医師教育：エリスロポエチン受容体とシグナル伝達

エリスロポエチン (EPO): エリスロポエチン (EPO) は、赤血球前駆細胞の増殖と分化を促進し、末梢血中の赤血球数を調節するホルモンです。 EPO は主に腎臓で産生され、血中酸素濃度の低下により EPO 遺伝子の転写が促進されます。 EPO の存在は、19 世紀の終わり近くに、低酸素が赤血球の産生を増加させるという発見によって示唆されました。 EPO は 1950 年代に血清因子として同定され、1970 年に三宅らが再生不良性貧血患者の尿を原料として精製することに成功しました。この精製された EPO の部分アミノ酸配列を用いて 1985 年にヒト EPO 遺伝子がクローニングされ、現在、組換え EPO が慢性腎不全に伴う貧血などの治療薬として使用されていることはよく知られています。 EPO の作用: EPO を含む半固体培地でヒト骨髄細胞を培養すると、5 ～ 7 日で小さな赤芽球コロニーが形成され、10 日目までに花火に似た大きな赤芽球コロニー (「バースト」コロニー) が現れます。前者のコロニーの元の細胞は、コロニー形成単位 - 赤血球 (CFU-E) または後期赤芽球前駆細胞と呼ばれ、後者のコロニーでは、バースト形成単位 - 赤血球 (BFU-E) または初期赤芽球前駆細胞と呼ばれます。細胞。図 1 に示すように、赤血球は、幹細胞から BFU-E、CFU-E、赤芽球への分化によって生成されます。 EPO は BFU-E 細胞と CFU-E 細胞の両方に作用しますが、CFU-E 細胞は EPO や、幹細胞因子 (SCF)、インターロイキン (IL)-3、IL-4、顆粒球マクロファージなどの他の因子に対してより高い感受性を示します。コロニー刺激因子 (GM-CSF) は、BFU-E 細胞の増殖のために EPO と共に存在する必要があります。 CFU-E 期を過ぎた赤芽球では、細胞が成熟するにつれて EPO に対する感受性が低下します。 EPO 受容体とサイトカイン受容体ファミリー: EPO 受容体遺伝子は、1989 年に D'Andrea と同僚によってマウス赤白血病細胞からクローニングされました [1]。 EPO 受容体は、さまざまなインターロイキン、GM-CSF、顆粒球コロニー刺激因子 (G-CSF)、成長ホルモン、プロラクチンの受容体を含むサイトカイン受容体ファミリーに属することが明らかになりました。この受容体ファミリーの特別な特徴は、スイッチがオンになっている (すなわち、受容体が活性化されている) ことと、ホモオリゴマーまたはヘテロオリゴマー (ダイマーまたはトリマー) の形成によって細胞の内部にシグナルを伝達することです。さらに、これらの受容体のヘテロオリゴマーは、共通の受容体サブユニットを共有しています。図 2 に示すように、IL-3、IL-5、および GM-CSF 受容体には共通の β 受容体があります。サブユニット、およびそれらのリガンド特異性は、αサブユニットによって決定されます。サブユニット。同様に、IL-6、LIF、およびオンコスタチン M (OSM) 受容体はすべて gp130 を共有しています。 IL-6受容体のサブユニット。 IL-2、IL-4、および IL-7 受容体はすべて、γ受容体を共有しています。 IL-2受容体のサブユニット。上記のすべての受容体は、ヘテロオリゴマーの形成によって活性化されますが、G-CSF 受容体、EPO 受容体、および成長ホルモン受容体は、同じタイプの分子のホモ二量体の形成によって活性化されます [2]。比較的広範囲の細胞に影響を及ぼし、重複した生物学的活性を持つインターロイキンなどのサイトカインのグループが、単一の受容体サブユニットの共通の使用を通じてこの重複を作成することがわかります。一方、EPO と G-CSF は、比較的限られた範囲の細胞に対して高い特異性を持って作用するため、それらの受容体がサブユニットの 1 つを共有する必要はおそらくありませんでした。 EPO 受容体と JAK2 キナーゼ: 細胞の増殖と赤芽球への分化のシグナルは、EPO 受容体で発生すると考えられています。 EPO 受容体の細胞質ドメインは、2 つの主要な領域に分けることができます。原形質膜に最も近い部分である細胞質ドメインの約半分は、グロビン合成の誘導などの増殖と分化のシグナルを生成するために必要です [3、4]。残りの半分はこのシグナリングには必要なく、逆に信号を弱める働きをします。 JAK2 と呼ばれるチロシンキナーゼが原形質膜に近い領域と会合し、自己リン酸化を受け、EPO 受容体と STAT と呼ばれる転写因子をリン酸化することが知られています [5]。 JAK2 は細胞増殖の促進に重要な役割を果たしていると考えられています。 STATはリン酸化により活性化された後、核に移行し、標的遺伝子のプロモーター領域の特定の塩基配列を認識して転写を開始します。現在、EPO受容体を介して活性化されるSTATはSTAT5であり、標的遺伝子はSH2ドメイン（リン酸化されたチロシンを認識する分子構造）を持つCIS[6]とOSM[7]であることがわかっています。これは多面的なサイトカインです。ただし、STAT5 の活性化と標的遺伝子の活性化は EPO 受容体に固有のものではなく、IL-2 および IL-3 受容体でも発生します。さらに、細胞増殖に直接関連する JAK2 基質はまだ知られていません。現在、EPO に特異的な転写因子とその標的遺伝子、および JAK2 の基質を決定するための研究が進行中です。受容体のリン酸化とシグナルの停止: 一方、受容体のチロシンリン酸化は原形質膜から離れた細胞質テール領域で必要であり、シグナル伝達経路はこのリン酸化されたチロシンから始まり、SH2 ドメインを持つタンパク質によって媒介されます。活性化します。まず、Shc と Grb2 によって媒介される SOS と呼ばれる GTP/GDP 交換因子が原形質膜に移動し、ras タンパク質を GTP 型に変換します。活性化されたrasタンパク質は次にRaf-MAPキナーゼキナーゼ-MAPキナーゼカスケードを活性化し、最終的にc-fosやc-junなどの癌遺伝子の転写を開始します。 PI3キナーゼと呼ばれる酵素が受容体のチロシンリン酸化部位に結合し、セカンドメッセンジャーが生まれます。この経路は、特定の種類の線維芽細胞における DNA 合成の要件であることが知られています。ただし、これらのシグナル伝達経路は EPO 受容体に固有のものではなく、ほとんどの成長因子受容体によっても活性化されるため、EPO による増殖には必ずしも必要ではありません。逆に、SH2ドメインを持ち、血球に特異的なチロシンホスファターゼSH-PTP1（HCPとも呼ばれる）は、受容体のチロシンリン酸化部位と会合し、JAK2の脱リン酸化を促進します。つまり、SH-PTP1 の役割はシグナルの発生を止めることである [8]。したがって、原形質膜から離れた受容体のこの細胞質尾部領域を欠く突然変異では、受容体はチロシンリン酸化を受けず、JAK2 活性化はより長い期間継続し、したがってシグナルはより効率的に生成されます。実際、家族性赤血球増加症の軽症患者の 1 例では、EPO 受容体の C 末端で 70 アミノ酸が欠落している変異が発見されました [9]。これは優性遺伝形質であり、患者の赤芽球は EPO に対する感受性の増加を示しました。この家系では、病気と呼べるほどの障害はなく、実際、この患者はオリンピックで金メダルを争うほど運動能力に優れていたと言われています。より具体的には、アスリートが高地でトレーニングを行う理由は、酸素分圧が低いために EPO の産生を高めるためであり、結果として赤血球が増加し、運動能力が持続するという望ましい効果がもたらされます。しかし、加速された受容体能力のおかげで、このアスリートでも同じ効果が自然に発生しました.

