インテグリン

インテグリンとは

インテグリンは、細胞膜表面に存在するタンパク質であり、細胞接着分子として機能します。細胞外マトリックス（ECM）との結合を仲介し、細胞とECMとの接着（細胞基質接着）において中心的な役割を果たします。また、細胞同士の接着にも関与します。分子構造としては、α鎖とβ鎖という2つの異なるサブユニットが組み合わさったヘテロダイマーであり、多種多様なα鎖とβ鎖が存在するため、非常に多くの組み合わせが可能です。

発見の歴史

インテグリンは、1985年にフィブロネクチン受容体として初めて発見されました。その後、多くのタンパク質がインテグリンファミリーに分類され、インテグリン・スーパーファミリーを形成しています。細胞内では、アダプタータンパク質を介して細胞骨格のミクロフィラメントに結合し、細胞内シグナル伝達にも関与しています。

インテグリンの表記には、「α1β1」のようにサブユニットを添え字で示す方法と、「α1β1」のように添え字を用いない方法が混在しています。本稿では、両方の表記を併用します。

フィブロネクチン受容体としての発見

1973年、リチャード・ハインズが細胞表面のフィブロネクチンを発見し、1976年にはケネス・ヤマダがフィブロネクチンの細胞接着活性を発見しました。細胞接着分子はその後多数発見されましたが、フィブロネクチンはその先駆けでした。

フィブロネクチン溶液を培養皿に添加すると、微量のフィブロネクチンが底面に吸着します。この上に培養細胞を蒔くと、細胞は底面に接着し、丸い形状から伸展して多角形になります。フィブロネクチンがない場合は細胞は丸いままです。当初は、細胞がフィブロネクチン分子全体に非特異的に結合することで細胞接着が起こると考えられていましたが、1980年頃、フィブロネクチンの特定の結合部位が、分子内の特定のドメインに存在することが明らかになりました。この「ドメイン構造説」の解明には、関口清俊、林正男らが大きく貢献しました。

1984年、エルキ・ルースラーティは、フィブロネクチンの細胞接着部位がわずか4つのアミノ酸配列であるArg-Gly-Asp-Ser（RGDS）に担われていることを発見しました。このRGD配列の発見は、細胞表面にも特定のフィブロネクチン受容体タンパク質が存在することを示唆しました。

1985年、ルースラーティは、界面活性剤で可溶化した細胞膜タンパク質をフィブロネクチン・アフィニティークロマトグラフィーにかけ、RGDペプチドで溶出することで、世界で初めてフィブロネクチン受容体タンパク質を単離しました。一方、ホルビッツは、モノクローナル抗体を用いてフィブロネクチン上での細胞接着を阻害する抗体（JG22など）を選別し、この抗体の抗原がフィブロネクチン受容体タンパク質であることを示唆しました。また、長谷川孝幸・悦子夫妻は、JG22を固定したカラムを用いたアフィニティークロマトグラフィーにより、フィブロネクチン受容体タンパク質を単離しました。

1986年、リチャード・ハインズは、ホルビッツが単離した受容体タンパク質のcDNAクローニングに成功し、アミノ酸配列から、細胞外でフィブロネクチンと結合し、細胞内でアクチンマイクロフィラメントと結合する細胞膜貫通タンパク質であることを明らかにしました。そして、このタンパク質を「インテグリン」と命名しました。

インテグリン・スーパーファミリー

その後、インテグリンと類似したタンパク質が次々と発見され、インテグリン・スーパーファミリーが形成されました。脊椎動物のインテグリンは、細胞接着分子の受容体、白血球の細胞表面抗原、VLA、血小板の膜糖タンパク質という4つの異なる研究領域で発見されました。さらに、無脊椎動物にもインテグリンが発見され、合わせて5つの領域でインテグリン・スーパーファミリーが形成されています。

1. 細胞接着分子の受容体: フィブロネクチン受容体、ビトロネクチン受容体などが含まれます。鈴木信太郎は、ビトロネクチン受容体タンパク質のcDNA塩基配列を解明し、フィブロネクチン受容体と類似していることを明らかにしました。
2. 白血球の細胞表面抗原: CD分類で命名される免疫細胞の分化マーカーの中に、インテグリンファミリーに属するものが含まれています。
3. VLA（very late antigen）: Tリンパ球の活性化後に発現する表面抗原で、高田義一によって、いくつかのVLAがインテグリンβ1グループに属することが明らかにされました。
4. 血小板の膜糖タンパク質: 血小板の膜糖タンパク質であるGPⅡb/Ⅲaは、RGDペプチドに特異的に結合することから、インテグリンファミリーに属することがルースラーティの研究室によって明らかにされました。この発見により、血小板の血液凝固作用がインテグリンの細胞接着機能として捉えられるようになりました。
5. 無脊椎動物のインテグリン: ショウジョウバエや線虫、ウニ、アメーバなどでもインテグリンの存在が確認されています。

