腎臓の発生と疾患におけるヒストン脱アセチル化酵素の役割パート 1

概要

ヒストン脱アセチル化酵素 (HDAC)を媒介する重要なエピジェネティック調節因子です。脱アセチル化ヒストンおよび非ヒストンタンパク質の両方。 HDAC、特にクラス I HDAC は、発達中の腎臓で高度に発現し、発達制御を受けます。 HDAC は、腎臓の形成、特にネフロン前駆細胞の維持と分化において重要な役割を果たします。 いくつかの証拠が、さまざまな腎疾患の発症と進行における HDAC の重要な役割を支持しています。 HDAC 阻害剤 (HDACis) は、腎臓病 (腎臓がんを含む) の予防と治療に非常に効果的です。 腎疾患の病因と進行における HDAC の役割の根底にある分子メカニズムをよりよく理解することは、より効果的で毒性の低い選択的 HDAC 阻害剤と併用療法の開発に大いに役立つ可能性があります。

キーワード

ヒストン脱アセチル化酵素 · ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤 · 腎疾患 · 腎がん

序章

エピジェネティクスとは、DNA 配列とは独立した遺伝子発現と調節の遺伝的変化の研究を指します。 近年、健康と病気におけるエピジェネティックなメカニズムの重要な役割についての認識が高まっています [1]。 発生中、DNA メチル化、ヒストン アセチル化、ヒストン メチル化などのエピジェネティックな修飾がクロマチンに設定され、クロマチン構造の変化によって特定の細胞のゲノム プログラミングが決定され、転写機構への DNA アクセシビリティが決定されます。 環境への暴露 (食事、毒素、薬物、ウイルス感染など) に起因するこれらのエピジェネティックな修飾の破壊は、DNA 配列自体を変更することなく、遺伝子機能の調節不全につながる可能性があります [1–3]。 エピジェネティックな異常は遺伝子と環境の間の相互作用に依存するため、それらはしばしば表現型が可変であり、腎臓および尿路の先天性異常 (CAKUT) および別の腎臓病の広範な表現型スペクトルによく適合します [4–9]。 したがって、エピジェネティックな基礎を理解する腎臓開発は、腎臓の病理学的メカニズムへの新しい洞察を提供する可能性があり、うまくいけば、エピジェネティックな修飾因子を標的とする医薬品を通じて、CAKUTの治療または予防への新しい道を開く可能性があります. このようなエピジェネティックな薬剤は、がんや他の疾患の治療のためにすでに臨床で使用されているか、調査中です [10]。

ヒストンのアセチル化により、アセチル基がリジンに共有結合で付加されます。 このような付加は、ヒストン尾部の正味の正電荷を中和し、負に帯電した DNA への結合を減少させることにより、活性転写の印である局所的なオープン クロマチンをもたらします。 対照的に、脱アセチル化されたヒストンは DNA と強く相互作用し、非アクティブな転写の印である局所クロマチンを形成します。 プロモーターおよびエンハンサー ヒストンの異なるアセチル化は、発生過程、細胞増殖、および分化において非常に重要な調節的役割を果たします。 異常なアセチル化または脱アセチル化は、白血病、上皮癌、脆弱 X 症候群、およびルビンスタイン-タイビ症候群などのさまざまな障害につながります [11]。 ヒストン脱アセチル化酵素 (HDAC) は、進化的に保存された酵素の大きなファミリーであり、ヒストン テールからのアセチル基の除去を触媒します。 HDAC の作用は、ヒストン テールをアセチル化するヒストン アセチルトランスフェラーゼ (HAT) によって打ち消されます。 現在までに18匹の哺乳類HDAC識別されている。 系統解析とその機能によると、HDAC は次の 4 つのクラスに分類されます。 –7)、およびクラス IV (Hdac11)。 クラス I、II、および IV は、触媒活性のために亜鉛を必要としますが、クラス III のメンバーは、活性のために NAD に依存しています。 その中で、クラス I HDAC は広く研究され、特徴付けられています。 ヒストンのアセチル化は通常、活発な転写に関連していることを考えると、HDAC は当初、一般的な転写コリプレッサーと見なされていました。 しかし、その後、HDAC が高度に選択的な方法で遺伝子発現を調節し、抑制効果と活性化効果の両方を示すことが明らかになりました [12]。 固有の DNA 結合活性が欠如しているため、HDACさまざまな基本的な生物学的プロセスにおける機能のために単独で機能することはできません [12]。

