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pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26844377/
Accepted Date:2016年1月25日
– 中央研究院分子生物学研究所、台北、115,台湾
– ハーバード大学医学部システムバイオロジー学科、マサチューセッツ州ボストン
要旨
ステロイドは、臨床の場で広く使用されている。ステロイドは核内受容体に結合して活性化し、遺伝子発現を制御する。ステロイドはゲノム転写を活性化するだけでなく、非ゲノム的な作用も発揮する。
本稿では、プレグネノロン（P5)7α-ヒドロキシプレグネノロン、プレグネノロン硫酸およびアロプレグナノロンを含む神経ステロイドの非ゲノム作用に焦点をあてる。
プレグネノロンとその誘導体は、学習と記憶の強化、抑うつ状態の緩和、運動能力の向上、神経細胞の生存促進など、神経細胞の活動を促進する。これらの作用は、細胞質あるいは細胞膜に存在する様々な標的タンパク質を活性化することによって発揮される。
プレグネノロンとその代謝物は、微小管関連タンパク質や神経伝達物質受容体などの受容体に結合し、微小管の安定化、細胞内へのイオンフラックスの増加、ドーパミン放出などの一連の反応を誘発する。
このような神経ステロイドの幅広い作用から、プレグネノロン誘導体は、将来、神経疾患の治療に大きな可能性を持っていると考えられる。
キーワード プレグネノロン，ニューロステロイド，微小管，CLIP-1，神経変性，うつ病
1 はじめに
ステロイドは内分泌腺から分泌され、循環を介して全身に分布する低分子化合物である。ステロイドには、グルココルチコイド、ミネラルコルチコイド、エストロゲン、アンドロゲン、プロゲストゲンなどがある。ステロイドは、性分化[1]、塩分・糖分の恒常性[2]、免疫反応[3]など、胎児期から成人に至るまでの多くの発生・生理過程を調節している。また、性ステロイドは乳がんや前立腺がんの細胞増殖を促進する[4]。
ステロイドは、主に遺伝子の発現を直接制御することによって生物学的作用を制御している。例えば、グルココルチコイドが結合すると、グルココルチコイド受容体（GR）は核内に転移して、細胞死遺伝子の転写を活性化し、炎症性サイトカインの発現を抑制して炎症を消す[3]。グルココルチコイドの効果は、塗布後数時間、あるいは数日間持続する。
ステロイドは核で遺伝子転写を活性化することに加え、核を介さずに効果を発揮する[5]。これらの非ゲノム的な機能は転写阻害剤では阻害されない [6]。例えば、アルドステロンは有核赤血球のナトリウム交換を遅延させる [7]。グルココルチコイドはホスファチジルイノシトール3キナーゼ（PI3K)プロテインキナーゼAKT、内皮型一酸化窒素合成酵素を活性化し、心筋梗塞を予防する [8]（Glucocorticoid 2004）。エストロゲンは、小胞体に存在するGPER（GPR30）と結合して活性化する。エストロゲン/GPREのシグナルは、カルシウムの動員、cAMP合成、c-Srcの活性化をもたらし、PKAおよびPI3K/Akt-分裂促進因子活性化プロテインキナーゼ（MAPK）経路を活性化させる[9]。プロゲステロンは、MAPKシグナルを活性化し、カルシウムチャネルであるCatSperを標的としてカルシウムの流入を促進する[10, 11]。これらの研究は、ステロイドの非遺伝子作用の重要性を明らかにしている。ここでは、ステロイド生成における最初のステロイドであるプレグネノロン（P5と略す）の転写非依存的作用に焦点をあてて概説することにする。
2. プレグネノロンの合成と機能
2.1 プレグネノロンと関連する神経ステロイドの合成
すべてのステロイドは、共通の前駆体であるコレステロールから派生する。コレステロールは、コレステロール側鎖切断酵素（cytochrome P450scc, CYP11A1）により、まずプレグネノロン（P5）に律速的に変換される（図1）。Cyp11a1は主に副腎と生殖腺に発現しており、腸、胎盤、脳にも少ないながら発現している[12-14]。Cyp11a1欠損マウスは重度の副腎障害を持ち、ホルモンの不均衡により出生後間もなく死亡する[15]。CYP11a1欠損症の患者も同様の表現型を示す[16, 17]。
プレグネノロン濃度は循環系では低く、他のステロイドの前駆体とみなされることが多い。しかし、脳内のプレグネノロン濃度は高く [18] 、神経活動を制御する物質によって乱されることがある。例えば、Cannabis sativa（マリファナ）の成分である9-tetrahydrocannabinolを投与すると、脳のプレグネノロン濃度が上昇する[19]。老化した脳や神経変性疾患の患者では、プレグネノロン濃度が低下している[20, 21]。プレグネノロンレベルの低下と神経細胞活動の低下との相関は、プレグネノロンが神経細胞活動の調節に関与している可能性を示唆している。
