理研、アトピー性皮膚炎モデルの原因遺伝子を解明

アトピー性皮膚炎モデルの原因遺伝子を解明
−JAK阻害剤または保湿剤でアトピー性皮膚炎を予防−


■要旨
　理化学研究所（理研）統合生命医科学研究センター疾患遺伝研究チームの吉田尚弘チームリーダー（研究当時）、安田琢和研究員（研究当時）らの共同研究グループ（※）は、遺伝子変異誘導によりアトピー性皮膚炎モデルマウス（Spadeマウス）を開発し、このモデルマウスにおけるアトピー性皮膚炎発症のメカニズムを解明し、発症の予防方法を発見しました。

　アトピー性皮膚炎は、日本を含めた先進国の乳幼児でよくみられる炎症性皮膚疾患であり、遺伝要因と環境要因の複合によって発症すると考えられています。共同研究グループは、遺伝要因を明らかにするため、マウスに「化学変異原」を投与し、その中から、かいたり擦ったりする掻破（そうは）行動の強い皮膚炎を発症するマウスを選別しました。このマウスは清潔な環境で飼育しても、生後８〜１０週間でアトピー性皮膚炎を発症します。病気の原因となる遺伝子変異を調べたところ、さまざまな細胞の増殖や分化に重要なサイトカイン［１］のシグナル伝達因子である「JAK１」分子の遺伝子配列に点突然変異［２］が生じ、JAK１のリン酸化酵素であるキナーゼ活性が増加していることを突き止めました。これにより、発症前から表皮細胞の古い角質が剥がれるときに発現するプロテアーゼ（ペプチドの加水分解酵素）群の遺伝子発現が上昇し、角質による皮膚バリア［３］に機能障害が起こっていることも分かりました。

　このマウスの皮膚にJAK阻害因子を塗ったところ、プロテアーゼの発現は抑制され、アトピー性皮膚炎の発症を遅らせることができました。軟膏基質として使われるワセリンを塗ることでも、発症の予防ができました。このとき、皮膚バリア機能も正常と同等に保たれるだけでなく、真皮（表皮の下にある線維性結合組織）の炎症発生も抑制されることが明らかとなりました。

　共同研究グループでは、ヒトのアトピー性皮膚炎でも同じことが起こっているのかどうかを調べるために、アトピー性皮膚炎の患者の皮膚組織を調べたところ、６例中４例の表皮細胞でJAK１が活性化していることを発見しました。

　ヒトにおいてアトピー性皮膚炎患者は、発症後にならないと診断がつきませんが、未発症の皮膚でJAK１を含む信号伝達経路の活性化が起こっている場合、アトピー性皮膚炎を発症する可能性のあること、ワセリンを塗ることで発症が予防できる可能性が示されました。また、今回作製したSpadeマウスを用いることによって、アトピー性皮膚炎発症に関わる複数の要因を分子レベル、細胞レベルで明らかにし、それぞれのターゲットを決めた発症予防法や治療法の確立が期待できます。

　本研究は米国の科学雑誌『Journal　of　Clinical　Investigation』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（４月２５日付：日本時間４月２６日）に掲載されます。


　※共同研究グループ

　理化学研究所
　統合生命医科学研究センター
　疾患遺伝研究チーム
　チームリーダー（研究当時）吉田　尚弘（よしだ　ひさひろ）（免疫器官形成研究グループ　研究嘱託・医師）
　研究員（研究当時）安田　琢和（やすだ　たくわ）（免疫器官形成研究グループ　研究員）

　免疫器官形成研究グループ
　グループリーダー　古関　明彦（こせき　はるひこ）
　上級技師　長谷川　孝徳（はせがわ　たかのり）
　技師　松田　正史（まつだ　まさし）

