The role of Neuropilin-1 in COVID-19
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33395426/
Bindu S. Mayi,Jillian A. Leibowitz,Arden T. Woods,Katherine A. Ammon,Alphonse E. Liu,Aarti Raja
公開 2021年1月4日
要旨
シグナル伝達タンパク質の一種であるニューロピリン-1（NRP-1）は、侵入因子として機能し、試験管内試験でSARSコロナウイルス2（SARS-CoV-2）の感染性を増強することが示されている。この細胞表面受容体は、血管新生、腫瘍の進行、ウイルスの侵入、軸索誘導、免疫機能に重要な役割を果たしている。NRP-1は、嗅球を介して、中枢神経系への可能な拡散、および重症コロナウイルス病2019（COVID-19）の肺におけるNRP-1 RNA発現の増加を含む、SARS-CoV-2感染のいくつかの側面に暗黙のうちに関与している。糖尿病腎細胞におけるNRP-1タンパク質のアップレギュレーションは、重症COVID-19のリスクを持つ集団におけるその重要性を示唆している。免疫機能におけるNRP-1の関与は、COVID-19による疾患重症度および死亡における免疫応答の誇張された役割を考えると、説得力がある。NRP-1は、T細胞記憶の免疫チェックポイントであることが示唆されている。COVID-19におけるNRP-1の関与やアップレギュレーションが、免疫機能障害の可能性を含む疾患転帰や長期的な結果につながるかどうかは不明である。NRP-1の研究をさらに進め、SARS-CoV-2感染症の治療標的としての可能性を検討することが賢明である。我々は、NRP-1 の広範な発現、呼吸器上皮および嗅覚上皮における豊富さ、および NRP-1 の機能性が、COVID-19 の複数の全身的効果の要因となり、疾患および潜在的な長期的な後遺症の管理において我々が直面している課題につながることを予測している。
序論
シグナル伝達・触媒タンパク質の一種であるニューロピリン-1（NRP-1）は、最近、試験管内試験でSARSコロナウイルス2（SARS-CoV-2）の感染性を増強し、侵入因子として機能することが示されたが、NRP-1が感染した患者での付着や受容体介在性エンドサイトーシスを可能にするかどうかは不明である[1,2]。NRP-1は、細胞シグナル伝達における役割と細胞表面受容体としての機能で最も広く知られている[3]。ニューロピリンは脊椎動物に特有のものであり、これまでのところ、シマウマ、カエル、ニワトリ、マウス、ラット、ヒトのNRPホモログが部分的または完全に同定されており、その発現パターンは種によって異なる[4]。NRP-1は2つのアイソフォームを持っている：切断された分泌型と、SARS-CoV-2と相互作用する膜貫通型です [1,5]。NRP-1の分泌型（sNRP-1）は、子宮頸がんにおける細胞関連NRP-1機能を阻害することが知られており、子宮頸がん患者の循環中のsNRP-1レベルは対照群よりも有意に高くなっている[6]。NRP-1のノックダウンやエプスタインバーウイルス（EBV）の可溶性NRP-1による前処理は、ヒト上咽頭上皮細胞のEBV感染を抑制する一方で、NRP-1の過剰発現によるアップレギュレーションはEBV感染を促進する[7]。NRP-1の膜貫通型にはリガンド結合部位もあり、通常は血管内皮増殖因子（VEGF）などの増殖因子のためのものであるが、現在ではEBV、ヒトT細胞リンパ原性ウイルス-1（HTLV-1)SARS-CoV-2などのウイルスに共役されている [1,2,7-9]。
感染すると、SARS-CoV-2スパイク（S）タンパク質は、宿主細胞プロテアーゼであるfurinによってS1およびS2ポリペプチドに切断され、それによってS1のCendRモチーフが露出する [2]。このモチーフは、リガンドのカルボキシル末端にカチオン性アミノ酸（通常はアルギニン）が存在することを必要とする「C末端規則」にちなんで命名されており、結果としてRXXR構成となる[10]。CendR結合ポケットは、NRP-1のb1ドメイン内にある[10]。Dalyら[2]は最近、SARS-CoV-2 S1タンパク質のCendRモチーフがNRP-1に結合し、ウイルス感染力を増強することを示した。NRP-1のb1ドメインの細胞外CendR結合ポケットに対するモノクローナル抗体は、SARS-CoV-2の感染性を低下させる[2]。重症コロナウイルス疾患2019（COVID-19）患者の気管支肺胞洗浄液から分離された細胞におけるNRP-1 RNA発現の解析は、SARS-CoV-2陽性細胞では上昇した発現を示したが、未感染細胞では上昇しなかった[1]。SARS-CoV-2とNRP-1の相互作用をブロックすることが、COVID-19との戦いにおいて有効な治療法となり得るかどうかは、依然として不明である。