プレグネノロンが産生される他の副腎外部位は、2型ヘルパーT細胞細胞だ。Cyp11a1の発現と活性は、アレルギー性肺疾患におけるCD8+ T細胞の親アレルギー性エフェクター細胞への転換の際に誘導される[22]。2型ヘルパーT細胞細胞から産生されるプレグネノロンは、T細胞の増殖を防ぎ、B細胞における免疫グロブリンのスイッチングを阻害し、免疫のホメオスタシスを維持することができるので、プレグネノロンの生産はおそらく細胞の状況に依存する [23]。
脳内では、プレグネノロンは神経細胞機能を持つ他の化合物に変換されることがある（図1）。プレグネノロン硫酸（PregS）は、細胞質硫酸転移酵素であるSULT2A1,SULT2B1a、SULT2B1bによって生成される[24]。プレグネノロンは、3β-ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、5α還元酵素I型、3α-ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼの順次作用でアロプレグナノロンに変換される[25]。また、プレグネノロンはCYP7Bによって7α-ヒドロキシプレグネノロンに変換されることもある[26]。
2.2 プレグネノロンとその代謝物の機能
プレグネノロンの機能は、ゼブラフィッシュの胚発生においてよく特徴付けられている[27]。ゼブラフィッシュの cyp11a1 は、母性転写産物として胚発生初期に発現する[28]。cyp11a1の発現をブロックすると、ゼブラフィッシュ胚の細胞運動の遅延が引き起こされる[29]。プレグネノロンを処理すると、この欠損が解消されることから、プレグネノロンはゼブラフィッシュ胚の細胞移動を促進することが示された。この効果はゼブラフィッシュに限ったことではなく、プレグネノロンはマウス副腎皮質腫瘍細胞Y1のランダムな移動を促進することができる[30]。
ゼブラフィッシュ胚の発生における役割に加えて、プレグネノロンは機能的な神経ステロイドである [13] （表1）。齧歯類では、プレグネノロン処理により、足衝撃後の能動回避アッセイにおける記憶が増強される[31]。プレグネノロンは、臨床試験において、他の抗精神病薬と一緒に投与すると、統合失調症や統合失調感情障害における認知機能を高め、陰性症状を予防する[32,33]。プレグネノロンを抗炎症薬と併用すると、脊髄損傷後の回復も促進する;この併用療法では、ラットの組織損傷を軽減し運動機能を回復させる[34]。また、プレグネノロンは、大麻中毒や中毒から脳を保護することができる[19]。
プレグネノロンは、他の下流ステロイドに代謝されることがある;したがって、プレグネノロンとその代謝物の効果を区別することは困難である。例えば、PregSはプレグネノロンと構造が異なり、硫酸基が1つある。海馬のPregSレベルは老化したラットの認知能力と相関がある[35]（表1）。PregSは学習と記憶を増加させ[36]、ラットの痛みを軽減する[37]。また、麻酔薬であるバルビツール酸の効果に拮抗して、睡眠時間を短縮する[38]。
プレグネノロンと同様の機能を持つもう一つの神経ステロイドはアロプレグナノロンである（表1）。アロプレグナノロンは、鎮痛作用がある[39]。さらに、アロプレグナノロンは小脳のプルキンエ細胞と顆粒細胞の生存に必要である[40, 41]。アロプレグナノロンは、神経炎症を調節する潜在的な役割のために、いくつかの神経変性疾患と関連している[42]。アロプレグナノロン合成は社会的に孤立したマウスで減少し[43]、有効な抗うつ剤である[44]。
もう一つのプレグネノロン誘導体である7α-hydroxy-pregnenoloneは、認知機能の低下した高齢ラットの空間記憶保持を改善する[45]（表1）。また、繁殖期のイモリの運動量も増加させる[46]。プレグネノロンレベルは明期に高く暗期に低いため、ウズラの運動活性の日周パターンが基礎となっている[47]。
3 プレグネノロンおよびその代謝物の作用
プレグネノロンとその代謝物は多くの生理的事象に必要であるが、その作用機序は未解決のままである。核内受容体には結合せず、遺伝子発現を直接制御することはない。それどころか、プレグネノロンは、ゼブラフィッシュの胚発生において、非ゲノム的な様式で細胞移動と微小管ダイナミクスを制御している[29]。プレグナノロンとアロプレグナノロンは、神経細胞における神経伝達物質受容体の活性を調節する。
