Hes3シグナル伝達軸

STAT3 -Ser/Hes3 シグナル伝達軸は、細胞のいくつかの基本的な特性を制御する特定のタイプの細胞内シグナル伝達経路です。

組織内の細胞は、環境の変化を感知し、解釈できる必要があります。たとえば、細胞は、成長を制御し、腫瘍の発生（「発癌」）を回避するために、他の細胞と物理的に接触しているかどうかを検出できなければなりません。そのために、細胞は受容体分子を表面に配置します。多くの場合、受容体の一部は細胞の外側（細胞外環境）に露出し、一部は細胞の内側（細胞内環境）に露出します。これらの分子は細胞外の環境に露出しているため、環境を感知できる位置にあります。これらが受容体と呼ばれるのは、特定の分子（リガンドと呼ばれる）と接触すると、受容体に化学変化が誘発されるためです。これらの変化には通常、受容体の 3 次元形状の変化が伴います。これらの3D 構造の変化は、受容体の細胞外部分と細胞内部分（ドメイン）の両方に影響します。その結果、受容体と細胞外にある特定のリガンドとの相互作用により、細胞内にある受容体部分に変化が生じます。したがって、細胞外空間からの信号は細胞内の生化学的状態に影響を与える可能性があります。

リガンドによる受容体の活性化に続いて、いくつかのステップが連続的に起こる可能性があります。たとえば、細胞内ドメインの 3D 形状の変化により、細胞内にあり物理的にアクセスできる触媒タンパク質 (酵素) がそれを認識できるようになります。次に、これらの酵素は、受容体の特定のコンポーネントへのリン酸化学基の追加 (リン酸化)、または細胞内ドメインの物理的な分離 (切断) を含む、活性化された受容体の細胞内ドメインへの化学変化を誘導します。このような変更により、細胞内ドメインが酵素自体として機能するようになり、細胞内の他のタンパク質の変更を触媒できるようになります。リン酸化変更を触媒する酵素はキナーゼと呼ばれます。これらの変更されたタンパク質もその後活性化され、他のタンパク質へのさらなる変更を誘導できるようになります。この一連の触媒変更は、「シグナル伝達経路」または「セカンドメッセンジャーカスケード」と呼ばれます。これは、細胞が環境を感知し、状態に複雑な変化を誘発するために使用する重要なメカニズムです。前述のように、このような変化には、他の分子の化学修飾や、どの遺伝子を活性化し、どの遺伝子を活性化しないかの決定 (転写制御) が含まれます。

細胞には多くのシグナル伝達経路があり、それぞれに多くの異なるタンパク質が関与しています。このため、異なるシグナル伝達経路がインターセプト（クロストーク）する機会が多くあります。その結果、細胞は、細胞外環境に多くの異なるリガンドが含まれていることから予想されるように、多くの異なるシグナルを同時に処理および解釈します。クロストークにより、細胞はこれらの多くのシグナルを個別に処理するのではなく、統合することもできます。たとえば、相互に反対のシグナルが異なるリガンドによって同時にアクティブ化される場合があり、細胞はこれらのシグナルを全体として解釈できます。シグナル伝達経路は、細胞がどのように機能し、重要な決定（増殖、移動、死亡、遺伝子の活性化など）を下すかについてのメカニズムの理解を提供するため、生物学で広く研究されています。これらの経路は多くの薬物ターゲットも提供し、創薬活動に大きく関連しています。

notch / STAT3 -Ser/Hes3シグナル伝達軸は、notch [1]シグナル伝達経路の最近特定されたシグナル伝達ブランチであり、もともと^培養物および生きた成人の脳内の神経幹細胞の数を調節することが示されていました。 ^{[2] [3]}この経路の薬理学的活性化は、げっ歯類モデルにおける神経変性疾患の進行を阻止しました。より最近の研究では、この経路が発癌および糖尿病に関連していることが示唆されています。この経路は、notch受容体の可溶性リガンドによって活性化され、細胞内キナーゼの連続活性化と、続いてアミノ酸位置727のセリン残基（STAT3-Ser）でのSTAT3のリン酸化を誘導します。この変更に続いて、Hes/Hey遺伝子ファミリーに属する転写因子であるHes3のレベルが上昇します（ HES1を参照）。^[4] Hes3は、組織内の推定上の内因性幹細胞を識別するためのバイオマーカーとして使用されています。^[5]この経路は、すでに確立されたシグナル伝達経路（ノッチ）の新しい分岐を表すため、非標準的なシグナル伝達の一例である。現在、この経路を他のシグナル伝達経路と関連付け、治療の文脈で操作することを目指したいくつかの取り組みがなされている。

