イリシンは、ヒト皮下脂肪細胞における重症コロナウイルス疾患（COVID-19）の転帰に関連する遺伝子を調節する
Irisin modulates genes associated with severe coronavirus disease (COVID-19) outcome in human subcutaneous adipocytes
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0303720720302173
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ハイライト
・ウイルスであるSARS-CoV-2の複製を増加させる遺伝子は減少しているが、ウイルス複製を減少させる遺伝子は、ヒト皮下脂肪細胞ではイリシンによって上昇している。
・TRIB3はイリシンによって増加する。
・イリシンはヒト皮下脂肪細胞のFURINとADAM10を減少させた。
要旨
肥満患者は、ウイルス感染におけるアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）の役割により、COVID-19の重篤な転帰を発症しやすくなる。ACE2はヒト細胞において、ウイルス複製の増加（TLR3、HAT1、HDAC2、KDM5B、SIRT1、RAB1A、FURIN、ADAM10）または減少（TRIB3）に関連する様々な遺伝子によって制御されている。RNA-seqデータから、上記の遺伝子を含むヒト皮下脂肪細胞で発現している14857個の遺伝子が明らかになった。
イリシン処理はTRIB3転写物のレベルを3倍に増加させ、他の遺伝子のレベルを低下させた。また、FURINやADAM10の発現低下は、細胞外構造形成を含む多様な生物学的プロセスを濃縮していた。
これらの結果は、脂肪組織におけるウイルス感染に関連する複数の遺伝子の発現にイリシンの効果があることを示しており、さらに、新規コロナウイルスが標的とする他の組織や臓器にも翻訳可能であることを示しており、COVID-19感染症の治療法として、ACE2制御遺伝子を減少させるための治療戦略として有望なアプローチを提示している。
1. 序論
肥満は、世界で最も一般的な代謝性疾患であり、先進国および発展途上国の両方に影響を及ぼす公衆衛生問題である（GBD、2015 Obesity CollaboratorsAfshin et al 2017; D 2015 Eastern Mediterr、2018; Mokdad et al 2016）。脂肪組織の量および分布は、高血圧、II型糖尿病、心血管疾患などの多くの有害な結果と関連しており、呼気予備量の減少につながる可能性がある。
2019重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）の出現と広がり、それがもたらす可能性のあるコロナウイルス疾患（COVID-19）の開発は、世界とその人口を脅かし、公衆衛生の危機に私たちを導いている、以来、すべてのグループと年齢が影響を受けやすいです。感染した患者は、症状を発症しないことがある。
COVID-19の影響を受けた患者は、においや味覚の喪失から、軽度の呼吸器の問題まで、様々な臨床状態を呈することがあり、呼吸不全などの重篤な症状を呈する可能性があり、死に至ることがある。
SARS-CoV-2ウイルス粒子は、症候性または無症候性キャリアーの人々によって感染し、COVID-19を発症した人々の場合、症状の発症数日前から、咳やくしゃみの際に大きな飛沫の形で伝播が始まり、場合によっては通常の会話の間にも伝播が始まり、結果的に拡散性の集団伝染となる。個人は、ウイルスの飛沫を吸い込んだり、汚染された表面に触れて、鼻、口、目の顔の粘膜に感染する。
死に至る可能性のある高感染性疾患のこのシナリオに直面して、肥満などの慢性的な持病を持つ人は、重度のCOVID-19転帰を発症しやすいことが以前に示されている。
肥満は、機能的能力および呼吸器系のコンプライアンスの低下をもたらすため、肺機能に影響を与える；この事実が、これらの患者におけるCOVID-19の影響を説明する可能性がある。さらに、炎症性サイトカインの増加は、COVID-19感染症における肥満に関連した罹患率の増加に寄与する可能性がある。