　サイトカイン制御研究チーム
　チームリーダー　久保　允人（くぼ　まさと）

　粘膜システム研究グループ
　グループリーダー　大野　博司（おおの　ひろし）

　バイオリソースセンター
　マウス表現型解析開発チーム
　チームリーダー　若菜　茂晴（わかな　しげはる）
　開発技師　三浦　郁生（みうら　いくお）

　徳島文理大学　薬学部　病態分子薬理学
　教授　深田　俊幸（ふかだ　としゆき）

　鈴鹿医療科学大学　薬学部　免疫学
　准教授　西田　圭吾（にしだ　けいご）

　かずさDNA研究所　ゲノム医学研究室
　室長　小原　収（おはら　おさむ）
　研究員　中山　学（なかやま　まなぶ）

　京都大学大学院医学研究科　皮膚科学
　教授　椛島　健治（かばしま　けんじ）
　講師　大日　輝記（だいにち　てるき）

　東京大学大学院医学系研究科国際保健政策学専攻
　助教　中岡　慎治（なかおか　しんじ）

　慶応義塾大学先端生命科学研究所
　特任准教授　福田　真嗣（ふくだ　しんじ）

　バイオリサーチ研究所　Amorepacific　Corporation　R＆D　Center
　研究員　Bin　Bum−Ho（ビン・ボムホー）


■背景
　アトピー性皮膚炎は、日本を含めた先進国の乳幼児によくみられる炎症性皮膚疾患であり、繰り返す掻痒（そうよう）感の強い湿疹と免疫グロブリン（IgE）［４］産生上昇などによるアレルギー様反応が問題となります。遺伝的に皮膚バリア機能に障害がある人でアトピー性皮膚炎が発症しやすいことから、それが発症の遺伝的背景因子となることが示唆されていました。

　しかし、遺伝的背景因子を持つヒトが、どうしてアトピー性皮膚炎を発症するのか、詳しいメカニズムは分かっておらず、モデル動物を用いた発症のメカニズムの解析が望まれていました。ところが、そのような発症経過を忠実に再現するモデルマウスはこれまで存在していませんでした。


■研究手法と成果
　共同研究グループはエチルニトロソウレア［５］という「化学変異原」をマウスに投与し、ゲノムに変異を起こすことにより、突然変異マウスを作製しました。５０家系、３，０００匹のマウスの表現型解析の結果、アトピー性皮膚炎を自然発症するマウスを発見しました（図１）。

　このマウスは清潔な環境で飼育しても、生後８〜１０週でアトピー性皮膚炎を自然発症し、その３週間後に血清IgEやヒスタミン［６］などの痒みに関係する免疫系の物質の血中濃度が上昇しました。さらに４〜５週間後には、慢性炎症時に上昇する炎症物質の血中濃度が上昇するという、段階を追った発症経過をたどりました。このことから共同研究グループは、この突然変異マウスを「Stepwise　Progressive　Atopic　Dermatitis（Spade）マウス（多段階進行性アトピー性皮膚炎マウス）」と命名しました（図１）。

　遺伝子マッピング手法で原因となる遺伝子座を特定し、候補遺伝子の遺伝子配列を調べたところ、「JAK１」という細胞内信号伝達分子［７］のアミノ酸配列に変異を起こす変異を発見しました（図２上）。

　JAK１はさまざまなサイトカイン受容体［１］の下流で機能する分子であり、免疫系細胞の増殖・分化や機能発現に重要であることが知られています。しかし、骨髄移植実験［８］でSpadeマウスと野生型マウスの骨髄細胞を入れ替える実験を行ったところ、アトピー性皮膚炎を引き起こす原因は皮膚組織の側にあり、免疫系にはないことが明らかになりました。

　JAK１はチロシンキナーゼ（チロシンリン酸化酵素）活性を持ち、それが活性化することでさらに下流の信号伝達分子を活性化し、さまざまな遺伝子発現を誘導します。SpadeマウスのJAK１の遺伝子変異は“機能獲得型”の変異であり、JAK１を介したシグナルが強く入ることによってアトピー性皮膚炎が起こると予想できました。そこで、JAK阻害剤をマウスの皮膚に塗ってみたところ、実際に発症を遅らせることができました（図２下）。このことから、皮膚でのJAK１の活性化変異がアトピー性皮膚炎を引き起こすことが確認できました。

　次に、アトピー性皮膚炎の遺伝的な背景因子とされる皮膚バリア機能の低下があるか調べたところ、Spadeマウスではアトピー性皮膚炎発症の数週間前から皮膚バリア機能が低下していることが明らかになりました（図３上）。