3.1 プレグネノロンの標的は微小管と関連している
いくつかの研究は、プレグネノロンが微小管のダイナミクスを制御することを示している（表2）。プレグネノロンは、部分精製タンパク質画分において微小管関連タンパク質2 (MAP2) と結合している [48] 。MAP2は、主に神経細胞に存在するII型微小管関連タンパク質に属する。微小管フィラメントに結合することで微小管を安定化させ、微小管の重合を促進する[49]。プレグネノロンは、MAP2を介して微小管と神経突起の伸長を制御することが示唆されているが、その基本的なメカニズムはまだ不明である[50]。
MAP2に加えて、もう一つの微小管結合タンパク質であるCLIP1 (CAP-Gly domain-containing linker protein 1, CLIP-170) が光ラベルアッセイでプレグネノロンに結合することが確認されている[30]。このアッセイでは、プレグネノロン結合タンパク質を光親和性で引き下げ、液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析によりCLIP1であることを同定した。CLIP1は微小管の伸長を促進し、細胞の移動を制御する[51, 52]。CLIP1は、N末端の微小管結合ドメイン、中間のコイルドコイルドドメイン、C末端の亜鉛ナックルからなり、ダイニンやダイナクチンのサブユニットと相互作用する。CLIP1の中央のコイルドコイルドドメインはプレグネノロンとの結合に必要かつ十分である[30]。プレグネノロンがCLIP1に結合すると、CLIP1は折りたたまれた不活性状態から開いた活性状態へと構造変化し、微小管の集合を促進する活性を持つようになると考えられている。プレグネノロンは、ゼブラフィッシュ胚や哺乳類細胞において、CLIP1依存的な微小管の伸長を促進する。
プレグネノロンは、コイルドコイルドドメインを含む別のタンパク質、shugoshin 1のショートフォーム（sSgo1）[53]にも結合する。sSgoは、有糸分裂中に中心核の結合を保護するタンパク質である。有糸分裂の間、異所性のフルオレセイン標識プレグネノロンが紡錘体極に蓄積し、sSgo1が適切に中心核を結合することから紡錘体極に局在するために重要であると考えられている。プレグネノロンの枯渇は、有糸分裂時の早期の中心核離脱につながる。したがって、プレグネノロンはsSgoに結合し、不適切なセントリオール離脱を防ぐことによって有糸分裂に関与している[53]。
3.2 PregS とアロプレグナノロンのターゲット
PregSは神経細胞の表面にあるイオンチャネルと相互作用する。塩化物チャネルの一つであるγ-アミノ酪酸（GABA）A受容体の脱感作を促進する[54-56]。また、N-methyl-D-aspartate（NMDA）受容体やL型電位依存性カルシウムチャネル（VGCC）を介して眼内カルシウムの流入や神経細胞の反応を促進する[57, 58]。さらに、PregSはカチオンチャネルのtransient receptor potential M3を活性化し、膵臓β細胞におけるカチオンの流入とインスリン産生を誘導する[59]。アロプレグナノロンは、GABAA受容体およびカルシウムチャネルに対するGABAの応答を増強することにより、同様に作用する[60]。また、カルシウムチャネルを活性化する。7α-hydroxypregnenoloneの詳細なメカニズムは研究されていない。また、その受容体も特定されていない。ドパミン受容体を活性化し、ドパミン放出を増加させ、結果として運動活性を増加させるということだけは分かっている[46]。しかし、詳細なメカニズムについては、さらなる研究が待たれる。
4. 今後の展望
プレグネノロンとその代謝物は、哺乳類、両生類、ゼブラフィッシュなどの脊椎動物において、多面的な役割を担っている。プレグネノロンは胚発生に必須であり、老化や神経学的欠陥のある成人ではそのレベルが低下することから、プレグネノロンやその誘導体は神経病理学的あるいは神経変性疾患の治療に使用されることが示唆されている。プレグネノロンは、コイルドコイルドドメインを含むタンパク質（CLIP1,sSgo1）と結合することにより、その生物学的能力を発揮する。プレグネノロンは受容体に結合すると、受容体（CLIP1）の構造を変化させ、細胞内の他の場所に再局在化させる（CLIP1,および sSgo1）。プレグネノロンの作用機序は明らかになりつつあるが、今後の臨床応用に必要な詳細な知見を得るためには、まだまだ多くの疑問が残されている。
4.1 プレグネノロンの作用機序
