疾患動物モデルは人類疾患の発生発展メカニズムの研究、薬物選別及び治療効果評価に必要なツールであり、良い疾患動物モデルは新薬の研究開発を加速することもできます。まだマウスモデルの選択と構築に悩んでいますか？サイヤジェンの新しいコラム「Weekly Research Model」は掲載されました。毎週月曜日に更新し、1つの疾患マウスモデルの物語を語り、皆様が異なる疾患マウスモデルを理解することにお役に立てれば幸いです。

本日ご紹介するのは、Igf1rノックアウトマウスです。

Igf1r 遺伝子とは：

インスリン様成長因子1受容体、この受容体は、インスリン様成長因子と高親和性で結合します。それは、チロシンキナーゼ活性を有します。インスリン様成長因子1受容体は、形質転換イベントにおいて重要な役割を果たしています。この遺伝子は、タンパク質前駆体の開裂によって生成されたαサブユニットおよびβサブユニットをコードします。ほとんどの悪性組織で過剰発現しており、細胞の生存率を高めることで抗アポトーシスの役割を果たしています。2つのαサブユニットと2つのβサブユニットはIGF−1受容体を構成し、α鎖は細胞外に位置し、βサブユニットは細胞膜を越えてリガンド刺激時の細胞内シグナル伝達が担っています。

図1. IGF-1Rの活性化と調節：IGFリガンド、IGF-1またはIGF-2は、IGF-1Rおよびその下流の信号を活性化する^[1]

Igf1r ノックアウトマウスモデルとは：

KOマウス（全身性ノックアウトマウス）とは

Liu et alは相同組換えにより、Igf1rノックアウトマウスモデルを構築します。ホモ接合型KOマウスは、出生時に呼吸不全で死亡し、重篤な成長不全（正常サイズの約45%）を示しました。Igf1r^-/-胚（筋肉を含む）では、全身の器官が低形成となり、骨化の発達が遅れます。また、中枢神経系と表皮では、正常からの逸脱が観察されました。^[2]

図2. Igf1r KOマウス表現型：(A）野生型(w)、ヘテロ接合体(h)およびホモ接合体(r)。ホモ接合体は大きさだけでなく、皮膚の外観も異なります。^[2]

Holzenberger et alはヘテロ接合型ノックアウトマウスを用いて寿命に関する研究を行った結果、Igf1r^+/-マウスの平均寿命は野生型マウスの平均寿命より26%長く、そのうちメスのIgf1r^+/-マウスの寿命は野生型の雌の寿命より33%長く、オスIgf1^+/-マウスの寿命は野生型のオスの寿命より16%長くなりました。長寿命のIgf1r^+/-マウスは、小人症を発症せず、エネルギー代謝が正常であり、栄養摂取量、身体活動量、生育力、繁殖力にも影響がありません。Igf1r^+/-マウスは、酸化ストレスに対してより強い抵抗力を示しました（酸化ストレスは老化の決定因子として知られています）。これらの結果は、IGF1R遺伝子が哺乳動物の寿命の中枢性調節因子である可能性を示しています。^[3]

図3. Igf1rヘテロ接合型マウスは、WTマウスと比較して寿命が延びています。^[3]

図4. Igf1rヘテロ接合型マウスの酸化ストレスに対する抵抗力はWTより強くなっています。パラコートの腹腔内投与により、酸化ストレスを誘発できます。雌の突然変異体ではストレスに対する抵抗力が高く、雄ではわずかな上昇にとどまりました。^[3]

CKOマウス（条件付きノックアウトマウス）とは：

Kulkarni et alは、Igf1r^flox/floxとIns2-Cre（β細胞特異的試験用マウス）を交配させ、β細胞でIgf1r遺伝子を特異的にノックアウトしたマウスモデルを作製し、ホモ接合型マウスは正常に生まれ、アダルトマウスになった後の生存状況はWTと同じです。これらのβ細胞特異性ホモ接合型ノックアウトマウスは、β細胞の正常な成長と発育を示しています。しかしβ細胞中のSlc2a2（Glut2とも呼ばれる）とGck（グルコキナーゼをコードする）の発現が低下し、それによって、グルコース刺激によるインスリン分泌の欠陥とグルコース耐性の低下を招きます。そのため、Igf1rは膵島β細胞の発育に対して重要ではないが、分化機能の制御に参与しています。

