への応用を大きく制限する。したがって、EPCの機能を改善することは、将来のEPC移植療法の重要な戦略となる。[1][2]

チモシンβ4（Tβ4）は43アミノ酸残基からなる低分子タンパク質であり、血管新生、創傷治癒、炎症制御など様々な生体反応の仲介に関与している。われわれのこれまでの研究で、Tβ4がヒト末梢血EPCの増殖と遊走を促進する一方、アポトーシスと老化を抑制することが判明している。Tβ4はEPCの血管新生能力を有意に増加させ、1000ng/mLで最大効果を示す用量依存的関係を示した（対照群と比較して、33.33±1.86対18.34±2.02、P<0.05）。ウェスタンブロット解析によると、Tβ4はAkt Ser473とeNOS Ser1177のリン酸化を促進し、これも用量依存的な関係を示した。Akt siRNAとeNOS siRNAはともに、EPCに対するTβ4の血管新生促進作用を有意に阻害した。