標準的なノッチシグナル伝達では、リガンドタンパク質がノッチ受容体の細胞外ドメインに結合し、細胞内ドメインの切断と細胞質への放出を誘導します。その後、これが他のタンパク質と相互作用し、核に入り、遺伝子発現を制御します。^[1]

2006年、ノッチシグナル伝達経路の非標準的な分岐が発見されました。^[2]マウス神経幹細胞の培養物を使用して、ノッチの活性化はいくつかのキナーゼ（PI3K、Akt、mTOR）のリン酸化と、STAT3のチロシン残基のリン酸化が検出されない状態でのSTAT3のセリン残基のリン酸化につながることが示されました。この変化は、がん生物学の文脈で広く研究されています。^[6]このイベントの後、Hes3 mRNAは30分以内に上昇しました。その後、この経路の結果が研究されました。

この経路へのさまざまな入力が特定されています。活性化因子には、多数の受容体のリガンドが含まれます。特定のシグナル伝達経路は STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸に反対するため、これらのシグナル伝達経路の遮断剤 (阻害剤) は STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸を促進し、活性化因子としても機能します。

• ノッチシグナル伝達経路の非標準的な分岐（ノッチリガンドDelta4とJagged1の可溶性形態によって活性化される）。これはin vitroおよびin vivoで実証されている。^[2]
• リガンドAngiopoietin 2によるTie2受容体の活性化。これはin vitroおよびin vivoで実証されている。 ^{[3] [5]}
• インスリンによるインスリン受容体の活性化。これは試験管内および生体内で実証されている。^[7]
• ヤヌスキナーゼ（JAK）阻害剤による治療。これは試験管内で実証されている。^[2]
• p38 MAPキナーゼキナーゼ阻害剤による治療。これは試験管内で実証されている。^[2]
• コレラ毒素による治​​療。これは試験管内で実証されています。^[8]この特定の治療は、STAT3-Ser段階をバイパスし、Hes3の核移行を誘導する強力な効果があるため、Hes3レベルでより特異的に作用する可能性があります。

特定のシグナル伝達経路の効果は、異なる細胞の種類によって大きく異なる場合があります。たとえば、同じシグナル伝達経路が、ある細胞の種類では生存を促進し、別の細胞の種類では成熟を促進する場合があります。これは、細胞の性質だけでなく、その寿命の間に変化する可能性のある特定の状態にも依存します。シグナル伝達経路が機能している細胞の種類を特定することは、この経路の潜在的な新しい特性を発見するための第一歩です。

STAT3-Ser/Hes3シグナル伝達軸は、さまざまな細胞タイプに作用することが示されています。これまでの研究は、主に幹細胞と癌組織に焦点を当てており、最近では内分泌膵臓の機能に焦点を当てています。

• 胎児および成体のマウスとラットの神経幹細胞。^{[2] [3] [5] [7] [8] [9] [10]}

• 成体サル（アカゲザル）の神経幹細胞。^[5]
• 多形性膠芽腫由来のヒト癌幹細胞。^[11]
• ヒト前立腺癌細胞株では、STAT3-SerはSTAT3-Tyrとは独立して腫瘍形成を促進することが示された。^[12]
• ウシ副腎髄質のクロマフィン前駆細胞。 ^[13]
• マウスインスリノーマ細胞（MIN6細胞株）とマウス膵島細胞。^[14]
• 誘導多能性幹細胞状態に再プログラム中のマウス胎児線維芽細胞 (MEF) 。
• ヒト胚性幹細胞
• 誘導多能性幹細胞から得られたマウス神経幹細胞。^[15]