プレグネノロンはCLIP1やsSgo1のコイルドコイルドドメインに結合するが、このドメインは典型的な疎水性ステロイド結合キャビティを持たないため、プレグネノロンの相互作用は一過性であるか、極性分子によって容易に阻害される可能性が示唆される。プレグネノロン結合ダイナミクスは、プレグネノロンの機能に影響を与える重要なパラメータであり、その解明が必要であろう。さらに、プレグネノロンのような低分子との結合により、プレグネノロン受容体の構造変化や局在がどのように制御されるかは明らかでない。プレグネノロン結合は、CLIP1の疎水性を高めることによってコイルドコイルを安定化させたり、再配列させたり、コイルドコイルのループ構造からα-ヘリックスへの変換を誘発し、不連続な短いα-ヘリカルコイルドコイルを長く硬いロッドに拡張させるのかもしれない [30]. プレグネノロンがどのように微小管のダイナミクスを修正し、その結果、神経突起の伸長を増加させ、神経細胞の機能を向上させるかはまだ分かっていない。さらなる実験が必要である。
4.2 プレグネノロン誘導体の構造解析
プレグネノロンは神経機能を促進するが、副作用として他のステロイドに変換される可能性があるため、臨床応用は限定的である。そこで、代謝されずに生理活性を維持するプレグネノロン誘導体の合成が求められている。また、プレグネノロン骨格のうち、生体内で最も高い活性を持つ薬理活性化合物を見出すことも重要である。PregSは、記憶力テストにおいてその合成エナンチオマーよりも高い活性を示す[61]。他のPregS誘導体である11-ketopregnolone硫酸やepipregnanolone硫酸はGABAやNMDA受容体を活性化できず、記憶力を向上させなかった。この報告は、PregSの機能にはある種の構造的要素が必要であることを示すものである。この研究は、活性に必要なプレグネノロン骨格上の官能基を調べるために体系的に拡張する必要がある。
– 合成プレグネノロン誘導体である MAP4343（3β-methoxy-pregnenolone） は、微小管ダイナミクスを制御し、ラットにおいて抗うつ活性を有する [62]。コレステロールやプロゲステロンではなく、プレグネノロンが微小管の重合を活性化し、CLIP1に結合する[30]。7α-hydroxypregnenolone や PregS などの他のプレグネノロン代謝物も微小管の重合を促進するが、17α-hydroxypregnenolone や 17α-hydroxyprogesterone は促進しない[30]。この研究は、神経強化作用を保持しうるプレグネノロン誘導体の構造的特徴に関するヒントを与えるものである。
神経活動の調節以外にも、プレグネノロンには他の機能があり、プレグネノロン誘導体の構造活性相関は他の目的でも研究されている。プレグネノロンは、アンドロゲン受容体を介して癌の成長を刺激することが示唆されており[63]，プレグネノロン骨格にフラニル環とピリジル環が含まれることにより、成長促進ではなく細胞毒性を示すようになる[64]．したがって、プレグネノロンの機能は、プレグネノロン骨格に結合している側鎖に大きく依存する。そのため、プレグネノロン誘導体を合成し、様々な条件下でその効果を検証することが重要である。例として、C-20で水酸化されたプレグネノロン類似体は、カルシウム依存的に平滑筋細胞の弛緩を減少させる [65] ．
4.3 プレグネノロン誘導体の臨床的使用
微小管の機能障害は、広範なヒトの疾患と密接に関連しており、微小管は抗癌および抗神経変性治療の標的である [66, 67]。神経ステロイドは血液脳関門を自由に通過することができるため、脳の欠陥の治療への利用が示唆されている。例えば、3α-ヒドロキシ-5α-プレグナン-11,20-ジオン（アルファキサロン）と3α,21-ジヒドロキシ-5α-プレグナン-11,20-ジオン（アルファドロン）は、犬や猫の麻酔薬として併用されている。これらの神経ステロイドの多くは半減期が短いため、臨床使用には適さない。現在、一般的なアプローチは、臨床で使用できるように薬物動態プロファイルを改善した合成プレグネノロン誘導体を開発することだ。
5 結論
プレグネノロンおよびその代謝物は脳内で合成され、神経細胞の保護や神経活動の亢進など様々な機能を発揮する。微小管に関連するタンパク質に結合したり、細胞表面に存在する神経伝達物質の受容体と相互作用する。プレグネノロンとその代謝物は、単独あるいは他の化合物と組み合わせて、微小管の伸長を促進したり、イオン流入を増加させたりすることで機能を発揮する。今後、プレグネノロンの構造を生物有機合成により系統的に変化させ、これらの合成プレグネノロン誘導体の活性を調べ、どの化合物が最も活性が高く、毒性が低いかを調べることが重要である。このような化合物の同定は、神経疾患の治療上、重要であると思われる。