　以上のことから、Spadeマウスのアトピー性皮膚炎発症の原因は皮膚バリア機能の低下にあると考えられ、それを改善する目的でアトピー性皮膚炎が発症する４週間前からワセリンを１日おきに塗布してみました。すると、ワセリン塗布により２カ月以上にわたってアトピー性皮膚炎発症を予防することができました（図３下）。

　ワセリンを塗った皮膚ではバリア機能が改善しているだけでなく、アトピー性皮膚炎発症前の真皮に炎症細胞が集まるのを防いでいることも明らかになりました。

　皮膚での遺伝子発現を比較した結果、Spadeモデルマウスの皮膚では複数のセリンプロテアーゼ［９］の発現が増加していることが明らかになりました。

　皮膚は常に新しい細胞と角質を作り出すために、生まれ変わりを続けています。皮膚に発現するセリンプロテアーゼは、古い角質を剥がすために適切な量が毎日作られ続けています。ところがSpadeマウスでは、セリンプロテアーゼの発現量が増加しているために角質が剥がれやすい状態になっており、バリア機能が低下していると考えられました。実際にSpadeマウスのJAK１変異は、複数のセリンプロテアーゼの発現を増加することが細胞実験でも確かめられました。

　以上の研究結果から、Spadeマウスのアトピー性皮膚炎がなぜ発症するのか、どうすればそれを予防できるかをまとめたものが図４です。

　また、ヒトにおいてもJAK１の活性化がアトピー性皮膚炎と関連しているのかどうかを調べる目的で、患者の皮膚でのJAK１活性化を調べたところ、６人の患者のうち４人の患者の表皮細胞でJAK１活性化が起こっていることが明らかになりました。


■今後の期待
　ヒトにおいても皮膚バリア機能の破たんが、一部のアトピー性皮膚炎の原因であると考えられています。しかし同じ変異を持ち、同じ環境に住んでいながら発症する人と発症しないヒトが存在します。その違いが皮膚の問題なのか、免疫の問題なのか、遺伝的問題なのか、環境の問題なのか、複数の要因が考えられますが、ヒトではそれを調べることは困難です。特に、発症前の未病［１０］の状態のヒトの皮膚の状態を継続的に研究することはほぼ不可能です。

　今回報告したSpadeマウスでは、JAK１の活性型変異という遺伝素因を基にアトピー性皮膚炎を発症するまでに生後８週間を要し、ワセリン塗布などの環境変化によってその発症が予防できるというユニークな表現型を呈します。つまりこのマウスを用いて研究することで、遺伝的な発症素因を持つ個体が未病の状態のときに何が起こっているのかを観察することが可能になります。これにより、アトピー性皮膚炎発症に関わる複数の要因を分子レベル、細胞レベルで明らかにし、それぞれのターゲットを決めた発症予防法や治療法を確立することができると考えられます。

　また、このSpadeモデルマウスではアトピー性皮膚炎発症の数週間後からIgEやヒスタミンなど、アレルギー疾患患者で血中レベルが増加する物質の血中レベルも増えており、アトピー性皮膚炎発症を契機として段階的にさまざまなアレルギー性疾患が発症する、“アトピックマーチ（１つのアレルギー疾患を契機に誘導される一連のアレルギー疾患群）”の研究につなげることが期待できます。


■原論文情報
　・Takuwa　Yasuda，Toshiyuki　Fukada，Keigo　Nishida，Manabu　Nakayama，Masashi　Matsuda，Ikuo　Miura，Teruki　Dainichi，Shinji　Fukuda，Kenji　Kabashima，Shinji　Nakaoka，Bum−Ho　Bin，Masato　Kubo，Hiroshi　Ohno，Takanori　Hasegawa，Osamu　Ohara，Haruhiko　Koseki，Shigeharu　Wakana，and　HisahiroYoshida，"Hyperactivation　of　JAK１　tyrosine　kinase　induces　stepwise　progressive　pruritic　dermatitis"，Journal　of　Clinical　Investigation


■発表者
　理化学研究所
　統合生命医科学研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/ims/）　疾患遺伝研究チーム
　チームリーダー（研究当時）　吉田　尚弘（よしだ　ひさひろ）
　（免疫器官形成研究グループ　研究嘱託・医師）
　研究員（研究当時）　安田　琢和（やすだ　たくわ）
　（免疫器官形成研究グループ　研究員）


　・補足説明・図１〜４は添付の関連資料を参照