個々のシグナル伝達経路は、複数のタンパク質（キナーゼなど）と多くの遺伝子の活性化を調節することができます。そのため、細胞の特性への影響は非常に顕著になる可能性があります。これらの特性を特定することで（理論予測と実験を通じて）、経路の機能が明らかになり、新しい治療ターゲットの可能性が生まれます。

notch/STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸の活性化は、いくつかの細胞タイプに重大な影響を及ぼします。その影響は、in vitro と in vivo の両方で文書化されています。

• 培養された胎児および成体げっ歯類神経幹細胞：生存促進効果、収量増加、ソニックヘッジホッグタンパク質の発現増加。^{[2] [3] [5] [7] [8] [9]}
• 成体げっ歯類の神経幹細胞の生体内観察：細胞数の増加、ソニックヘッジホッグ（Shh）タンパク質の発現増加。^{[2] [3] [7]}成体げっ歯類の脳へのDelta4の投与は、虚血性脳卒中後の脳室下帯と視床下部における神経前駆細胞の増殖を促進する塩基性線維芽細胞増殖因子と上皮成長因子の効果を増強することも示されている。^{[16] [17]}
• 培養された成体サルの神経幹細胞：生存促進効果、収量の増加、ソニックヘッジホッグタンパク質の発現の増加。^[5]
• 培養された多形性膠芽腫癌幹細胞：生存促進効果（RNA干渉によるHes3ノックダウンは細胞数を減少させる）。^[11]
• 培養されたウシクロマフィン前駆細胞：シグナル伝達経路のいくつかの活性化因子は細胞収量を増加させる。^[13]
• 培養マウスインスリノーマ細胞（MIN6細胞株）：これらの細胞は、シグナル伝達経路の働きを促進する条件下で効率的に培養することができる。Hes3 RNA干渉は、これらの細胞からのインスリン放出を誘発する標準プロトコルに従って、成長とインスリンの放出を阻害する。^[18]
• Hes3 遺伝子を欠損するように設計されたマウスは、膵臓の内分泌細胞にダメージを与える治療に対する感受性が高まります。
• 最近の研究では、Hes3が成体マウス細胞を神経幹細胞状態に直接再プログラムすることに関与していることが示唆されているが、因果関係はまだ明らかにされていない。 ^[19]
• Hes3とシグナル伝達軸の構成要素は、再プログラミング（マウス胚線維芽細胞から胚性幹細胞への再プログラミング）の重要な段階で制御される。^[20]
• Hes3遺伝子を欠損するように遺伝子操作されたマウスは、膵臓再生（ストレプトゾトシン処理によって誘導）中に転写因子Neurogenin3の上方制御に失敗する。^[20]これは、再生反応が損なわれていることを示している。

前述のように、STAT3-Ser/Hes3シグナル伝達軸は培養中の神経幹細胞（および他の細胞タイプ）の数を制御します。このため、同じ経路が成体げっ歯類の脳に自然に存在する（内因性）神経幹細胞の数も制御できるかどうかを調べる実験が行われました。もしそうであれば、内因性神経幹細胞（eNSC）の数を増やすことの効果を研究するための新しい実験的アプローチが生まれます。たとえば、失われた細胞がeNSCから新しく生成された細胞に置き換えられるのでしょうか？または、eNSCは損傷したニューロンを保護できる因子を生成することが知られているため、神経変性疾患のモデルで損傷したニューロンの救済につながるのでしょうか？^[21]

STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸に入力するさまざまな治療法 (Delta4、アンジオポエチン 2、インスリン、またはこれら 3 つの因子と JAK 阻害剤を組み合わせた治療法) は、神経変性疾患のモデルにおいて、内因性神経幹細胞の数の増加と行動の回復を誘発します。いくつかの証拠は、成人の脳において、STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸の薬理学的活性化が、活性化神経幹細胞 / 神経前駆細胞 (Hes3 の発現によって識別可能) による神経栄養サポートの増加を通じて、障害のあるニューロンを保護することを示唆しています。

