ヘッジホッグシグナル伝達経路

昆虫細胞は、キネシン様タンパク質Costal-2（Cos2）と複合体を形成し、細胞質内の微小管に結合した全長亜鉛フィンガー転写因子Cubitus interruptus （Ci）を発現する（図2）。SCF複合体は、 155 kDaの全長Ciタンパク質をプロテアソーム依存的に切断し、75 kDaの断片（CiR）を生成する。CiRは細胞内に蓄積し、核に拡散し、そこでHedgehog（Hh ）標的遺伝子の共抑制因子として機能する。^{[ 8 ]} Ciタンパク質のタンパク質分解に至るステップには、PKA、GSK3β、CK1などの複数のタンパク質キナーゼによるCiタンパク質のリン酸化が含まれる（図2）。^{[ 9 ]}ショウジョウバエタンパク質Slimbは、タンパク質をユビキチン化の標的とするSCF複合体の一部である。Slimbはリン酸化されたCiタンパク質に結合する。

Hh が存在しない場合 (図 3)、 Patched (PTCH)と呼ばれる細胞表面膜貫通タンパク質が、Smoothened (SMO)と呼ばれる7 つの膜貫通型受容体^{[ 10 ]}の高発現と活性を阻害します。Patched は、既知の膜輸送タンパク質と配列類似性があります。細胞外に Hh が存在する場合 (図 3)、Hh は Patched に結合してこれを阻害し、Smoothened が蓄積して Ci タンパク質のタンパク質分解を阻害します。このプロセスには、Smoothened と Costal-2 の直接的な相互作用が関与している可能性が高く、Ci タンパク質のタンパク質分解につながるステップが阻害されるマイクロドメインに Ci タンパク質含有複合体が隔離される可能性があります。^{[ 8 ]} Hh が Patched に結合すると Smoothened のレベルが上昇するメカニズムは明らかではありません (図 3 のステップ 1)。Hh が Patched に結合すると、Smoothened のレベルは、Patched が Hh に結合していないときに細胞内で維持されるレベルよりも大幅に上昇します。^{[ 11 ]} Smoothenedのリン酸化はHh依存的なSmoothenedレベルの調節に役割を果たしていることが示唆されている。^{[ 12 ]}

Hh活性化Patchedを持つ細胞（図3）では、無傷のCiタンパク質が細胞質に蓄積し、CiRのレベルが低下するため、decapentaplegic （dpp、 BMP成長因子ファミリーの一員）などの遺伝子の転写が可能になります。他のHh制御遺伝子の発現には、CiRの消失だけでなく、切断されていないCiが転写活性化因子として作用する正の作用も必要です。^{[ 9 ]} Costal-2は通常、Ciタンパク質を細胞質に保持するために重要ですが、SmoothenedとCostal-2の相互作用により、無傷のCiタンパク質の一部が核に移行します。ショウジョウバエのタンパク質Fused（図3のFu）は、Costal-2に結合するタンパク質キナーゼです。Fusedは、Suppressor of Fused（SUFU）を阻害することができ、SUFUはCiと相互作用して、一部の細胞種で遺伝子転写を制御します。^{[ 13 ]}

ヘッジホッグは、幼虫の体節形成と成虫の付属肢形成に役割を果たします。ショウジョウバエ胚の発生過程における体節形成の際、転写因子エンブレイルドを合成する細胞の縞模様は、細胞間シグナル伝達タンパク質ヘッジホッグ（図4の緑色）も発現します。ヘッジホッグは、自身を産生する細胞から遠く離れることができないため、エンブレイルドを発現する細胞に隣接する細い縞模様の細胞のみを活性化します。このように局所的に作用する場合、ヘッジホッグはパラクリン因子として機能します。エンブレイルドを発現する細胞の片側にある細胞のみが、Hhと受容体タンパク質パッチド（図4の青色）との相互作用後にヘッジホッグに応答することができます。

Hh活性化パッチド受容体を持つ細胞は、Winglessタンパク質（図4の赤色）を合成する。ショウジョウバエ胚を改変してすべての細胞でHhを産生させると、すべてのコンピテント細胞が反応し、各体節でWingless発現細胞のより広い帯を形成する。wingless遺伝子には、Hh依存的にCi転写因子に結合する上流転写調節領域があり、その結果、 Hh産生細胞の帯に隣接する細胞の帯でwingless転写が増加する（図3の相互作用2）。^{[ 14 ]}