近年、幹細胞の使用と漢方薬の研究が行われています。腎臓病大きな注目を集めています。 2 つの治療法の主なメカニズムは、損傷した腎組織の修復を促進し、残りの腎機能を保護することです。

漢方薬、シスタンシェ、伝統的な中国医学でさまざまな治療に使用されてきました慢性腎臓病古代から。 シスタンケには炎症を軽減する可能性があると報告されています。腎線維症を減らす、細胞外マトリックス成分の合成を促進します。 これらの効果は、多くのフェノール物質、トリテルペノイド、クマリンなどの生理活性成分によるものであることが明らかになりました。

一方、幹細胞技術は医療に革命をもたらしました。 研究により、幹細胞は次のように分化できることが実証されています。さまざまな種類の腎細胞残りの機能的な腎組織を保護し、組織の線維化を遅らせ、損傷した腎組織を修復するなどの治療活動を行います。

最終的には、伝統的な中国医学と現代科学の組み合わせが、さまざまな疾患の治療の鍵となる可能性があります。腎臓病. この戦略は徐々に医学界に受け入れられており、研究によると、シスタンケと幹細胞治療の併用療法が患者の死亡率を大幅に低下させる可能性があることがすでに示されています。腎臓病. 

結論として、の使用シスタンシェの治療における幹細胞治療腎臓病大きな可能性を示しており、さらなる研究が必要です。 この 2 つの治療法の併用療法は、腎疾患に直面している患者に改善された治療オプションを提供する可能性があります。

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ことが明らかになった.HDACヒストンに加えて、多数の基質に作用できます。 異なる HDAC のヒストン基質特異性を決定することは困難です。 主な理由は、多くの精製されたHDAC異なる HDAC の非常に低い脱アセチル化活性と機能的冗長性を持っています [13]。 HDAC の 1 つのメンバーの損失またはノックダウンは、全体的なヒストンのアセチル化を変更するのに十分ではない場合があります。 さらに、HDAC は、転写複合体 (Sin3 複合体、NuRD 複合体、Co-REST 複合体など) との関連を介して標的遺伝子に動員されます [14]。 したがって、遺伝子調節における HDAC の特異性は、さまざまな細胞型に関連付けられているパートナータンパク質に依存します。 クラス I HDAC の 3 つのメンバー (HDAC1、HDAC2、および HDAC3) は一般に類似した配列の特徴を共有していますが、一部の研究では、HDAC3 (およびおそらくすべてのクラス I HDAC) が異なる基質特異性を持っていることが示されました [15、16]。 おそらく、各 HDAC は特定の基質に特定のターゲット プロファイルを持っているため、より包括的な調査が必要です。 ほとんどすべての酵素と同様に、HDAC はその活動のために機能的に調節されています。 さまざまなレベルの多数の調節メカニズムの中で、タンパク質間相互作用と翻訳後修飾 (PTM) の 2 つは十分に供給されたメカニズムです。 多くの HDAC は単独では機能せず、多タンパク質複合体の構成要素として機能し、個々の HDAC がより効果的かつ特異的な方法で触媒活性を発揮するのに役立ちます [17]。 HDAC が大きなタンパク質複合体の形成を通じて機能することは非常に一般的です。 広範な生化学分析により、HDAC1 と HDAC2 が 3 つの主要な多タンパク質コリプレッサー複合体で共存することが示された: Sin3、NuRD (ヌクレオソームのリモデリングと脱アセチル化)、および CoREST (エレメント -1- サイレンシング転写因子のコリプレッサー) [14] . HDAC はタンパク質修飾因子であるだけでなく、さまざまな PTM の対象となる可能性もあります。 リン酸化は、最も広範な研究の変更です。 HDAC1 は、カゼインキナーゼ (CK2) および cAMP 依存性キナーゼ PKA によってリン酸化されます [18]。 セリン (S) 421 と S423 の両方でのリン酸化は、HDAC1 の酵素活性に不可欠であり、これら 2 つの部位の変異は、その活性と複合体形成を大幅に低下させます。 CK2 は、サイト 422 および 424 (HDAC1 の S421 および S423 のホモログ)、および HDAC2 の主要なリン酸化サイトである S394 で、HDAC2 をリン酸化することもできます [19]。 一貫して、我々はまた、質量分析分析を介して発生中の腎臓にS394リン酸化Hdac2の存在を発見しました（Liu et al。、未発表）。 さらに、HDAC1 と HDAC2 のリン酸化は、タンパク質ホスファターゼ PP1 によって可逆的に調節されます [20]。 研究はまた、PP2A がヒト心臓の HDAC2 の S394 を脱リン酸化することによって肥大応答を調節することを明らかにしました [21]。 集合的に、HDAC は重要なエピジェネティックなモジュレーターであり、多数の生物学的プロセスで役割を果たします。 それらの活動は、タンパク質間相互作用や PTM などの複数のメカニズムによって厳密に制御されています。 多タンパク質複合体の形成は、HDAC の活性だけでなく、その基質特異性も決定します。 HDAC による分子の変化は、人間の健康と病気に大きな影響を与える可能性があります。 このレビューでは、腎臓の発生と疾患における HDAC の役割について説明したいと思います。