• これらの治療によりHes3+細胞の数が数倍に増加する。^{[2] [3] [8] [9]}
• Hes3+細胞は分離され培養され、幹細胞の特性を示す。^{[2] [3] [5] [7] [8]}
• 培養および生体内で、Hes3+細胞は特定のニューロンの生存をサポートするShhを発現します[Hes3+細胞は他の生存促進因子も発現する可能性がありますが、まだ特定されていません]。^{[2] [3]}
• 成人の脳におけるHes3+細胞の分布は広範囲に及び、さまざまな種類のニューロンに物理的に近接して見られます。^[3]
• STAT3-Ser/Hes3シグナル伝達軸に収束する多様な治療法は、正常な脳（Hes3+細胞数の増加）と障害のある脳（Hes3+細胞数の増加、神経細胞死の防止、行動状態の改善）において同様の効果を発揮する。^{[2] [3] [7] [9]}
• マクロファージ遊走阻害因子はこのシグナル伝達経路を刺激し、神経幹細胞の生存を促進する。^[10]
• Hes3遺伝子を欠損するように遺伝子操作されたマウスは、通常のマウスと比較して、ミエリン塩基性タンパク質（ミエリン形成オリゴデンドロサイト上に発現するタンパク質）の量に違いを示します。また、Hes3欠損マウスは、化学物質クプリゾンによって誘発されたオリゴデンドロサイトの損傷後に、このタンパク質の異なる調節を示します。^[22]

成体哺乳類の脳における eNSC の役割に関する新たな理解は、これらの細胞が疾患に関連していることを示唆しています。この問題に対処するために、疾患モデルで eNSC の活性化を誘発する実験が行われました。これにより、疾患のある脳で eNSC を活性化した場合の影響を研究できるようになりました。いくつかの証拠から、STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸がさまざまな疾患に関係していることが示唆されています。

• デルタ4と塩基性線維芽細胞増殖因子（bFGF）の組み合わせによるシグナル伝達経路の活性化は、虚血性脳卒中の成体ラットモデル（ PMCAOモデル）における運動能力と感覚能力の改善を誘導する。^[2]
• このシグナル伝達経路は、神経幹細胞におけるマクロファージ遊走阻止因子の生存促進機能を媒介する可能性がある。^[10]
• デルタ4、アンジオポエチン2、インスリン、またはこれら3つとJAK阻害剤の組み合わせによるシグナル伝達経路の活性化は、パーキンソン病の成体ラットモデル（6-ヒドロキシドーパミンモデル）において運動能力の改善を引き起こします。^{[3] [7]}
• 多形性膠芽腫患者の癌幹細胞特性を持つ細胞培養においてHes3のRNA干渉（「ノックダウン」）を行うと細胞数が減少する。 ^[11]
• Hes3を欠損したマウスは、膵島損傷の特定のパラダイムに対する感受性が高まり、糖尿病における役割を示唆している。^[13]

組織内では、多くの異なる細胞タイプが相互作用します。たとえば脳では、ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイト（それぞれ特定の機能を持つ神経組織の特殊細胞）が互いに相互作用するだけでなく、血管を構成する細胞とも相互作用します。これらすべての異なる細胞タイプは、他の細胞タイプの細胞表面にある受容体を活性化する可能性のあるリガンドを生成することによって、他のすべての細胞タイプと相互作用する可能性があります。これらの異なる細胞タイプが相互作用する方法を理解することで、eNSC を活性化する方法を予測できるようになります。たとえば、eNSC は血管のすぐ近くにあるため、血管を構成する細胞からのシグナル（リガンドなど）が eNSC の細胞表面にある受容体に作用するという仮説が立てられています。

内因性神経幹細胞は、多くの場合、血管に物理的に近接しています。血管からのシグナルは、幹細胞との相互作用を調節し、組織の細胞構造に寄与します。Hes3+ 細胞で機能する STAT3-Ser/Hes3 シグナル伝達軸は、これらのシグナルのいくつか (Delta4、Angiopoietin 2 など) の収束点です。Hes3 は、Shh やその他の因子の発現を調節することで、血管やその微小環境を構成する他の細胞にも影響を及ぼす可能性があります。

• 先天性修復研究所 2013-03-07 にWayback Machineでアーカイブ
• 国立衛生研究所 - 幹細胞情報
• フォルクスワーゲン財団シンポジウム 2014: DiSCUSS - がん幹細胞会議
• Volkswagen Stiftung シンポジウム、2011: DiSCUSS ミーティング