DNA低メチル化が媒介するGADD45Bの上方制御がCOPDの気道炎症と上皮細胞の老化を促進する

学術的背景

慢性閉塞性肺疾患（COPD、Chronic Obstructive Pulmonary Disease）は、慢性的な気道炎症と不可逆的な気流制限を特徴とする異質性の疾患であり、世界中で死亡の主要原因の一つです。喫煙はCOPDの主要なリスク因子とされていますが、その病理メカニズムは完全には解明されていません。近年、細胞老化がCOPDの進行に重要な役割を果たすことが注目されており、老化細胞が炎症因子を分泌し、微小環境を変化させることで、気道炎症と肺機能の低下をさらに悪化させることが示されています。一方、成長停止とDNA損傷誘導（GADD45、Growth Arrest and DNA Damage-Inducible）ファミリータンパク質は、炎症と細胞老化において重要な役割を果たしますが、COPDにおけるその具体的な役割は明らかではありません。

本研究は、GADD45ファミリーがCOPDにおいてどのように発現し、その中でも特にGADD45Bが気道炎症と細胞老化においてどのようなメカニズムを有するかを探ることを目的としています。GADD45BのCOPDにおける調節メカニズムを明らかにすることで、COPDの予防と治療のための新たな標的を提供することを目指しています。

論文の出典

本論文は、Yuan Zhan、Qian Huang、Zhesong Dengら研究者によって執筆され、研究チームは華中科技大学同済医学院付属同済医院呼吸与危重症医学科、青海大学付属医院呼吸科など複数の機関から構成されています。この研究は2025年の『Journal of Advanced Research』第68巻に掲載され、ページは201-214です。

研究の流れと結果

1. COPD患者とモデルマウスにおけるGADD45Bの発現上昇

研究はまず、COPD患者（GSE38974データセット）の遺伝子発現データをバイオインフォマティクスで分析し、GADD45BがCOPD患者で顕著に上昇していること、そして炎症と老化に関連する遺伝子と正の相関があることを発見しました。その後、研究チームは、62の臨床サンプル（非喫煙者20名、喫煙者20名、COPD患者22名）を収集し、qPCR、ウェスタンブロット、免疫染色によってCOPD患者の気道上皮でGADD45Bが高発現していることを確認しました。さらに、マウス実験では、タバコ煙（CS、Cigarette Smoke）に曝露された野生型マウスにおいてGADD45Bの発現が顕著に増加していることも確認されました。

2. GADD45BがCSE誘発の人気道上皮細胞（HBE）の炎症と細胞老化を促進

GADD45Bが気道上皮細胞においてどのような役割を果たすかを探るため、研究チームはRNAシーケンスを用いてGADD45Bを過剰発現させたHBE細胞の差異発現遺伝子（DEGs）を分析しました。その結果、これらの遺伝子は主に炎症と細胞老化に関連する生物学的プロセスに富んでいました。その後、GADD45Bを過剰発現させることで、HBE細胞における炎症因子（IL-6、IL-8、IL-1βなど）の放出が著しく増加すること、また老化マーカー（p16やp21など）の発現が上昇することを示しました。対照的に、GADD45BのノックダウンはCSE誘発の炎症と細胞老化を軽減しました。

3. p38のリン酸化がGADD45B誘発の炎症を媒介し、FOSが細胞老化を媒介する

GADD45Bが炎症と細胞老化を調節するメカニズムについてさらに調査しました。GADD45Bを過剰発現させるとp38のリン酸化レベルが増加し、一方でp38阻害剤であるSB202190はGADD45B誘発の炎症反応を顕著に軽減しました。しかし、p38のリン酸化はGADD45B誘発の細胞老化には影響しませんでした。RNAシーケンスとタンパク質間相互作用分析により、GADD45BがFOSタンパク質と相互作用することで細胞老化を促進することが明らかとなりました。FOS阻害剤であるT-5224はGADD45B誘発の細胞老化を著しく軽減し、このメカニズムをさらに検証しました。

4. GADD45B欠損がCS曝露マウスの肺機能と肺損傷、炎症を改善する

GADD45Bのin vivoでの役割を検証するため、研究チームはGADD45B遺伝子ノックアウトマウスモデルを作成しました。その結果、GADD45B欠損はCS曝露マウスの肺機能を著しく改善し、肺気腫と気道炎症を軽減しました。さらに、GADD45B欠損はCS曝露マウスの気道上皮における老化マーカーの発現を減少させ、GADD45Bが細胞老化の調節において重要な役割を果たすことをさらに裏付けました。

5. CS誘発のDNA低メチル化がGADD45B発現を増強

CSがGADD45Bの発現をどのように調節するかをさらに調査しました。ターゲットビスルファイトシーケンス（TBS、Target Bisulfite Sequencing）を使用して、CS曝露によりGADD45Bプロモーター領域のDNAメチル化レベルが著しく低下することが示されました。脱メチル化剤である5-アザシチジン（5-Aza、5-Azacytidine）を用いたHBE細胞の処理およびマウス実験では、DNA低メチル化がCS誘発のGADD45B発現上昇の重要なメカニズムであることが示されました。

結論と意義

本研究では、CSがGADD45BプロモーターのDNAメチル化レベルを低下させ、気道上皮細胞におけるGADD45Bの発現を促進することを明らかにしました。GADD45Bはp38のリン酸化を介して直接炎症因子の放出を促進し、さらにFOSとの相互作用により細胞老化を促進し、炎症反応を一層悪化させます。これらの発見は、GADD45BがCOPDの病態形成において重要な役割を果たしていることを明らかにし、COPDの治療のための新たな標的を示しました。

研究のハイライト

1. 重要な発見：GADD45BがCOPDにおいて炎症と細胞老化においてどのように機能するかを初めて示しました。
2. 革新的な手法：RNAシーケンス、TBSおよび遺伝子ノックアウトマウスを用いることで、GADD45Bの機能とメカニズムを多角的に検証しました。
3. 応用価値：GADD45BはCOPDの新しい治療標的として、新たな治療法の開発に理論的根拠を提供します。

その他の価値ある情報

この研究の限界点として、GADD45BとFOSの相互作用の具体的なメカニズムが完全には解明されていないため、今後の遺伝子編集実験と分子生物学的研究が必要です。さらに、GADD45Bが他の細胞タイプ（肺胞上皮細胞や免疫細胞など）においてどのように機能しているかについてもさらなる検討が必要です。