慢性的な病状を有する患者におけるCOVID-19の重症型のより頻繁な発症は、ウイルス感染におけるアンジオテンシン変換酵素2。ACE2は、肺、心血管系、腸、腎臓、中枢神経系、および脂肪組織において広く発現しており、SARS-CoV-2がACE2を入力受容体として使用して肺の肺胞上皮細胞に感染するので、ウイルスの標的である。
肺リポ線維芽細胞などの脂肪細胞および脂肪細胞様細胞は、特に肥満および糖尿病の個人において、COVID-19に対する病原性応答において重要な役割を果たす可能性がある；これらの個人において、脂肪組織を潜在的な標的およびウイルスリザーバーに変えるACE2が増加する。
最近、重度のCOVID-19に関連した併存疾患、心血管疾患、家族性原発性肺高血圧症、高血圧症、肺高血圧症を有する患者の肺トランスクリプトームサンプル700個を用いて実施された分子研究は、これらの患者において、コントロール個体よりもACE2がより多く発現していることを示した。
さらに、重度のCOVID-19併存患者においてアップレギュレーションされることが示されている、SARS-CoV-2細胞周期および浸潤／付着に潜在的に重要な他のいくつかの遺伝子を含む他の報告がある、以下のようなものがある。ADAMメタロペプチダーゼドメイン10（ADAM10）、トール様受容体3（TLR3）、ヒストンアセチルトランスフェラーゼ1（HAT1）、ヒストン脱アセチルトランスフェラーゼ2（HDAC2）、リジンデメチラーゼ5B（KDM5B）などである。サーチュイン1（SIRT1）、メンバーRAS癌遺伝子ファミリー（RAB1A）、膜貫通型セリンプロテアーゼ2（TMPRS2）、およびフリン対塩基性アミノ酸切断酵素（FURIN）（Pinto et al. , 1101).
FURINの場合、それは分泌経路コンパートメント内の多数のプロタンパク質基質をタンパク質分解的に活性化し、病原体を活性化する細胞内プロテアーゼである；また、FURINは胚発生に不可欠な役割を果たし、プロタンパク質基質の驚くほど多様なコレクションの成熟を触媒する。
SARS-CoV-2と相互作用するタンパク質の転写解析を用いた研究では、ヒアルロナンおよびプロテオグリカンリンクタンパク質2(HAPLN2)の増加、および減少しながらトリブルスホモログ3(TRIB3)のような、老化した肺における変化した転写産物が観察された。
TRIB3は、主にI型が、フラビウイルスデングおよびジカについて以前に示されており、C型肝炎ウイルスように、他のウイルスの保護因子として共通の標的であると考えられる。TRIB3は、ヒトコロナウイルス（HCoV）のヌクレオカプシドタンパク質およびRNA依存性RNAポリメラーゼと相互作用し、ウイルス感染および複製を減少させる可能性がある。
イリシンは、フィブロネクチンIII型ドメイン含有タンパク質5、熱発育の増加に伴い白色脂肪組織を褐色脂肪組織に誘導し、肥満などのヒト代謝性疾患の治療薬として示唆されていた。
それは、イリシンが活性酸素種（ROS）の過剰生産を減少させることによってマクロファージの活性を調節し、それは、その潜在的な抗炎症特性を示唆している可能性があり、肺損傷の過程でも重要な作用を有する可能性があると推測されている。
肥満は慢性疾患であり、患者をSARS-Cov-2による重篤な感染症に罹患しやすくする事実であり、イリシンは炎症にポジティブな効果を持つ可能性がある；さらに、イリシンの血漿および皮下脂肪組織発現は肥満患者では減少する。これを踏まえ、本研究では、先行研究で研究された遺伝子を中心に、グローバルなトランスクリプトーム解析を通じて、ヒト皮下脂肪細胞に対するイリシンの影響を評価することを目的とした。
RNA-Seqベースのトランスクリプトーム解析を通して、培養中のヒト皮下脂肪細胞がACE2 mRNAを発現しないが、ADAM10、TLR3、HAT1、HDAC2、KDM5B、SIRT1、RAB1A、FURINおよびTRIB3を発現しているという証拠を提供する。