Winglessタンパク質は細胞外シグナルとして働き、その細胞表面受容体Frizzledを活性化することで隣接する細胞列をパターン化する。Winglessはengrailedを発現する細胞に作用し、engrailed発現の縞模様を安定化させる。Winglessは細胞間シグナル伝達タンパク質であるWntファミリーの一員である。HedgehogとWinglessによる相互シグナル伝達は、パラセグメント間の境界を安定化させる（図4、上）。各セグメント内の他の細胞縞に対するWinglessとHedgehogの効果は、セグメントの前後軸に沿った明確な解剖学的特徴を説明する位置コードを確立する。^{[ 15 ]}

Winglessタンパク質は、一部の翅のないショウジョウバエ変異体の表現型から「翅のない」と呼ばれています。WinglessとHedgehogは変態中に一緒に機能して翅の形成を調整します。Hedgehogは、発達中のショウジョウバエの四肢の後部で発現します。Hedgehogはまた、眼、脳、生殖腺、腸、気管の発達の調整にも関与しています。Hedgehogのダウンレギュレーションは、ヨコエビGammarus minusの眼の発達の低下に関与していることが示唆されています。^{[ 16 ]}

ソニックヘッジホッグ（SHH）は、脊椎動物のシグナル伝達経路で最もよく研​​究されているリガンドです。ヘッジホッグシグナル伝達について知られていることのほとんどは、SHHの研究によって確立されています。SHHは、約45kDaの前駆体として翻訳され、自己触媒的処理（図5のプロセス「1」）を受けて、約20kDaのN末端シグナル伝達ドメイン（SHH-Nと呼ばれる）と、シグナル伝達の役割が不明な約25kDaのC末端ドメインを生成します。切断中に、コレステロール分子がN末端ドメインのカルボキシル末端に追加され、 ^{[ 18 ]}リガンドの輸送、分泌、および受容体との相互作用に関与します。SHHは、自己分泌的にシグナル伝達することができ、それが産生される細胞に影響を与えます。分泌およびそれに続くパラクリンヘッジホッグシグナル伝達には、ディスパッチド（DISP）タンパク質の関与が必要です（図5のプロセス「2」）。

SHHが標的細胞に到達すると、Patched-1（PTCH1）受容体に結合します（図5のプロセス「3」、青色の分子）。リガンドがない場合、PTCH1は経路の下流タンパク質であるSmoothened（SMO）を阻害します（プロセス「4」）。SMOは、PTCHによって制御される細胞内局在を持つ小分子によって調節されることが示唆されています。^{[ 19 ]} PTCH1は、親油性分子を膜を介して輸送することが知られているニーマン・ピック病C1型（NPC1）と相同性があります。 ^{[ 20 ]} PTCH1は、SMO活性の抑制に不可欠であることが示されているステロール感知ドメイン（SSD）を持っています。 ^{[ 21 ]}現在の理論では、PTCHはSMOからオキシステロールを除去することによってSMOを調節すると示唆されています。PTCHはステロールポンプのように働き、 7-デヒドロコレステロール還元酵素によって生成されたオキシステロールを除去します。^{[ 22 ]} Hhタンパク質の結合またはPTCHのSSDの変異によりポンプが停止し、オキシステロールがSMOの周囲に蓄積する。

このステロールの蓄積により、SMOが活性化したり、膜上に長く留まることができる。この仮説は、SMOに作用する経路の多数の低分子アゴニストおよびアンタゴニストの存在によって裏付けられている。SHHの結合によりSMOの阻害が解除され、GLI転写因子（プロセス「5」）の活性化につながる：活性化因子Gli1およびGli2と抑制因子Gli3。SMOとGLIを結びつける分子イベントのシーケンスはよく理解されていない。活性化されたGLIは核内に蓄積し（プロセス「6」）、ヘッジホッグ標的遺伝子の転写を制御する（プロセス「7」）。PTCH1は最近、 Smoothenedとは独立したメカニズムを介してヘッジホッグ標的遺伝子の転写を抑制することが報告されている。^{[ 23 ]}

PTCH1に加えて、哺乳類にはもう1つのヘッジホッグ受容体PTCH2があり、PTCH1との配列同一性は54%である。 ^{[ 24 ]} 3つの哺乳類ヘッジホッグはすべて、両方の受容体に同様の親和性で結合するため、PTCH1とPTCH2はリガンドを区別できない。しかし、発現パターンは異なる。PTCH2は精巣で非常に高いレベルで発現し、そこで砂漠ヘッジホッグシグナル伝達を媒介する。^{[ 24 ]} PTCH1とは異なる下流シグナル伝達の役割を果たしているようだ。リガンド結合がない場合、PTCH2はSMOの活性を阻害する能力が低下する。^{[ 25 ]}さらに、 PTCH2の過剰発現は基底細胞癌における変異PTCH1を置き換えない。^{[ 26 ]}