Cantuti-Castelvetriら[1]はまた、Human Protein Atlas [11]を用いてNRP-1タンパク質の発現を解析し、COVID-19の影響を受けることが知られている呼吸器および消化管の上皮表層でNRP-1が高発現していることを明らかにした[12]。NRP-1は全身の組織に播種されているが、血液内皮細胞、血管平滑筋細胞、および間葉系幹細胞によって最も一般的に発現している[13]。NRP-1はまた、脂肪組織マクロファージ、肺および血管内皮細胞、網膜血管系、神経細胞、さらにはCD8+ T細胞、T調節細胞、肺胞、気管支、血管マクロファージなどの免疫細胞によっても発現することができる[14-17]。NRP-1は、セマフォリン、VEGF（具体的にはVEGF-Aアイソフォーム)トランスフォーミング成長因子β（TGF-β)プレキシン、インテグリンなどのシグナル伝達リガンドの受容体として作用する[3,18,19]。NRP-1は、血管新生、腫瘍の進行、ウイルスの侵入、中枢神経系および末梢神経系内の軸索誘導、および免疫機能において多系統の役割を果たしている[16]。NRP-1の多様な発現と機能性は、SARS-CoV-2の理想的な細胞外標的となり、このウイルス感染の多系統への影響に寄与する可能性がある。
NRP-1とVEGFおよびセマフォリンとの相互作用は、腫瘍の増殖、生存、および自己増殖を促進することが示されている[19]。NRP-1は、膠芽腫、髄芽腫、および乳がん、前立腺がん、膵臓がんなど、さまざまながんで発現している [3,19,20]。腫瘍形成におけるその広範な存在と役割を考えると、NRP-1は抗腫瘍薬の標的となっており、ペプチドをベースとしたNRP-1の阻害は血管新生の抑制、および腫瘍細胞の増殖と遊走の阻害につながる[20]。
血管の発現と機能
NRP-1は血管内皮細胞においてVEGF受容体2（VEGFR2）と複合体を形成し、血管透過性と血管新生を誘導する[15,21]。しかし、VEGFR2はNRP-1と直接複合体を形成するのではなく、NRP-1のb1ドメインに結合する特異的VEGFアイソフォームであるVEGF165を介して2つの存在間の橋渡しを形成している。NRP-1/VEGFR2複合体のVEGF-A結合ドメインを標的とすることは、関節リウマチ、炎症性疾患、動脈および再灌流傷害、アテローム性動脈硬化症などの疾患における抗血管新生のための治療上の利点を提供する[23]。マウスNRP-1の機能獲得変異は、過剰な血管化、血管拡張、出血、胚の致死性を示した[13]。NRP-1の機能欠損変異では，マウス胚の脳，卵黄嚢，中枢神経系（CNS），網膜，脳室下血管叢の血管新生の障害に加えて，致死性が認められた [13]．VEGFはNRP-1なしでは機能しないが、NRP-1はVEGFなしでも血管新生機能を発揮することができるので、逆は真ではないようである[13]。VEGFを結合することができない改変されたNRP-1を発現したマウスは、まだ適切な心血管系の発達を示す産後の生存を示した。NRP-1のこのVEGF非依存的な機能は、インテグリン、フィブロネクチン、ラミニンによる内皮細胞接着の調節、および血管発達の間の代替結合パートナーとしてのTGF-βの使用によって起こる[13]。
VEGFのNRP-1への依存性が示唆するように、後者のタンパク質は血管系の維持と機能にとって重要である。NRP-1は、動脈損傷後、線維芽細胞成長因子および血小板由来成長因子（PDGF）に反応して、内皮細胞および血管平滑筋細胞で発現が亢進している[13,24]。損傷後のこのアップレギュレーションは、血管形成術やステント留置術など、血管系にストレスを与える可能性のある異所性の手技の場合にも起こる。NRP-1のアップレギュレーションは、血管外科手術後の重要な臨床症状である新内膜肥大症による再狭窄と関連しており、これらの外科的介入の有効性を制限する可能性がある。NRP-1を阻害すると、この問題のある新内膜肥厚と再内皮化も同様に減少した[24]。NRP-1を標的とすることは、特定の腫瘍を治療する際に、抗VEGF機能を増強することにより、潜在的な治療上の利益を提供する可能性がある[20]。例えば、実験薬であるpTM-NRP-1は、グリオーマの治療において、抗血管新生および抗腫瘍剤として治療上の利益を示した[20]。NRP-1の膜貫通ドメインは、抗VEGF効果を示し、血管新生および腫瘍の進行をブロックすることを目的とした病態に対して治療上の利益を提供し、グリオーマを治療する際に有用な標的となっている[20]。