イリシン処理はTRIB3転写物のレベルを3倍に増加させ、他の遺伝子のレベルを低下させた。RNA-Seq解析は、細胞内で発現している遺伝子の「自由な」調査を行うために選択されたが、RNA-Seqはあらかじめ設計されたプローブを必要としないため、データセットは偏りがなく、仮説のない実験デザインを可能にした。
2. 材料と方法
原文参照
3. 結果
原文参照
4. 考察
肥満または過体重は、肺機能の低下をもたらし、健康な個体と比較して肥満個体における肺容積、特に機能的残存能力の低下に寄与する（Melo et al 2014；Salome et al 2010；Thyagarajan et al 2008）。ACE2は、脂肪細胞において広く発現し、肥満およびII型糖尿病を有する個体の脂肪細胞において濃縮されている
ヒト肺においてACE2調節遺伝子が存在し、このタンパク質は、SARS-CoV-2によって肺胞上皮細胞に感染するために使用され、その結果、COVID-19が発現する。
これらの観察は、肥満患者がSARS-CoV-2感染を呈する場合に考慮されるべきである。ヒト皮下脂肪細胞のトランスクリプトームデータでは、ACE2の発現は検出されなかったが、これは、使用した皮下脂肪細胞が健常者のものであることと、我々の研究で決定されたRNA-seq法のパラメータでは検出されない可能性がある点でACE2の発現が低いという事実に起因すると思われる。
しかし、この細胞株では、FURIN、ADAM10、TLR3、KDM5B、SIRT1、TRIB3などの重症COVID-19に関連する複数の遺伝子が発現していた。
我々のデータでは、イリシン投与により FURIN、ADAM10、TLR3、KDM5B、SIRT1 の mRNA 発現量が減少し、TRIB3 の発現量が 3 倍に増加することが示された。これらの結果は、我々のグループによって発表された最近の研究において、イリシンがアンカップリングプロテイン1（UCP1）産生を改善し、脂質プロファイルおよび酸化ストレスを減少させたが、レプチン、アディポネクチン、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γ（PPARy）およびFNDC5レベルを変化させなかったという有益な結果と相まってくるものである。
ヒトに対するイリシンの抗肥満効果によると、最近の研究では、イリシンはまた、脂肪生成を阻害し、最悪の代謝プロファイルを持つ脂肪デポトである内臓脂肪組織から得られたヒト脂肪細胞で脂肪の褐変を促進することが示されている。これまでにかなりの数の研究が、肥満に対するイリシンの有益な効果を実証しているが、この結果の背後にある主な理由は、実験条件または使用された別個の脂肪細胞サブセットに大きく依存するイリシンのカノニカル機能として知られるプロセスにおいて、脂肪細胞の褐変を誘導するイリシンの能力であると考えなければならない。
2015年からの研究では、Kristófらは、イリシンが、ヒト初代皮下白色脂肪細胞の分化における「ベージュ」プログラムを誘導することができ、効果的に褐色化しないことを示唆している；使用されたプロトコルは、全体の分化手順の間、または分化の最後の4日間でイリシンの投与からなり、採用された細胞系統は、前脂肪細胞であった。さらに、Leeらは、FNDC5が皮下脂肪細胞において熱発育を改善したが、眼窩脂肪細胞においては改善しなかったことを示し、熱発育活性化の大きさは、頸部脂肪細胞において観察されたものと比較して明らかではなかった。
したがって、イリシンの効果および異なる脂肪沈着物へのFNDC5の参加に関しては、分岐した結果にもかかわらず、Oliveiraらによる以前の結果は、ヒトの皮下脂肪細胞を用いた。20 nMのイリシンで24時間インキュベートしたヒト皮下脂肪細胞を使用して、イリシンは、アディポカインのレベルを変更することなく、脂質プロファイルへの影響のために肥満を防止したり、体重を維持するために使用される可能性があることを示した
この論文では、それは、イリシンは、加えて、TRIB3 mRNA発現の増加と一緒にFURIN、ADAM10、TLR3、KDM5BとSIRT1の減少につながるかもしれないものを実証した。
FURINは、哺乳動物細胞に感染するために使用される重要なタンパク質であるSARS-CoV-2スパイク
