マウス胚の背側大動脈におけるSmad1/5のアセチル化が早期動脈遺伝子発現を駆動する
学術的背景
胚発生の過程において、動脈と静脈の分化（arteriovenous differentiation, AV分化）は、血管の形成と成熟を確保するための重要なステップです。動脈または静脈の識別に欠陥があると、血管の不適切な融合が起こり、いわゆる動静脈奇形（arteriovenous malformations, AVMs）が形成される可能性があります。現在、AVM形成のメカニズムは不明であり、治療選択肢も限られています。哺乳類のAV分化は、胚血流が始まる前にすでに開始されますが、この「血流前メカニズム」（pre-flow mechanism）についてはまだほとんど知られていません。本研究は、血流前の動脈識別におけるSMAD1/5シグナル経路の役割を明らかにし、新たなSMAD1/5シグナル制御メカニズムを発見することを目的としています。
論文の出典
本論文は、Margo Daems、Ljuba C. Ponomarev、Rita Simoes-Faria、Max Nobis、Colinda L.G.J. Scheele、Aernout Luttun、Bart Ghesquière、An Zwijsen、およびElizabeth A.V. Jonesによって共同執筆されました。研究チームは、ベルギーのルーヴェン大学（KU Leuven）の分子および血管生物学センター、がん生物学VIBセンター、腫瘍学研究所、およびオランダのマーストリヒト大学の心臓病学科から構成されています。論文は2024年6月22日に受理され、2024年9月10日に『Cardiovascular Research』誌にオンライン掲載されました。
研究の流れ
1. 研究目的
本研究の主な目的は、胚血流が始まる前の動脈遺伝子発現におけるSMAD1/5シグナル経路の役割を明らかにし、その制御メカニズムを探ることです。
2. 実験設計
研究では、マウス胚モデルを使用し、動脈分化におけるSMAD1/5シグナル経路の役割をさまざまな実験手法で分析しました。具体的な実験の流れは以下の通りです。
a) 胚培養と処理
研究者はマウス胚から胚を分離し、体外培養を行いました。胚は異なる実験グループに分けられ、Notch1-Fcタンパク質、TGFβ1中和抗体、ALK1中和抗体、ALK5阻害剤などの異なる処理が施されました。
b) 遺伝子発現解析
全胚in situハイブリダイゼーション（whole-mount in situ hybridization, WMISH）技術を使用して、研究者は初期動脈遺伝子（Hey1、Gja4、Dll4など）の発現を検出しました。さらに、リアルタイム定量PCR（RT-qPCR）およびウェスタンブロット技術を使用して、遺伝子およびタンパク質発現を定量分析しました。
c) タンパク質アセチル化検出
研究者は、近接連結アッセイ（proximity ligation assay, PLA）を使用してSMAD1/5タンパク質のアセチル化状態を検出しました。免疫組織化学染色により、研究者は胚大動脈内皮細胞におけるSMAD1/5タンパク質のアセチル化をさらに検証しました。
d) 代謝経路阻害実験
アセチルCoA（acetyl-CoA）がSMAD1/5アセチル化に果たす役割を研究するため、研究者はピルビン酸デヒドロゲナーゼ（PDH）阻害剤CPI-613および脱アセチル化酵素阻害剤トリコスタチンA（trichostatin A, TSA）を使用して処理し、動脈遺伝子発現への影響を観察しました。
3. 主な結果
a) Notchシグナル経路は血流前には活性化されない
研究によると、Notch1は血流前の胚で発現していますが、活性化されておらず、初期動脈遺伝子（Hey1およびGja4）の発現には必要ないことがわかりました。NCX1ノックアウトモデルを使用して、研究者はせん断応力が動脈識別を維持する上で重要な役割を果たすことをさらに確認しました。
b) SMAD1/5シグナル経路が初期動脈遺伝子発現を駆動する
研究によると、SMAD1/5シグナル経路は血流前の胚で活性化され、ALK1/ALK5/TGFβRII受容体複合体を介して媒介されます。TGFβ1はSMAD1/5シグナルを活性化するための必要なリガンドです。さらに、SMAD1/5タンパク質のアセチル化により、TGFβ1刺激に対する感受性が高まります。
c) アセチルCoAの生成が初期動脈遺伝子発現に不可欠
アセチルCoAの生成を阻害することにより、研究者は初期動脈遺伝子（Hey1およびGja4）の発現が阻害されることを発見しました。アセチル化を安定化することで、これらの遺伝子の発現を回復することができます。
d) 低酸素条件下で動脈遺伝子発現が抑制される
低酸素条件下では、初期動脈遺伝子の発現が抑制され、TSAを使用することでこれらの遺伝子の発現を回復できることがわかりました。これは、低酸素がSMAD1/5アセチル化を抑制することで動脈遺伝子発現に影響を与えることを示しています。
4. 結論
本研究は、胚血流が始まる前の動脈遺伝子発現におけるSMAD1/5シグナル経路の重要な役割を明らかにし、タンパク質アセチル化を通じてSMAD1/5がTGFβ1に対する感受性を高める新たな制御メカニズムを発見しました。この発見は、動脈分化の分子メカニズムを理解するための新たな視点を提供し、動静脈奇形などの血管疾患の治療に潜在的な治療標的を提供します。
5. 研究のハイライト
- 重要な発見：SMAD1/5シグナル経路が血流前の胚でアセチル化を通じて初期動脈遺伝子発現を制御している。
- 新規性：SMAD1/5タンパク質のアセチル化が動脈分化において重要な役割を果たすことを初めて明らかにした。
- 応用価値：動静脈奇形などの血管疾患の治療に新たなアプローチを提供する。
6. その他の価値ある情報
本研究では、低酸素条件下でSMAD1/5アセチル化が抑制され、初期動脈遺伝子発現が阻害されることも発見しました。この発見は、低酸素が血管発達に与える影響を理解するための新たな視点を提供します。
まとめ
本研究は、一連の精密な実験設計を通じて、胚血流が始まる前の動脈遺伝子発現におけるSMAD1/5シグナル経路の重要な役割を明らかにし、新たな制御メカニズムを発見しました。この発見は、動脈分化の理解を深めるだけでなく、血管疾患の治療に新たな潜在的な標的を提供します。