ERYTHROPOIETIN (EPO): Erythropoietin (EPO) is a hormone that promotes the proliferation and differentiation of erythroid progenitor cells and regulates the number of erythrocytes in peripheral blood. EPO is produced mainly by the kidneys, and transcription of the EPO gene is promoted by a reduction in the oxygen concentration in the blood. The existence of EPO was suggested near the end of the 19th century by the discovery that hypoxia increases the production of red blood cells. EPO was identified as a serum factor in the 1950s, and in 1970 Miyake and coworkers succeeded in purifying it by using the urine of patients with aplastic anemia as a starting material. The human EPO gene was cloned in 1985 using a partial amino acid sequence from this purified EPO, and it is well known that recombinant EPO is currently used as a drug to treat anemia associated with chronic renal failure and other illnesses. ACTION OF EPO: When human bone marrow cells are cultured in a semisolid medium containing EPO, they form small erythroblast colonies in five to seven days, and by day 10 large erythroblast colonies appear that resemble fireworks ("burst" colonies). The original cells in the former colonies are called colony forming units-erythroid (CFU-E) or late-stage erythroblast progenitor cells and in the latter colonies they are called burst forming units-erythroid (BFU-E) or early-stage erythroblast progenitor cells. As shown in Figure 1, red blood cells are produced through differentiation from stem cells to BFU-E, CFU-E, and erythroblasts. Although EPO acts on both BFU-E and CFU-E cells, CFU-E cells show greater sensitivity to EPO, and other factors such as stem cell factor (SCF), interleukin (IL)-3, IL-4, and granulocyte macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) must be present together with EPO for BFU-E cell proliferation. In erythroblasts beyond the CFU-E stage, sensitivity to EPO decreases as the cells mature. THE EPO RECEPTOR AND THE CYTOKINE RECEPTOR FAMILY: The EPO receptor gene was cloned by D'Andrea and coworkers in 1989 from murine erythroleukemia cells [1]. It became clear that the EPO receptor belongs to the cytokine receptor family that comprises receptors for the various interleukins, GM-CSF, granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF), growth hormone and prolactin. The special characteristic of this family of receptors is that they are switched on (i.e., the receptor is activated) and transduce signals to the interior of the cell by the formation of homo- or hetero-oligomers (dimers or trimers). Moreover, hetero-oligomers of these receptors share a common receptor subunit. As shown in Figure 2, the IL-3, IL-5 and GM-CSF receptors have a common &bgr; subunit, and their ligand specificity is determined by the &agr; subunit. In the same manner, the IL-6, LIF and oncostatin M (OSM) receptors all share gp130, which is the &bgr; subunit of the IL-6 receptor. The IL-2, IL-4 and IL-7 receptors all share the &ggr; subunit of the IL-2 receptor. All the above receptors are activated by the formation of hetero-oligomers, but the G-CSF receptor, EPO receptor, and growth hormone receptor are activated by the formation of homodimers of the same types of molecules [2]. We can see that groups of cytokines such as the interleukins that affect a relatively wide range of cells and have redundant biological activity create this redundancy through the common use of a single receptor subunit. On the other hand, EPO and G-CSF act with high specificity on a relatively limited range of cells, so it was probably unnecessary for their receptors to share one of the subunits. EPO RECEPTOR AND JAK2 KINASE: The signal for cellular proliferation and differentiation into erythroblasts is thought to originate at the EPO receptor. The cytoplasmic domain of the EPO receptor can be divided into two major regions. Roughly half of the cytoplasmic domain, the part lying nearest the plasma membrane, is required for generating the signals for proliferation and differentiation such as the induction of globin synthesis [3, 4]. The remaining half