構造

インテグリンは、α鎖とβ鎖が1:1で結合したヘテロダイマーです。

α鎖: 1,000〜1,200個のアミノ酸からなる糖タンパク質で、少なくとも18種類が報告されています。一部のα鎖には、細胞外領域のN末端側にIドメインがあります。また、分子中央からN末端側に2価カチオン結合部位があります。細胞膜近くの細胞外領域では、いくつかのα鎖がペプチド結合を切断されていますが、S-S結合でつながっています。細胞膜貫通領域と、細胞内に約50個のアミノ酸からなる部分があります。
β鎖: 通常約750個のアミノ酸からなる糖タンパク質で、少なくとも8種類が報告されています。β4のみ例外的に細胞質にさらに約1,000個のアミノ酸からなる部分があります。細胞外のN末端側にはRGD配列に結合する部位があり、4つのEGF様繰り返し構造があります。細胞内に約80個のアミノ酸からなる部分があり、1個または2個のNPXYモチーフ（リン酸化されるチロシン残基を含む）があります。このチロシンのリン酸化は、細胞内シグナル伝達に重要です。

α3、α6、β3、β4には選択的スプライシングが起こります。

分布

インテグリンは、アメーバからヒトまで、多様な動物種に広く分布しています。細胞-基質間接着の結合装置である焦点接着と、細胞-細胞間接着の結合装置である接着結合の両方に存在します。

脊椎動物インテグリンの種類

ヒトでは、少なくとも18種類のαサブユニットと8種類のβサブユニットが存在します。これらが組み合わさることで24種類のヘテロダイマーが確認されています。インテグリンの主なリガンドは、細胞接着性タンパク質や細胞外マトリックス分子です。1つのインテグリンが複数のリガンドに結合したり、1つのリガンドが複数のインテグリンに結合する「多対多」の関係があります。

インテグリンは、結合するリガンドによって以下のように分類できます。

ラミニン結合インテグリン：α1β1、α2β1、α3β1、α6β1、α7β1、α6β4
コラーゲン結合インテグリン：α1β1、α2β1、α3β1、α10β1、α11β1
白血球インテグリン：αLβ2、αMβ2、αXβ2、αDβ2
RGD配列認識インテグリン：α5β1、αVβ1、αVβ3、αVβ5、αVβ6、αVβ8、αⅡbβ3
LDV配列認識インテグリン：α4β1、α4β7、α9β1、αDβ2、αLβ2、αMβ2、αXβ2、αEβ7

各インテグリンには、CD、VLA、GPといった別名があります。これらは、各研究領域で最初に発見・命名された名残であり、必ずしもインテグリン名に統一されていません。

機能

インテグリンの基本的な機能は細胞接着であり、細胞伸展、細胞移動、細胞増殖、発生における組織形成、がんの転移、組織修復・血液凝固など、様々な機能に関与します。

インテグリンには、「アウトサイド-イン」と「インサイド-アウト」という2方向のシグナル伝達様式があります。アウトサイド-インは、細胞外からの刺激が細胞内シグナルを活性化し、細胞機能を調節する様式です。インサイド-アウトは、細胞内の情報が細胞外に伝達され、細胞接着などを調節する様式です。

アウトサイド-インの例としては、インテグリンが基質上の接着分子に結合すると、活性化されて細胞表面で会合します。これにより、細胞内タンパク質のリン酸化、細胞内のpH変化、Ca++の細胞内流入などが起こり、タリン、キンドリン、ビンキュリン、αアクチニン、パキシリン、FAKなどのアダプタータンパク質が細胞膜裏打ち構造を形成します。さらに、カベオリンやGタンパク質共役型受容体なども関与し、複雑な細胞内シグナル伝達が展開されます。その結果、細胞の接着、伸展、移動、分化、増殖が引き起こされます。

がんの転移

がん細胞が原発巣から離れて他の部位に移動し、そこで増殖する過程を転移といいます。転移には、がん細胞と細胞外マトリックスとの接着（と接着解離）が重要であり、多くのインテグリンが関与しています。

ミュンヘン工科大学のHaubnerらは、インテグリンαvβ3に特異的に結合するRGDペプチドに陽電子放出核種を標識した化合物を用い、ポジトロン断層法で転移能の高い悪性黒色腫を検出する画像診断法を開発しています。

遺伝子ノックアウト

インテグリン遺伝子をノックアウトしたマウスでは、多くのケースで致死には至りませんが、発生異常や繁殖能力の低下などが観察されます。これは、他の接着分子がインテグリンの機能を代用するためと考えられています。

疾患

インテグリンの異常は、様々な疾患の原因となります。例えば、

血小板無力症: αⅡbβ3の遺伝子変異が原因で、血小板による一次止血が遅れます。
白血球接着不全症-Ⅰ型: β2鎖の遺伝子変異が原因で、白血球の接着能、遊走能、貪食能が低下します。
表皮水疱症: α6β4の遺伝子変異が原因で、皮膚や粘膜に水疱ができます。

応用・特許

インテグリンを標的とした医薬品や化粧品開発が期待されています。実際に、血小板凝集抑制薬として、アブシキマブ、エプチフィバチド、チロフィバンなどが製品化されています。

参考資料

南山堂医学大辞典
新 細胞接着分子の世界 (林正男著)
Molecular Biology of the Cell (Alberts et al.)
各種学術論文

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