無脊椎動物では、ショウジョウバエと同様に、ヘッジホッグがPTCHに結合すると、リガンドが細胞内に取り込まれて隔離される。 ^{[ 27 ]}その結果、生体内では、ヘッジホッグが受容体を発現する受容野を通過すると、シグナルが減衰する。この効果はリガンド依存性拮抗作用（LDA）と呼ばれる。ショウジョウバエとは対照的に、脊椎動物はHh相互作用タンパク質1（HHIP1）を介したLDAによるヘッジホッグの別のレベルの制御を持っている。HHIP1もヘッジホッグのリガンドを隔離するが、PTCHとは異なり、SMOの活性には影響を与えない。^{[ 28 ]}

ヘッジホッグファミリーのメンバーは、さまざまな発生プロセスにおいて重要な役割を果たしています。^{[ 15 ]}最もよく研​​究されている例の 1 つは、脊椎動物の四肢の発生におけるソニックヘッジホッグの作用です。1968年に Saunders と Gasseling が行ったニワトリの肢芽の発生に関する古典的な実験^{[ 29 ] [ 30 ]}は、モルフォゲン概念の基礎となりました。彼らは、ニワトリの四肢の指の同一性は、四肢の後縁にある小さな組織領域である極性化活性領域(ZPA) によって生成される拡散性因子によって決定されることを示しました。哺乳類の発生も同じパターンに従うように見えました。この拡散性因子は後にソニックヘッジホッグであることが示されました。しかし、SHH がどのように指の同一性を決定するのかは、最近まで不明のままでした。Harfeらによって提案された現在のモデルは、 ^{[ 31 ]}は、SHHの濃度と曝露時間の両方が、マウス胚において組織がどの指に発達するかを決定すると述べている（図6）。

第V指、第IV指、および第III指の一部は、胚発生中にSHHを発現する細胞から直接発生する。これらの細胞では、SHHは自己分泌的にシグナル伝達を行い、リガンドの細胞外拡散に必要なDISPが存在しない場合でも、これらの指は正常に発達する。これらの指は、SHHの発現が継続する期間が異なる。最も後方の第V指は、リガンドを最も長く発現する細胞から発生する。第IV指の細胞はSHHの発現期間が短く、第III指の細胞はさらに短い。第II指は、中程度の濃度の細胞外SHHに曝される細胞から発生する。最後に、第I指の発達にはSHHは必要ない。ある意味では、これは肢芽細胞のデフォルトプログラムである。

ヘッジホッグシグナル伝達は成体においても重要である。ソニックヘッジホッグは、原始造血細胞^{[ 32 ]}、乳腺^{[ 33 ]} 、神経^{[ 34 ]}幹細胞など、さまざまな組織由来の成体幹細胞の増殖を促進することが示されている。ヘッジホッグ経路の活性化は、毛包が休止期から成長期に移行するのに必要である^{[ 35 ]} 。 これは、動物モデルで毒性が認められたため失敗した^{[ 36 ]。}

胚発生中のヘッジホッグシグナル伝達の阻害は、有害な突然変異または妊娠中の母親による催奇形物質の摂取のいずれかによって、重篤な発達異常を引き起こす可能性がある。全前脳症は、胚の前脳が分裂して大脳半球を形成できない状態であり、ヒトでは出生児約8,000人に1人、自然流産約200人に1人の割合で発生し、SHHやPTCHなどのヘッジホッグ経路に関与する遺伝子の突然変異と関連していることが多い。^{[ 37 ]}全前脳症の最も重篤な欠陥の1つである単眼症は、経路阻害物質であるシクロパミンが妊娠中の哺乳類によって摂取された場合に発生する。^{[ 38 ]}

ヘッジホッグ経路の活性化は、脳、肺、乳腺、前立腺、皮膚など、さまざまな臓器の癌の発生に関与している。最も一般的な癌性悪性腫瘍である基底細胞癌は、ヘッジホッグシグナル伝達と最も密接な関連がある。この疾患の患者では、 Patchedの機能喪失変異とSmoothenedの活性化変異が同定されている。^{[ 39 ]}この経路の異常な活性化は、成体幹細胞が腫瘍を生じる癌幹細胞に変化することによって、おそらく疾患の発生につながる。癌研究者は、ヘッジホッグシグナル伝達の特異的阻害剤が、広範囲の悪性腫瘍に対する効果的な治療法となることを期待している。^{[ 40 ]} ヘッジホッグシグナル伝達経路と癌の発生との関連は非常に複雑である。しかし、ヘッジホッグシグナル伝達の異常な活性化が腫瘍細胞の成長、増殖、浸潤につながることは明らかである。^{[ 41 ]}ヘッジホッグ経路は、がんの発生に関与するだけでなく、肺線維症^{[ 42 ]}や慢性閉塞性肺疾患^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}などの主要な呼吸器疾患にも寄与する可能性がある。