is not required for this signaling, and, conversely, it acts to dampen the signals. It is known that a tyrosine kinase called JAK2 associates with the region near the plasma membrane, undergoes autophosphorylation, and phosphorylates the EPO receptor, and a transcription factor called a STAT [5]. It is thought that JAK2 plays an important role in promoting cellular proliferation. The STAT is activated by the phosphorylation, and it then translocates to the nucleus, recognizes a specific base sequence in the promoter region of its target gene, and initiates transcription. At present, we know that the STAT whose activation is mediated by the EPO receptor is STAT5, and the target genes are CIS [6], which has an SH2 domain (a molecular structure that recognizes a phosphorylated tyrosine) and OSM [7], which is a pleiotropic cytokine. However, activation of STAT5 and activation of the target genes are not unique to the EPO receptor, and they also occur with the IL-2 and IL-3 receptors. Moreover, the JAK2 substrate that is directly linked to cellular proliferation is still unknown. At present, studies are under way to determine the transcription factors specific to EPO and their target genes, as well as the substrates of JAK2. RECEPTOR PHOSPHORYLATION AND CESSATION OF THE SIGNAL: On the other hand, tyrosine phosphorylation of the receptor is necessary at the cytoplasmic tail region far from the plasma membrane, and the signal transduction pathway that originates with this phosphorylated tyrosine and is mediated by proteins with SH2 domains becomes activated. First, a GTP/GDP exchange factor called SOS, which is mediated by Shc and Grb2, migrates to the plasma membrane and converts a ras protein to its GTP form. The activated ras protein then activates the Raf-MAP kinase kinase-MAP kinase cascade, and ultimately initiates the transcription of oncogenes such as c-fos and c-jun. An enzyme called PI3 kinase binds to the tyrosine phosphorylation site of the receptor and a second messenger is born. It is known that this pathway is a requirement for DNA synthesis in certain types of fibroblasts. However, these signal transduction pathways are not unique to the EPO receptor, and they are also activated by most growth factor receptors, so they are not necessarily required for EPO-induced proliferation. Conversely, the tyrosine phosphatase SH-PTP1 (also called HCP) that has an SH2 domain and is specific to blood cells associates with the tyrosine phosphorylation site of the receptor and promotes the dephosphorylation of JAK2. In other words, the role of SH-PTP1 is to stop generation of the signal [8]. Therefore, in mutations lacking this cytoplasmic tail region of the receptor far from the plasma membrane, the receptors do not undergo tyrosine phosphorylation, JAK2 activation continues for a longer period of time, and thus the signal is generated more efficiently. In fact, in one patient with a mild case of familial erythrocytosis a mutation was discovered in which the C-terminus of the EPO receptor was missing 70 amino acids [9]. This was a dominant genetic trait, and the patient's erythroblasts showed an increased sensitivity to EPO. In this family the impairment was not severe enough to be called an illness, and in fact it is said that this patient was proficient enough athletically to compete for a gold medal at the Olympics. More specifically, the reason that athletes undergo training at high altitudes is to boost EPO production because of the lower oxygen partial pressure, and this brings about the desired effect of sustained athletic capability due to a resultant increase in red blood cells. However, the same effect has occurred naturally in this athlete thanks to accelerated receptor capability.