実験医学:老化細胞を標的としたSenolyticsへの挑戦〜加齢性疾患を引き起こすメカニズムの理解と治療への展開
実験医学 2022年2月号 Vol.40 No.3

老化細胞を標的としたSenolyticsへの挑戦

加齢性疾患を引き起こすメカニズムの理解と治療への展開

  • 高橋暁子/企画
  • 2022年01月20日発行
  • B5判
  • 139ページ
  • ISBN 978-4-7581-2552-9
  • 定価:2,200円(本体2,000円+税)
  • 在庫:あり
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概論

細胞老化の基礎とsenolyticsの潮流
Molecular mechanisms of cellular senescence and trend of senolytics

高橋暁子
Akiko Takahashi:Project for Cellular Senescence, Cancer Institute, Japanese Foundation for Cancer Research(公益財団法人がん研究会 がん研究所 細胞老化プロジェクト)

不老不死や健康長寿は,太古の昔から人類が追い求めてきた見果てぬ夢であるが,21世紀の現代,老化を制御しようという新しい学理が創成された.それが,老化細胞を体内から排除することで個体老化の表現型や加齢性疾患の病態,さらには寿命の制御までをも試みるsenolysisという概念である.老化細胞を標的としたsenolyticsは,健康長寿を達成し,超高齢化社会に生きる人類の福音となりうるのか,細胞老化研究の専門家からこの命題に対する見解をご紹介いただく前に,本稿ではこれまでの研究から明らかにされてきた細胞老化の基礎機構とsenolytics研究の現在までの流れを概説する.

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キーワード 細胞老化,個体老化,加齢性疾患,SASP,senolytics

 はじめに―細胞老化研究の歴史的な背景


細胞老化現象の発見は1956年に遡り,哺乳動物の正常な組織からとり出した体細胞をin vitroで培養した際に,分裂をくり返した細胞がそれ以上増殖できない現象として報告された1).これは,培養細胞が分裂の限界(Heyflick limit)を迎えた増殖停止状態であり,今では複製老化(replicative senescence)として理解されている2).1996年にSerrano博士らが,変異型Rasの発現によっても複製老化と同様の増殖停止状態が誘導されるという,がん遺伝子誘導性の細胞老化(oncogene-induced senescence,OIS)を報告し3),2005年には,細胞老化が生体内の前がん病変部や良性腫瘍部で重要ながん抑制機構として機能することが報告された4)〜7).2008年には,老化細胞が炎症性サイトカイン,ケモカイン,増殖因子や細胞外マトリクス分解酵素などのタンパク質群を分泌する細胞老化随伴分泌現象が,senescence-associated secretory phenotype(SASP)もしくはsenescence-messaging secretome(SMS)と名付けられ,細胞老化は1細胞内で自己完結する現象ではなく,生体ネットワークのなかで多彩な機能を有する可能性が示唆された8)〜10).そして,老化細胞に細胞死を誘導し治療標的とするsenolysis(seno=老化,lysis=溶解)という概念に基づいた“senolytics”が提唱された2015年以降,あらゆる加齢性の病態がその研究対象となることから,近年,研究領域が爆発的に拡大し注目を集めている(概念図1).

細胞老化の基礎機構


ヒトの細胞における複製老化の誘導は,細胞分裂に伴うテロメアの短小化が原因であることは知られていたが,OISの発見をきっかけに,多岐にわたる細胞老化の誘導メカニズムが明らかにされてきた.いずれの細胞老化誘導経路も,細胞周期チェックポイント機構の活性化により,CDK(cyclin-dependent kinase)の阻害因子であるp16INK4aやp21CIP1/WAF1の発現が誘導され,RBファミリータンパク質が恒常的に活性化するために,不可逆的な細胞周期の停止状態が維持される11)12)概念図2左上).現在では,DNA損傷応答を引き起こすようなストレス(酸化的ストレスやミトコンドリア機能不全など)や,化学療法や放射線療法のようながんの治療も細胞老化を誘導することが知られており,それぞれ,DNA damage-induced senescenceやtherapy-induced senescenceとよばれている.