腎臓の発達における HDAC の役割

クラス I HDAC のユビキタスな発現と高いデアセチラーゼ活性は、それらの機能的重要性と一致しています。 従来の HDAC1 ノックアウト マウスは胚性致死性であり、深刻な増殖障害と成長遅延を引き起こします [22]。 驚くべきことに、HDAC1 のコンディショナル ノックアウトは複数の組織で良好に許容され、マウスは生存可能であり、これはおそらく後期発生および出生後の生活における HDAC1 および HDAC2 の機能的冗長性によるものである [22]。 HDAC 1 と HDAC2 の同時欠失は、検査したすべての組織で有害です [22]。 さらに、HDAC2- 欠損マウスは、心機能障害のために生後 24 時間以内に死亡します [22]。 腎臓では、HDAC遍在的かつ高度に表現されています。 RT-PCR 分析は、HDAC1、2、3、4、7、および 9 が発生制御の対象であり、胚から新生児および成体への成熟期に著しく低下することを示しています [23]。 腎臓核ライセートのウエスタンブロット分析により、Hdac1-3タンパク質が胚の腎臓に非常に豊富に存在し、出生後に下方制御されることがさらに確認された[23]。 免疫染色により、Hdac 1 および 2 は、未分化後腎間充織、分岐尿管芽、間質を含む、新生児 (P0) マウスの腎臓の発生中の腎臓のさまざまな集団で高度に発現していることが明らかになりました (図 1)。 ）。 Hdac1 と 2 は、発達中の腎臓と P21 腎臓で重複して排他的に核内に発現しています (図 1)。 Hdac3の高発現は、有足細胞を含む発達中の腎臓でも検出されました。 対照的に、Hdac 5、6、および 8 は構成的に表現されます。 腎臓の微小血管系は、Hdac 7、8、および 9 を発現します [24]。 まとめると、クラス I およびクラス II の HDAC 遺伝子は、異なる段階で調節されています。腎臓の発達. すべての表現はHDAC最近のレビュー[25]によって十分に文書化されています。 ただし、空間的および時間的に制限された分布HDACはヒストン H3 と H4 の全体的なアセチル化レベルを変化させず、正常な発達中の HAT と HDAC 機能の密接な結合を示唆している [23]。