ADAM10は、ヒト気道上皮におけるACE2切断調節と相関する
TLR3は、SARS-CoVまたはMERS-CoV感染に対する自然応答において重要な役割を果たし、ACE2切断を調節する
KDM5Bは、SARS-CoVまたはMERS-CoV感染に対する自然応答において重要な役割を果たし、ACE2切断を調節する
KDM5Bは、SARS-CoVまたはMERS-CoV感染に対する自然応答において重要な役割を果たし、ACE2切断を調節する
KDM5Bは、SARS-CoVまたはMERS-CoV感染に対する自然応答において重要な役割を果たし、ACE2切断を調節する。
KDM5BはACE2を積極的に調節する；57%以上のアドレスの研究において、研究者は、重度のCOVID-19の併存疾患を有する患者の肺においてSIRT1がアップレギュレートされていることを発見した
これらの遺伝子はすべて、ウイルス感染を支持し、SARS-CoV-2の拡散を防止するための潜在的な標的となり得る。
一方、TRIB3遺伝子は、ヒトにおけるトリグリセリドおよびHDLコレステロールの血漿レベルを調節することに加えて、脂肪酸合成制御およびインスリン抵抗性と関連しており、そしてウイルス感染および複製を減少させることが以前に報告されている；したがって、TRIB3はCOVID-19の治療標的と考えられ得る。
イリシンは、ヒトの血液中に3〜5ng／mlの濃度で存在し、摂食している人では約3.6ng／mlで循環し、この濃度は有酸素インターバルトレーニングを行っている人では約4.3ng／mlまで上昇する。イリシンのウイルス感染への関与はあまり理解されていないが、HIV患者を対象とした横断的研究では、イリシンレベルは体脂肪と負の相関があり、無脂肪質量と筋力パラメータと正の相関があることが実証された。
別のシナリオでは、研究者は、FNDC5過剰発現またはイリシン補充がミトコンドリア機能を維持し、酸化的損傷だけでなく、細胞のアポトーシスを減衰させることができることを検証した。
イリシンは、エネルギー代謝、組織再生、細胞増殖に寄与する白色脂肪組織の褐変プロセスのマーカーを刺激することで知られており、また、インスリン抵抗性を低下させ、筋肉へのグルコースの輸送を助け、その結果、血糖値を低下させることでも知られている。しかし、ホルモン調節や代謝過程への影響は完全には解明されていない。
我々は、イリシンが他の遺伝子と一緒に参加しているFURINを減少させたことを実証した。これらの用語には、タンパク質の成熟、形質転換成長因子β刺激に対する細胞応答、細胞外マトリックス組織、多細胞生物の代謝、リパーゼ活性の調節、受容体代謝が含まれており、これらの用語間の相互作用を図1に示すことができる。
FURINは、ヘマグルチニンを活性化する鳥インフルエンザウイルスのタンパク質分解的切断、およびヒト免疫不全ウイルス（HIV）エンベロープポリプロテイン前駆体gp160のgp120およびgp41へのウイルス集合前の切断に関与するプロテアーゼの一つである。したがって、イリシンがヒト細胞に対するSARS-CoV-2の切断に影響を与えることが証明されているFURINをダウンレギュレートすることを証明した我々の結果は、FURINの減少を介して、イリシンによる治療が結果的にSARS-CoV-2の感染障害をもたらす可能性があることを示しているかもしれない。
さらに、イリシン濃縮後のADAM10の減少は、他の遺伝子とともに、表に記載されているように、タンパク質の成熟、細胞接着の負の制御および細胞増殖に代表されるGOの12の用語をもたらすことが観察された。2と図2のインタラクティブなグラフィックに記載されている。ADAM10は、FNDC5切断を担う候補酵素であり得るので、本研究におけるADAM10 mRNAの減少は、外因性イリシンの投与によって説明することができる。
イリシンによるADAM10の減少は、生物学的プロセスNotchシグナル伝達経路の濃縮をもたらした；この経路は、自然免疫細胞および適応免疫細胞の分化および活性の間に主要な役割を果たすと考えられているので、イリシンの処置は、間接的により効率的な免疫システムに結果をもたらす可能性がある。