老化細胞の特徴

老化した細胞は正常な細胞とは異なるいくつかの特徴を示す.例えば,細胞周期停止の原因となるp16INK4aやp21CIP1/WAF1もしくはその他のCDK阻害因子の発現の上昇や細胞周期関連遺伝子の発現低下,合成ヌクレオシドBrdU(bromodeoxyuridine)の取り込みや細胞増殖マーカーであるKi-67染色を用いた細胞増殖停止の検出,リン酸化ヒストンH2AX(γH2AX)等の免疫染色で検出される恒常的なDNA損傷応答の活性化,酸性条件下で青く染色されるSA-β-gal(senescence-associated beta galactsidase)活性などは老化細胞を検出するための指標として頻用されている.その他にも,核膜の裏打ちタンパク質であるLamin B1の発現低下やSASP関連遺伝子の発現上昇とともに,SAHF(senescence-associated heterochromatin foci)やSADS(senescence-associated distension of satellites)などの染色体構造の異常や代謝の異常(城村・中西の稿参照)も,老化細胞の特徴として認識されている13)概念図2左下).

細胞老化とSASPの生体機能

老化細胞が分泌するSASP因子は,老化細胞自身にオートクラインに作用するか,もしくは周囲の細胞にパラクラインに作用し細胞老化を誘導することで,細胞の増殖抑制に働くことが最初に報告された8)〜10).さらに,がんの発生の初期に出現する老化細胞では,分泌したSASP因子がNK細胞やT細胞などの免疫細胞を前がん病変部によび込んで,老化細胞のクリアランスに働き,がんを抑制する効果があるとされている.近年では,細胞老化が正常な胚発生やリプログラミングの過程,皮膚損傷部位における創傷治癒のような生体の恒常性維持に重要な役割を担っていることも報告されている12).その一方で,ヒトやマウスなどの哺乳動物では加齢に伴う免疫機能の低下とともに(山下の稿参照),老化した細胞が体内に蓄積し,局所的もしくは全身性にSASPが亢進することが問題視されている.

このように,細胞老化という現象そのもの,あるいは老化細胞が分泌するSASP因子は,生体に有益な作用を示す一方で,周辺組織に慢性炎症を引き起こし,さまざまな加齢性疾患の発症や病態の悪化へ関与することも強く示唆されている.特に,がんという病態における細胞老化の機能には,相異なる二面性があることが数多く報告されている14)15)脇田・原の稿参照).細胞老化はさまざまな発がんストレスによって誘導される重要ながん抑制機構であるが,がんの進展過程においては,炎症性タンパク質やエクソソームなどのSASP因子を介して,細胞外マトリクスの改変やがん細胞の運動能・浸潤能亢進,抗腫瘍免疫の抑制に働き,がんの悪性化に寄与する有害な側面も併せもつ(概念図2右上).