クラス I HDAC の中で、HDAC1 と HDAC2 は進化的に互いに関連しており、両方とも多くの組織で非常に豊富に発現しています。 HDAC1 と HDAC2 は、ホモ二量体またはヘテロ二量体を形成することができ、よく特徴付けられた 3 つのコリプレッサー複合体 (Sin3、NuRD、および Co-REST) を含む、ほぼすべての核タンパク質複合体で一緒に見られます [14、26]。 Hoxb7-Cre を用いた尿管芽 (UB) 系統の Hdac1 および Hdac2 の条件付き欠失により、Hdac1 および Hdac2 の対立遺伝子が 3 つ以下しか欠失していないマウスは、腎臓の発達に有意な異常を示さないことが研究で明らかになりました [27]。 これらのマウスは、成長や発達に異常がなく成体になるまで生き延びることができます。 対照的に、Hdac1 と Hdac2 の 4 つの対立遺伝子すべてを同時に欠失させると、2 ～ 4 週齢までに生後早期に死亡する [27]。 P0のノックアウトマウスの腎臓組織は、腎形成ゾーンの欠如、皮質髄質パターン形成の欠如、および複数の上皮嚢胞の形成を示し、腎臓形成におけるHdac1およびHdac2の重要な役割と機能的冗長性を示唆しているおよび関数 [27]。 UB 上皮における Hdac1 と Hdac2 の喪失が、腫瘍抑制タンパク質 p53 の著しい過剰アセチル化を引き起こし、p53 の安定性と転写活性を高めることも研究で示されています [27]。 p53 は非常に重要な腫瘍抑制因子ですが、抑制されていない p53 活性は腎臓形成に有害であり、不適切な細胞死または増殖欠陥が原因である可能性が最も高い [28]。

腎臓には、地区の生理学的機能を持つ複数の特殊な細胞タイプが含まれています。 哺乳動物の腎臓形成は、尿管芽と後腎間充織という 2 つの組織タイプ間の相互相互作用によって開始されます [5、29–31]。 Six2 プラス キャップ間充織は、機能的なネフロン上皮 [30] を生じさせる多能性自己再生ネフロン前駆細胞 (NPC) です。 NPC の維持と分化における HDAC1/2 の役割についての洞察を得るために、Six2eGFPCre (Six2TGC) マウスで Hdac1 と Hdac2 を条件付きで除去しました [30]。 HDAC1 と HDAC2 の NPC 特異的な二重欠失 (4 つの対立遺伝子すべて) を持つマウスは、通常のメンデル比で生まれましたが、生後すぐに死亡しました [4]。 生後 (P) 0 日目の変異腎臓は、小さな腎臓サイズ、腎形成帯の欠如、発生期のネフロンと糸球体の欠如、および複数の嚢胞の形成を示しました [4]。 UB 系統における Hdac1 および Hdac2 の欠失と同様に、HDAC1 または HDAC2 のいずれかの対立遺伝子が 1 つあれば、腎形成を確保するのに十分です [4]。 私たちの結果は、ヒストン脱アセチル化酵素 1 および 2 (HDAC1/2) が、ネフロン前駆細胞および腎小胞の転写プログラムを調節するために不可欠であることを示しました [4]。 HDAC1/2 は、腎形成中の NPC の自己複製と分化のバランスをとるために二重の役割を果たします (図 2): 一方では、HDAC1/2 はすべてのマーカー遺伝子 (Six2、Sall1、およびOsr1) NPC およびこれらの細胞の自己再生。 一方、それらは標準的なWnt標的遺伝子の発現を抑制し、NPCが早期分化するのを防ぐためにも重要です。 私たちの生化学的および ChIP 分析は、HDAC1 および HDAC2 が、NPC の増殖と分化のバランスを維持する転写調節因子のネットワークである Six2、Osr1、および Sall1 と相互作用することも明らかにしました [4]。 Six2 は、発生中の腎臓におけるマスター転写因子であり、NPC の分化を二重に抑制し、自己再生を促進することにより、自己再生の機能プールを維持する上で中心的な役割を果たします。 Six2 と HDAC1/2 は未分化の NPC で共発現され、すべてネフロン前駆細胞の維持と早期分化の防止に必要です [4]。 HDAC1/2 は、NPC の自己再生と分化を正確に制御するための Six2 の二重機能に必要であると考えられます。HDACヒストンタンパク質だけでなく、非ヒストンタンパク質も脱アセチル化できます [12]。 アセチル化セット濃縮ベース (ASEB) コンピューター プログラム [32] による in silico 予測は、p300 による Six2 アセチル化および Hdac1/2 による脱アセチル化に関与するいくつかの潜在的な部位を示しています (表 1)。 その中で、Lysine (K) 46、K52、および K71 は Six2 の Six ドメイン (1–124) ドメインに位置し、K138 は Six2 のホメオドメインに位置しています [33]。 研究によると、Six ドメインは核に蓄積する傾向がはるかに強く、Six ドメインとホメオドメインからなるタンパク質はもっぱら核にあることがわかった [33]。 したがって、これらの潜在的な部位のアセチル化は、Six2タンパク質の核局在化および/または転写活性に関連している可能性が非常に高いでしょう。 最近、私たちのゲノム全体の分析は、Hdac1 と Six2 が NPC 更新遺伝子のエンハンサー領域を共占有し、Hdac1 の結合は、NPC で活発に転写される遺伝子のプロモーター領域でクロマチンが開いていることを示していることを示しました [34]。 HDAC1 / 2が腎臓の発達のためにSix2機能をどのように調節しているかについては、さらなる調査が必要です。

