インスリン受容体基質のNEDD化におけるインスリン信号調節剤としての役割およびがん細胞移動への影響

学術背景

近年、がんと糖尿病との関連が注目を集めており、その主な原因は重複する病理的メカニズムおよび疫学的関連性にあります。疫学的研究によれば、2型糖尿病（T2DM）患者は膵がん、結腸直腸がん、前立腺がん、卵巣がんなど、複数のがんのリスクが顕著に増加することが示されています。インスリン調節異常は2型糖尿病の顕著な特徴であり、この異常はインスリン信号経路を妨げ、多くのがんの発展リスク要因とされています。

インスリン信号伝達の中で、インスリン受容体基質1と2（IRS1およびIRS2）は重要な役割を果たし、インスリンの効果が細胞内部に伝達されるプロセスの媒介者として機能します。がん細胞では、インスリンとインスリン受容体が結合した時にIRSタンパク質が活性化され、複雑なシグナルカスケード反応を引き起こします。正常な組織と比較して、がんにおけるIRSタンパク質のレベルは高く、そのために腫瘍形成に関与する可能性が示唆されています。ほとんどのがんタイプでもIRSタンパク質の高発現が見られ、これらのタンパク質ががんにおいて多様化し、コンテキスト依存的な役割を果たしていることを示唆しています。

IRSタンパク質活性化メカニズムの理解が進むにつれて、翻訳後修飾（例えば、リン酸化、ユビキチン化、O-GlcNAc化およびアセチル化）がIRSタンパク質の活性および下流のエフェクターとの相互作用を調節する重要な要素と見なされています。これらの修飾の調節機能を理解するために、IRSタンパク質の翻訳後修飾のさらなる研究が特に重要となっています。

研究の出典

本研究は韓国ソウル大学校医科大学と横浜国立大学などの研究者による共同研究であり、関連研究成果は《Cancer Gene Therapy》誌に掲載されました。

研究方法

ヒトの組織および細胞培養

研究は、《ヘルシンキ宣言》を厳守して、高分化および低分化卵巣がん患者からの組織サンプルを収集しました。具体的には、2019年から2022年までの間にSNUH病理部門で行われた手術切除中に得られたサンプルです。細胞培養に関しては、HEK293、SKOV3、U373、およびRCC4などの細胞株を使用しました。

差異遺伝子発現および富化分析

火山プロットおよびGSEAの組み合わせを用いて、低グレードおよび高グレードの卵巣がん患者における差異発現遺伝子を研究し、重要な差異遺伝子および経路を特定しました。結果は、低グレード卵巣がん患者でNEDD化酵素NAE1のmRNAレベルが高グレード卵巣がん患者に比べて顕著に高いことを示し、インスリン刺激および低グレード卵巣がん下方遺伝子セットの富化分析もこの発見を支持しました。

タンパク質同定および免疫組織化学分析

LC-MS/MS分析法を用いて差異発現タンパク質（DEPs）を同定し、KEGGデータベースを用いた経路分析と組み合わせて生物機能の富化における重要タンパク質IRS1の役割を特定しました。さらに免疫組織化学分析は、インスリンとNEDD化阻害剤処理の下でIRS1およびIRS2の発現レベルが顕著に増加することを示しました。

移動実験および定量PCR（RT-qPCR）

細胞移動実験（トランスメンおよび傷口治癒実験を含む）を実施して、NEDD化阻害およびインスリン処理が細胞移動に与える影響を評価しました。さらに、RT-qPCR法を用いてIRS1およびIRS2のmRNAレベルを分析し、結果は、タンパク質レベルの増加が見られたにもかかわらず、NEDD化阻害およびインスリン併用処理がIRS1およびIRS2のmRNA発現レベルに影響を与えなかったことを示しました。