老化細胞におけるSASP誘導機構

細胞老化の副作用ともいえるSASPの誘導機構に関しては,SASPが報告された当初から精力的に研究が進められてきた(概念図2右下).代表的な誘導機構として,C/EBP-β(CCAAT/enhancer binding protein-β),NF-κB(nuclear factor-κB),GATA4,STAT(signal transducer and activator of transcription),IRF3(interferon regulatory transcription factor 3)などの転写因子が,SASP因子群の遺伝子発現制御領域に結合して転写が起こることが報告されている16).また,われわれを含むいくつかのグループが,DNAメチル化酵素やヒストン修飾酵素などエピジェネティックな調節因子によるSASPの制御機構を報告している.ヒストン脱アセチル化酵素であるSIRT1(sirtuin 1),ヒストンH2Aのバリアントの一つであるmacro H2A1,ヒストンメチル化酵素のG9a/GLP等がSASP遺伝子の発現に抑制的に働いていることや,MLL1(mixed lineage leukemia 1),HMGB2(high mobility group box 2),BRD4(bromodomain-containing protein 4)や抑制ヒストン脱メチル化酵素のKDM4(JMJD2)によるエピジェネティックな制御がSASPの誘導に重要であることが報告されている14)17).さらに,mTOR(mammalian target of rapamycin)やp38シグナル活性化の下流での翻訳調節や,PTBP1による転写後のRNAの調節が重要であることや,老化細胞では細胞質のクロマチン断片量が増加しDNAセンサーであるcGAS(cyclic GMP–AMP synthase)/STING(stimulator of interferon genes)経路を活性化することで自然免疫応答を引き起こし,SASPの誘導に働くことが明らかとなっている18).最近,われわれは老化細胞で転写が亢進しているゲノムDNA上の反復配列(satellite DNA)由来のnon-coding RNA(human satellite Ⅱ RNA,hSAT Ⅱ)がゲノム構造の維持に重要なCTCF(CCCTC-binding factor)タンパク質の機能を阻害し,SASP遺伝子領域の染色体相互作用を変化させることで,SASP遺伝子群の発現を制御していることを見出した19).この研究結果は,老化した細胞においてはゲノム上のセントロメア近傍に位置するsatellite領域の染色体が活性化した状態で開いており,DNA FISH(fluorescence in situ hybridization)で特徴的な膨潤化した形態を示すSADSとして検出されることと一致している.

このように,老化した細胞では複数のシグナル経路が同時に働いて継続的に炎症反応を引き起こすSASPが誘導されると考えられている.近年では,タンパク質・脂質・核酸のような細胞内構成分子がエクソソームなどの細胞外小胞に含まれて他の細胞に伝搬され情報伝達に寄与することが明らかとなっているが,老化細胞では正常な細胞とは異なる組成を示す細胞外小胞の分泌が亢進しており,SASP因子の一つとして機能することも明らかになりつつある19)20)

老化細胞を標的としたsenolyticsの開発とsenotherapyの可能性


哺乳動物を用いた個体老化研究の成果から,老化細胞が加齢と伴に体内に蓄積してゆくことが明らかとなっている21).前述のように,細胞老化は初期にはがん抑制機構として機能するため,細胞老化の誘導そのものを抑制してしまうと発がんの危険性が高まってしまう.その観点から,2011年に細胞老化の誘導には影響を与えずに,老化した細胞選択的に細胞死を誘導し生体内から除去できる遺伝子改変マウスを用いた解析が行われ,個体老化に伴う病態や加齢性疾患の発症時期の遅延,自然発症のがんの抑制により寿命が延長することが報告された22)23).そして次なるアプローチとして,老化細胞と正常細胞の細胞生物学的特性の違いを標的として老化細胞に選択的に細胞死を誘導する“senolytics”の探索がはじまった.2015年,老化細胞がアポトーシスに耐性であるという仮説とバイオインフォマティクスに基づいた解析から,Kirkland博士らによって抗がん剤の一種であるダサチニブ(Dasatinib,D)とフラボノイドの一種であるケルセチン(Quercetin,Q)が同定され,老化細胞に細胞死を誘導するD+Qが最初のsenolytic drugとして報告された24).また,やはりBcl-2ファミリーの阻害剤であるNavitoclax(ABT-263)と別のフラボノイドであるフィセチン(Fisetin)にもsenolysis効果があることが報告され,これらのsenolytic drugの投与によって,多くの加齢関連疾患の症状を緩和できることが示された25).さらに現在までに,ヒートショックタンパク質(heat shock protein)90 kDaの阻害剤,p53活性を標的にした薬剤,強心配糖体,タンパク質を直接分解するPROTAC(proteolysis targeting chimera)など,多岐にわたるsenolytic drugや免疫細胞を用いて老化細胞除去を目的とするsenotherapyが報告され,一部のsenolyticsに関しては動物実験で著効したことからヒトを対象とした治験が進められている26)(詳しくは高杉・大谷の稿).