哺乳類の腎臓は、後腎間充織と尿管芽の間の相互相互作用から発生します。 間質を埋める 3 番目の系統である間質は、転写因子 Foxd1 を発現する異なる前駆細胞に由来します [35]。 研究では、Foxd1 を発現する皮質間質は多能性の自己再生前駆細胞集団であり、皮質および髄質の間質細胞、メサンギウム細胞、および腎臓の周皮細胞を生じさせることが示されています [35]。 HDAC1 と HDAC2 は、発達中の腎臓の間質でも高発現しています [4、23、27]。 間質系譜における 2 つの HDAC の役割を調べるために、マウス モデルを使用して、HDAC1 と HDAC2 を Foxd1-Cre で条件付きで除去しています [36]。 私たちの予備的な結果は、間質前駆細胞における特定の HDAC1/2 欠失がネフロン前駆細胞の異常な拡大につながることを示しました (図 3)。これは、Foxd1-Cre による Sall1 欠失または腎間質の除去で観察される類似の表現型です [37, 38]。 間質のHDAC1 / 2が過剰なネフロン拡張をどのように制限および調節するかのさらなる特徴付けは、腎臓形成のエピ遺伝的調節および間質とネフロン間のクロストークの理解を深めるのに役立ちます.

HDAC と腎間質性線維症

慢性腎臓病 (CKD) はますます認識される公衆衛生問題であり、腎機能の段階的かつ不可逆的な低下が特徴です。 腎間質性線維症は、CKD の特徴です。 腎間質性線維症は、腎尿細管の萎縮、細胞外マトリックス (ECM) の異常な沈着、および線維芽細胞の進行性の拡大によって特徴付けられます。 根底にある病原性メカニズムは複雑で多様です。 蓄積された証拠は、HDAC が腎間質性線維症の病因に関与し、HDAC 阻害が主に次のメカニズムを介して抗線維化効果を発揮することを示しています。 (3) 骨形態形成タンパク質 7 (BMP7) の発現を増加させる [39]。 トランスフォーミング増殖因子ベータ (TGF-) は、トランスフォーミング増殖因子のメンバーであり、さまざまな生物学的プロセスの調節に不可欠です。 哺乳動物では、TGF-の 3 つのアイソフォームが腎臓で同定されています: TGF- 1、TGF- 2、および TGF- 3。 その中で、TGF- 1 は Smad および非 Smad 経路を介してその生物学的活性を発揮し、腎線維症におけるその役割が最もよく特徴付けられています (Yu et al. 2003; Meng et al. 2016)。 腎臓における TGF- 1 の異常な活性化は、線維芽細胞の増殖と異常な細胞外マトリックスの沈着を促進することにより、間質性線維症を引き起こします [40]。 以前の研究では、クラス I とクラス II の両方の HDAC に対する汎 HDAC 阻害剤 (HDACi) であるトリコスタチン A (TSA) による治療が、片側尿管閉塞 (UUO) マウスモデルの腎線維症を軽減することが示されました [41]。 TSA 処理は、線維芽細胞も大幅に不活性化しました。 さらに、HDAC1 または HDAC2 のサイレンシングは、腎線維芽細胞の増殖および腎線維症の発症に関連するシグナル伝達分子である STAT3 (シグナルトランスデューサーおよび転写活性化因子 3) のリン酸化を減少させることにより、腎線維芽細胞の増殖をブロックした [42]。 さらなる研究により、TSA 治療は BMP-7 の発現もアップレギュレートし、腎障害の病因を軽減することが示されました [43, 44]。 BMP-7 は TGF- - を介した腎線維症に対する保護を誘導するため、BMP-7 発現の回復は、HDAC 阻害が進行性 CKD を防ぐもう 1 つの主要なメカニズムを表しています [44]。 さらに、MS-275 または Fk228 (クラス I HDAC の選択的阻害剤) の投与は、腎線維芽細胞の活性化と増殖を阻害することにより、腎線維症の進行を有意に軽減し、クラス I HDAC が腎線維症において主要な役割を果たすことを示唆している [45, 46]。