安定性実験およびタンパク質沈殿実験

シクロヘキシミド（CHX）処理を用いて、NEDD化阻害下でのインスリンがIRS1およびIRS2タンパク質の安定性に与える影響を研究し、結果は併用処理がIRS1およびIRS2の安定性を顕著に増加させることを示しました。さらに、タンパク質沈殿実験は、IRS1およびIRS2タンパク質の恒常性調節におけるNEDD化およびユビキチン化の順序関係を検証しました。

研究結果

NEDD化と卵巣がんインスリン刺激の負の相関関係

研究は、NEDD化と卵巣がんの悪性度との間に負の相関関係が存在することを発見し、特定のNEDD化酵素NAE1の低発現がインスリン刺激反応の増加に関連することを示し、NEDD化がインスリン信号伝達において重要な調節役を果たしていることを示唆しました。

IRSタンパク質レベルと卵巣がん予後不良の関係

タンパク質同定結果は、高レベルのインスリン刺激下でNEDD化阻害がIRS1およびIRS2のタンパク質発現レベルを顕著に増加させることを示しました。さらに、卵巣がん患者サンプルでは、IRS1およびIRS2の高発現が低い総生存率と関連し、特にT2DMとの併存患者ではIRS1およびIRS2の発現レベルが顕著に増加していることが示されました。

細胞移動と耐糖異常の調節

三つのがん細胞株において、研究は、NEDD化阻害およびインスリン共同処理が細胞移動能力を顕著に強化し、IRS1とIRS2を通じてPI3K/AKT信号経路を活性化することを示しました。IRSタンパク質のアップレギュレーションはさらにがん細胞の移動を促進し、IRS1およびIRS2が独立したメカニズムを介して作用する可能性が示されました。

C-CBLのE3リガーゼとしての役割

研究により、C-CBLがIRS1およびIRS2のNEDD化E3リガーゼとしての役割を果たし、IRSタンパク質との相互作用を介してそのNEDD化を促進し、さらにその分解および安定性を調節することが確認されました。Knockdown実験は、C-CBLの欠失がIRS1およびIRS2の発現およびがん細胞の移動を顕著に増加させ、一方でIRS1およびIRS2の共Knockdownが上述の効果を弱めることを示しました。

結論

本研究は、NEDD化がインスリン信号伝達およびがん細胞の移動の調節において重要な役割を果たしていることを明らかにし、C-CBLがその中での重要な役割を果たしていることを強調しました。研究は、インスリン信号異常がIRSタンパク質の安定性に顕著な影響を与え、NEDD化を通じてIRS1およびIRS2の分解を調節することにより、がん治療の新たな潜在的な標的を提供することを示しました。しかし、NEDD化阻害剤の抗がん効果を考慮すると、T2DMまたは高インスリン血症患者でNEDD化阻害剤を使用する際には慎重を期すべきです。

研究ハイライト

1. NEDD化とインスリン信号伝達の負の相関性：NAE1低発現がインスリン刺激反応の増加と関連し、NEDD化がインスリン信号伝達を調節する役割を強調。
2. IRSタンパク質とがんの予後との関連性：IRS1およびIRS2の高発現が卵巣がん患者の不良予後と関連し、特にT2DM患者で顕著。
3. C-CBLの重要な役割：C-CBLがIRSタンパク質のNEDD化E3リガーゼとして、その安定性を調節し、がん細胞の移動能力に顕著な影響を与える。
4. 方法論の革新：LC-MS/MS、免疫組織化学、細胞移動実験、タンパク質沈殿実験など、多様な実験技術を組み合わせて、IRSタンパク質のNEDD化メカニズムを総合的に解析。

研究の意義

本研究は、NEDD化がインスリン信号伝達において重要な地位を占めることを明らかにし、糖尿病およびがん治療に新たな視点および潜在的な標的を提供しました。NEDD化およびその調節分子（例えばC-CBL）の深堀り研究は、新しいがん治療戦略の開発に寄与する可能性があり、特にインスリン信号異常を伴うがん患者に対して恩恵が期待されます。