重度のCOVID-19はまた、動脈障害を引き起こし、その結果、NRP-1の潜在的なアップレギュレーションは、COVID-19の治療のためにNRP-1を標的とする可能性を示唆している[25]。先に述べたように、研究者は、重度のCOVID-19患者の気管支肺胞洗浄液から分離されたSARS-CoV-2陽性細胞において、感染していないバイスタンダー細胞ではなく、NRP-1 RNAの発現が上昇していることを示した[1]。凍結保存されたヒト糖尿病腎の一核RNAシークエンシングデータセットの解析では、アンジオテンシン変換酵素2（ACE2）を含むSARS-CoV-2による細胞の侵入に関与するいくつかの因子が提案されているが、NRP-1のみが有意にアップレギュレートされていた[1]。これが糖尿病患者におけるSARS-CoV-2感染症のリスク上昇の一因である可能性がある。
重度のCOVID-19は、凝固の亢進や敗血症などの血管病理と関連している[26]。凝固は、動脈損傷または炎症後の内皮上の様々な因子の放出および暴露によって制御されるが、後者はNRP-1によっても制御される。内皮細胞の接着性および透過性を制御することにより、NRP-1は凝固の病理学的な役割を果たしている可能性がある。光増感ペプチドによる NRP-1 の 試験管内試験 での阻害は、血管収縮、組織因子の放出、血栓の形成に起因する腫瘍血管系の機能不全をもたらした[27]。SARS-CoV-2は、NRP-1のb1ドメインで従来の血管新生リガンドと結合し、競合することで、全身の血管系の機能不全と凝固を促進する可能性がある。
自己免疫疾患におけるNRP-1
免疫系におけるNRP-1の多面的な役割は、自己免疫疾患、腫瘍、そしておそらくCOVID-19のような感染症に対するモノクローナル抗体のような免疫療法のための魅力的な潜在的なターゲットとなっている[1,17]。NRP-1は、複数のシステムで血管新生および炎症活性の両方を変化させる役割を果たしており、その受容体としての効果は、いくつかの自己免疫疾患にまたがっている[3]。例えば、NRP-1は脱髄性自己免疫疾患の動物モデルである実験的自己免疫性脳脊髄炎の治療に必須であることが示された[28]。タフトシンテトラペプチドは、NRP-1依存的にミクログリアの貪食活性を刺激し、脱髄性疾患の治療ターゲットとしてのこの受容体の重要性を明らかにした[28]。NRP-1 発現を欠損したノックアウトマウスは、野生型コントロールと比較して、統計学的に有意な体重減少、脊髄の進行性脱髄、および T 調節細胞の活性化時間の増加を示した。
関節リウマチでは、滑膜細胞と血管新生増殖によりパンヌスが形成され、慢性炎症が起こる。実験的に誘発された齧歯類関節炎において、VEGF165 のプラスミン依存的切断から生成された抗 NRP-1 ペプチドは、滑膜細胞の接着と遊走、毛細血管の増殖と内皮細胞の遊走を抑制することが明らかになった。抗NRP-1ペプチドは、抗アポトーシス因子VEGF165のNRP-1への内皮細胞および滑膜細胞への結合を阻害し、滑膜細胞の生存に不可欠な因子であるp-ERKおよびBcl-2の発現を低下させることにより、滑膜細胞のアポトーシスを増加させることがわかった。これらの増殖因子の阻害は血管新生を減少させることが示されており、血管新生におけるNRP-1の役割のさらなる証拠となり、増殖性疾患の治療における潜在的なターゲットとして貢献している[29]。
喘息患者の喀痰および気管支肺胞洗浄液中のNRP-1レベルは、非喘息対照群と比較して有意に上昇していることが判明した[30]。NRP-1を標的とすることは、アレルギー性疾患の管理に利用できると提案されている[30]。NRP-1のユビキタス性は、多くの異なるシステムや疾患に関与しているが、血管新生と炎症反応の修飾という共通のテーマは不変である。現時点で不明なのは、COVID-19におけるNRP-1の関与およびアップレギュレーションが、血管新生および/または免疫機能の障害を伴う長期的な結果につながるかどうかである。
神経細胞の発現と機能
NRP-1は呼吸器上皮および嗅覚上皮に豊富に存在し、これらの上皮におけるSARS-CoV-2の感染性、および嗅球を介した中枢神経系への伝播経路の可能性を説明することができるかもしれない[1]。