HDAC と糖尿病性腎疾患

糖尿病世界中で 4 億 5,100 万人以上が罹患しており、糖尿病性腎症 (DN、糖尿病における腎臓病) は CKD の最も一般的な原因です。 末期腎不全（ESKD）は、腎不全の最終段階です。CKD. これは、両方の腎臓が日常生活に必要な身体のニーズをサポートできなくなったときです。 米国におけるESRDの最も一般的な原因は、糖尿病と高血圧です[47]。 糸球体メサンギウムおよび尿細管間質における ECM の漸進的な蓄積は、DN の特徴です。 いくつかの前臨床研究では、糖尿病性腎疾患の実験モデルにおける HDAC 阻害の有効性が実証されています [48、49]。 初期の研究では、TGF- 1 に曝露されたストレプトゾトシン (STZ) 誘発糖尿病腎臓およびラット腎臓近位尿細管上皮細胞 (NRK-52E) における HDAC2 活性の増加が報告された [50]。 HDAC2 の siRNA ノックダウンは、NRK-52E 細胞におけるフィブロネクチンと -SMA の発現を減少させました。 TSA 治療は、ECM コンポーネントの発現を減少させ、上皮間葉転換 (EMT) を防止しました。 バルプロ酸 (VPA) (別の HDACI/II 阻害剤) または SK704 (選択的クラス I HDAC 阻害剤) は、NRK-52E 細胞に対して同様の効果を有することが観察されました。糖尿病性腎疾患 [50]。

活性酸素種 (ROS) によって引き起こされる小胞体 (ER) ストレスは、DN の発生と関連している [51]。 上皮成長因子受容体 (EGFR) は酸化ストレスを媒介し、EGFR の活性化は糖尿病マウスに関係していました。 EGFR/AKT/ROS/ER ストレス シグナル伝達は DN の進行に重要な役割を果たしており、EGFR の阻害は DN の潜在的な治療戦略として役立つ可能性があります [51]。 糖尿病ラットをボリノスタットで 4 週間治療すると、EGFR レベルが大幅に低下し、腎臓の成長と糸球体肥大が抑制されたことが研究で示され、HDAC が EGFR 活性化を介して初期の DN に関与している可能性があることが示されました [48]。

足細胞は、最終的に分化した上皮細胞であり、腎臓のろ過バリアの重要な構成要素を提示します [52]。 足細胞の損傷は、腎臓のろ過バリアの完全性を失うことで DN の進行を加速し、その結果、タンパク質が尿中に漏れる (タンパク尿) [52]。 データベース分析により、タンパク尿マウスの糸球体からのマイクロアレイで、より高い HDAC1 および HDAC2 活性が検出されました (Inoue et al. 2019)。 最近の研究では、マウスおよびヒトの糸球体疾患の調節における有足細胞の HDAC 活性の重要な役割が実証されており、HDAC1 および HDAC2 活性の阻害がヒトのタンパク尿の進行を抑制する可能性があることが強く示唆されています。腎臓病。VPA (クラス I HDAC 阻害剤、FDA 承認薬) とスベラニロヒドロキサム酸 (SAHA) の投与は、多くのげっ歯類糸球体損傷モデルでタンパク尿を軽減し、糸球体硬化症の発症を減少させました。 Podocye 固有の HDAC1 および HDAC2 除去マウスは、進行性糸球体硬化症に耐性がありました。 さらに、ベテラン エイジング コホート研究の参加者 120 人の縦断的分析では、000 推定糸球体濾過率の低下に対する VPA 治療の強力な保護効果が示されました [52]。

要約すれば、腎臓病せにより糖尿病依然として慢性腎不全の最も一般的な原因であり、HDACi は糖尿病性腎疾患の治療に臨床的利益をもたらします。

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