さらに、我々のデータは、減少したADAM10およびFURINが、細胞外構造組織、タンパク質成熟、タンパク質処理膜およびタンパク質エクトドメインのタンパク質分解などの共通プロセスの濃縮につながることを示した。
Anders らは、ADAM10 の活性も Furin タンパク質によって制御されていることを報告しているが、イリシンで処理すると FURIN と ADAM10 の mRNA が減少することから、我々の知見と一致する可能性がある。両遺伝子の減少は、細胞や細胞外のプロセスに有益である可能性がある。
急性呼吸窮迫症候群（ARDS）は、急性肺損傷（ALI）の中で最も重篤な形態の定義である。ARDSおよびALIは、過剰な炎症反応、敗血症、ガス交換障害、肺胞-毛細血管バリアの破壊、および肺水腫を伴う重篤な臨床状態である。したがって、ALI/ARDSを有する患者は、他の症状の中でも、酸素供給能力の低下、胸部X線写真上の両側肺グランドグラスエッジ、および呼吸数の増加を呈する。最近の病理組織学的研究では、C57BL/6JマウスおよびA549細胞（腺癌化ヒト肺胞基底上皮細胞）において、イリシンがリポ多糖類（LPS）によって誘導された肺損傷を改善し、肺胞上皮細胞におけるIL-1β、IL-6、MCP-1、TNF-αの産生およびアポトーシスを抑制したことが実証された。
肺胞細胞はイリシンを発現しないが、外因性イリシンを用いた以前の研究は、肺組織が損傷した場合にこれらの細胞がイリシンの恩恵を受けることを示した；虚血にさらされたマウスにおけるイリシンの投与は、肺の炎症が減少し、明らかな組織修復が存在し、低酸素血症および前炎症性サイトカインが減少したことを実証した。
SARS-CoV-2感染の臨床的特徴は様々であり、上述したものと類似しており、これはCOVID-19の症例でイリシンをテストすることを強化する事実である。これらのデータはまた、SARS-CoV-2感染症との戦いにおけるイリシンの有望な可能性を支持するものであり、この領域の文献は乏しいため、さらなる研究が必要である。
Pintoらによって提示されたデータは、重度のCOVID-19を予防するための遺伝子標的を提供する。これらの遺伝子標的に作用し、ADAM10、TLR3、HAT1、HDAC2、KDM5B、SIRT1、RAB1AおよびFURINを阻害するか、またはTRIB3を刺激する薬剤が探索されるべきである。イリシンによる脂肪組織の処置から得られた結果は、Pintoらによって言及された実質的にすべての標的の発現の減少を示し、Moraesらによって言及されたTRIB3の増加を示した。同じことが肺スペクトルで起こるかどうかを検証するために、肺組織で実施された研究が必要である。
結論として、イリシンは、脂肪組織における COVID-19 の結果に関連する多様な遺伝子の調節に非常にポジティブな効果を示し、ウイルス感染の上昇に関与する遺伝子の減少をもたらし、ウイルス細胞の切断をブロックする遺伝子の増加をもたらした。
これらの結果は、イリシン治療がヒト細胞における SARS-CoV-2 感染率の低下につながる可能性を示している。肥満は、脂肪組織におけるマクロファージのリクルートの増加と関連しており、イリシンは、活性酸素種（ROS）の過剰生産を減少させ、抗酸化ストレス因子の発現を増加させることにより、マクロファージの活性を調節する。
したがって、イリシンの有益な効果は、脂肪組織におけるCOVID-19の結果に関連する多様な遺伝子の調節に対する正の効果に依存するだけでなく、マクロファージの標的化に関連する抗炎症性にも依存する。これらの結果は、標的とした遺伝子がいくつかの体細胞タイプで発現していることを考慮すると、他の組織やシステムにも翻訳可能であるかもしれない。
COVID-19では呼吸器系が最も影響を受けているため、肺組織におけるイリシンの影響とその結果としての遺伝子発現を検証する必要がある。したがって、今回のデータは予備的かつ推測的ではあるが、脂肪以外の組織におけるイリシンと遺伝子発現に関する更なる研究を刺激するものと期待している。
これは、TRIB3の発現を刺激し、ACE2調節遺伝子を減少させるCOVID-19の治療戦略を呼び起こす可能性があり、軽症の患者だけでなく、重症のCOVID-19に苦しむ患者の両方を助ける可能性がある。