NRP-1は軸索誘導および剪定において中心的な役割を果たしており、特に神経系および血管系の両方で広く見られるタンパク質であるセマフォリン-3A（SEMA3A）との相互作用を介している [16,31]。脊髄損傷後に代償性ニューロン経路が形成されると [16]、プレキシンはNRP-1とともにシグナル伝達物質として作用し、脊髄損傷後の運動野ではNRP-1がアップレギュレートされる。NRP-1をブロックすると、中枢神経系内の代償性神経回路の軸索の剪定が抑制され、細胞内シグナル伝達におけるNRP-1の重要な役割と、脊髄損傷後の運動機能回復におけるその役割がさらに強調されることになる[16]。この剪定は、感覚機能にとっても重要である。マウス胚の蝸牛でNRP-1の発現を制限すると、生後のマウスでは神経細胞が乱れ、難聴が徐々に悪化することが示された[31]。嗅覚に関しては、NRP-1は、低性腺症と無嗅覚を特徴とする先天性疾患であるコールマン症候群に関与していると考えられている。NRP-1とSEMA3Aとの相互作用の誤作動によって引き起こされる軸索誘導の障害は、この症候群の発症につながる[3,32,33]。COVID-19がアノスミア（嗅覚脱失）と顕著な関連を持つことを考えると、この最後の例はSARS-CoV-2の文脈において最も興味深いものである。
アノスミア
嗅覚機能障害であるアノスミア（嗅覚脱失）は多くの上気道疾患で見られる症状であるが [34]、その症状はSARS-CoV-2に特有のものである。SARS-CoV-2では、鼻の炎症や鼻汁を伴うのではなく、他の症状を伴わずに無鼻症が起こることがある[35]。この現象に対する十分な科学的説明は現在のところ存在しない。
Brannらは、ACE2受容体はニューロンには存在しないため、SARS-CoV-2に関連した無感覚症はニューロンには関与しないという仮説を立てている[36]。もう一つの仮説は、SARS-CoV-2がACE2を侵入させることで嗅細胞にダメージを与えるというものである[37-39]。しかし、これには1つの問題がある。ACE2は嗅細胞ではあまり発現していない[1,40]。ACE2は鼻腔内のオリゴデンドロサイト、杯細胞、上皮細胞などの細胞には存在するが、広くは存在しない。また、ACE2は、SARS-CoV-2が嗅神経細胞そのものに浸潤するメカニズムを説明していない[1]。最近発表された研究では、SARS-CoV-2のニューロンへの侵入および感染には、ACE2に依存しない経路が存在する可能性が示唆されている[41]。そこで、我々は別のメカニズムを提案する。嗅細胞やニューロンへの SARS-CoV-2 の侵入は NRP-1 によって増強される。
NRP-1は、嗅上皮および嗅球に高発現しており、ACE2よりもはるかに多く発現している[1]。NRP-1は、限られた数の支持細胞で発現するのではなく、鼻腔内のほぼすべての細胞タイプで発現している。NRP-1は嗅覚ニューロンでさえも発現しており、SARS-CoV-2がこれらの細胞に入り込み、嗅覚を混乱させる直接的な経路を与えている。この経路は、SARS-CoV-2がNRP-1を結合させるために使用するCendRモチーフを含むペプチドを嗅覚上皮に投与したマウスでモデル化した。わずか6時間以内に、これらのビリオンサイズのペプチドが嗅球の神経細胞で発見された。嗅覚異常は、別のSARS-CoV-2の後遺症、すなわちNRP-1による中枢神経系へのウイルスの浸潤の前兆である可能性さえある。COVID-19に罹患した患者の剖検では、鼻腔、嗅球、脳内嗅道のNRP-1陽性嗅細胞からSARS-CoV-2が検出された[1]。前述のマウス実験では、CendR含有ペプチドは嗅球の神経細胞だけでなく、脳のNRP-1陽性柔細胞にも認められた。SARS-CoV-2はACE2と結合するためにCendRモチーフを使用しないが、NRP-1と結合するためにCendRモチーフを使用する。
NRP-1は様々な嗅細胞で高発現しており、嗅神経細胞の維持に重要な役割を果たしていることから、ACE2と比較してアノスミア（嗅覚脱失）のメカニズムの有力な候補となっている[1]。また、コールマン症候群は、胎児期の神経細胞の発生異常から発生するが、成体の神経細胞の維持・再生には、同じNRP-1-SEMA3Aシグナル伝達経路が利用されている[42]ことから、潜在的な嗅覚障害に対する脆弱性を導入していると考えられる。
議論
SARS-CoV-2感染症とCOVID-19について知られていることが急速に変化している中で、最新の科学的進歩をより効果的な治療法と調和させることは賢明なことである。そのための一つの方法は、古い薬を再利用することである。例えば、NRP-1が侵入因子または増強因子として発見されたことで、NRP-1を標的とした薬剤への道が開かれたのである。しかし、このアプローチは、免疫抑制におけるNRP-1の役割と併せて考慮しなければならない。剖検により、COVID-19による死亡例に見られる臓器損傷における炎症の役割が明らかにされている[43]。NRP-1を標的とすることは、組織発現が広範囲に及ぶこと、免疫系を含む複数の身体系の関与、およびその潜在的な用量依存効果のため、注意深くモニタリングする必要があるだろう。