図5. β細胞特異的Igf1rホモ接合型ノックアウトマウスは、正常な膵島形態とインスリン含量を示していますが、グルコース刺激によるインスリン分泌減弱とIgf1介在をなくしたインスリン分泌抑制も示しています。βIgf1r^-/-と対照マウスから分離した膵島を一晩培養し、グルコースで刺激しました。対照膵島は濃度依存のインスリン分泌刺激を示しました。11.1mMグルコース濃度でインスリン分泌は約3倍増加しました。βIgf1r^−/−膵島の中で：5.5mMグルコース濃度では、刺激は検出されず、高めのグルコース濃度では、わずかな増加を示しました。100nM Igf1存在下で培養した膵島に対して、同様の実験を行いました。基底状態（5.5mM）とグルコース非存在下で、βIgf1r^-/-膵島は対照膵島よりも多くのインスリンを分泌し、βIgf1r^-/-膵島におけるIgf1の正常な抑制作用が低下していることを示しました。基礎分泌が高いにもかかわらず、グルコース刺激後、βIgf1r^-/-膵島のインスリン分泌は対照膵島より著しく低く、グルコース刺激性欠損が体内で観察される欠損に類似していることを示しました。^[4]

まとめ

インスリン様成長因子1型受容体（IGF1R）は、がんの発生の関連性が初めて発見されて以来と維持に重要な役割を果たしています。30年以上前に成長因子受容体とがん遺伝子の関連性が初めて発見されて以来、IGF-1Rを標的とすることは、大きな関心を集めています。IGFIRは、重要な発がん性タンパク質として、抗IGFIRモノクローナル抗体や小分子インヒビターなど、多くのIGFIRを標的とした薬剤の開発を促進してきました。しかし、現在、獲得性薬剤耐性と毒副作用を含むいくつかの欠点が報告されています。抗IGFIR製剤の内因性または適応性の耐性は厄介な障害であり、そのため、複雑なIGF/IGF-IRシグナルを標的とする戦略を調整し、臨床試験の教訓を学ぶ必要があります。^[5]

^{参考文献：}

(1) Yin M, Guan X, Liao Z, Wei Q. Insulin-like growth factor-1 receptor-targeted therapy for non-small cell lung cancer: a mini review. Am J Transl Res. 2009 Jan 30;1（2）:101-14. PMID: 19956424; PMCID: PMC2776317.

(2) Liu JP, Baker J, Perkins AS, Robertson EJ, Efstratiadis A. Mice carrying null mutations of the genes encoding insulin-like growth factor I （Igf-1） and type 1 IGF receptor （Igf1r）. Cell. 1993 Oct 8;75（1）:59-72. PMID: 8402901.

(3) Holzenberger M, Dupont J, Ducos B, Leneuve P, Géloën A, Even PC, Cervera P, Le Bouc Y. IGF-1 receptor regulates lifespan and resistance to oxidative stress in mice. Nature. 2003 Jan 9;421（6919）:182-7. doi: 10.1038/nature01298. Epub 2002 Dec 4. PMID: 12483226.

(4) Kulkarni RN, Holzenberger M, Shih DQ, Ozcan U, Stoffel M, Magnuson MA, Kahn CR. beta-cell-specific deletion of the Igf1 receptor leads to hyperinsulinemia and glucose intolerance but does not alter beta-cell mass. Nat Genet. 2002 May;31（1）:111-5. doi: 10.1038/ng872. Epub 2002 Apr 1. PMID: 11923875.

(5) Hua H, Kong Q, Yin J, Zhang J, Jiang Y. Insulin-like growth factor receptor signaling in tumorigenesis and drug resistance: a challenge for cancer therapy. J Hematol Oncol. 2020 Jun 3;13（1）:64. doi: 10.1186/s13045-020-00904-3. PMID: 32493414; PMCID: PMC7268628.

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