前述のsenolyticsの台頭により,現在では早老症や加齢に伴う身体の機能不全の制御が検討されている.本特集では,senolyticsによる予防・治療効果が期待されている代表的な疾患である,加齢に伴う脳老化やアルツハイマー病・パーキンソン病などの神経変性疾患(佐藤の稿),心不全や高血圧・動脈硬化などの循環器疾患(須田・南野の稿),慢性閉塞性肺疾患や肺線維症のような呼吸器疾患(杉本・川口の稿),免疫老化(山下の稿),糖尿病・脂肪肝や骨粗鬆症などの代謝性疾患(城村・中西の稿)やがん(脇田・原の稿)に関して,最新の知見を各論でご紹介いただく(概念図3).前述以外にも白内障や緑内障,腎機能不全,サルコペニア,フレイルなどの加齢性疾患や,骨・臓器移植や化学・放射線療法との併用など,senolyticsの多岐にわたる効果が期待されている27).さらに,細胞老化とCOVID-19との関連や(杉本・川口の稿),senolytic drug 開発の最新動向と今後の展望(高杉・大谷の稿)についても記載していただいた.

 おわりに

ご存知の読者もいるかもしれないが,実験医学では過去2回に渡って細胞老化をテーマとした特集号が刊行されている.2003年4月号の「注目の新概念!細胞老化とがん抑制~ストレスシグナルによる細胞周期の停止~」と2019年7月号「細胞老化の真機能~加齢性疾患に対する新たな治療戦略を狙え~」である(いずれも原英二先生企画).2021年1月には,Nature publishing groupにおいて新たな雑誌「Nature Aging」が創刊したことからもわかるように,現在世界的に細胞老化や個体老化研究への関心が高まっている.現在のこの潮流をかんがみて,前回の特集から2年半の短期間ではあるが,本特集でsenolyticsをとり上げさせていただいた.わが国では2017年より国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)の「老化メカニズムの解明・制御プロジェクト」が始動したが,アメリカ国立衛生研究所(National Institutes of Health,NIH)においても,2021年11月新たにCellular Senescence Network(SenNet)プログラムに研究費を投じることが発表された.NIH国立がん研究所所長であり細胞老化研究者でもあるSharpless博士は,SenNetプログラムにより加齢性疾患の一つであるがんの発症機序の解明に期待をよせているとインタビューに答えている.

一方で,細胞老化が生体にもたらす作用は悪一辺倒でなく,生体内の恒常性維持に重要な役割を担っている正の側面もあることから,老化細胞そのものを標的とするsenolyticsに対する警鐘が鳴らされ,有害なSASPのみを標的とするsenomorphicsという方策も検討されている.いずれにしても,かつて不可能とされた老化という生命現象への介入によって,健康長寿という人類の夢に少しずつ近づいているように感じられる.しかし,senolyticsの開発がはじまってようやく5年が経過したところであり,哺乳動物の老化研究には長期間を要することから,その有効性を実証するにはまだまだ多くの基礎研究と臨床研究が必要である.senolyticsは人類の福音となりうるのか,それとも泡沫の夢で終わるのか,筆者は確かな研究成果を積み上げることでその答えを見つけ出したいと願っている.

文献

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参考図書

  • 実験医学2019年7月号 Vol.37 No.11「細胞老化の真機能」(原 英二/編),羊土社,2019

本記事のDOI:10.18958/6977-00001-0000029-00

著者プロフィール

高橋暁子:北海道大学大学院歯学研究科博士課程卒業.徳島大学ゲノム機能研究センターで日本学術振興会特別研究員(PD),(公財)がん研究会がん研究所の主任研究員を経て,2017年4月より細胞老化プロジェクトを主宰.JSTさきがけ「微粒子」領域とAMED PRIME「機能低下」領域の研究員を兼任し,2020年よりがん研究会NEXT-Gankenプログラムがん細胞社会成因解明プロジェクトのプロジェクトリーダーを兼任.高橋ラボでは,細胞老化とがんの研究に興味のある大学院生を募集中.

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