システィックファイブロシス研究の進展に貢献する新規CFTR*F508delヒューマナイズ疾患モデル
嚢胞性線維症（CF）は、現在もなお深刻な遺伝性疾患であり、世界中で数万人が罹患しており、根本的な治療法は依然として存在しない。患者の85％以上がF508del変異を保有していることから、正確かつ信頼性の高い前臨床モデルの開発がこれまで以上に重要となっている。Cyagenが開発したB6-hCFTR*F508delヒューマナイズマウスモデルは、CFの病態を正確に再現する画期的な解決策を提供しており、新薬開発の加速と治療法の革新を実現するための強力な基盤となる。
この革新的なモデルがCF研究をどのように変革するか、その独自の機能を詳しくご紹介します。
嚢胞性線維症（CF）とは
嚢胞性線維症（CF）は、進行性で遺伝性の致死的疾患であり、主に白人集団に多く見られる。この疾患は、CFTR（Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator）遺伝子の変異により、粘稠な粘液の異常蓄積が引き起こされ、呼吸器系および消化器系に深刻な障害をもたらす。CFは、塩分と水分のバランスを乱すことで、気道や膵管を閉塞させる過剰な粘液の形成を引き起こし、呼吸困難、反復性肺感染症、膵不全、栄養不良などの症状を引き起こす。治療法の進展により患者の生存期間は延びてきたが、CFは依然として根本的な治療法のない慢性疾患であり、長期的な治療と管理が必要である。そのため、CFの根本的治療を目指した効果的な治療法の開発は極めて重要である。特に、85％以上のCF患者がF508del変異を保有しているため、この変異は治療開発の主要なターゲットとなっている。
図1. 嚢胞性線維症（CF）の主要な疾患症状。[1]
Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator：重要なイオンチャネルタンパク質
嚢胞性線維症トランスポーター（CFTR）は、肺、膵臓、汗腺など、体のさまざまな上皮組織において塩分と水分のバランスを維持する重要な膜貫通イオンチャネルタンパク質である。CFTRの主な機能は、塩化物イオンおよび重炭酸イオンを上皮細胞膜を介して輸送することであり、組織の水分バランスとpHを調節する。このプロセスはATP加水分解に依存し、他のイオンチャネルや輸送体の活性調節も可能である。[2]
CFTR遺伝子の変異、特にF508del変異は、塩化物イオンチャネル機能の異常を引き起こし、嚢胞性線維症を含む多様な疾患を引き起こす。この疾患は特に白人集団に多く、出生時における罹患率は1/2,500～1/1,800とされ、世界中で約9万人の患者が存在する。[2] CFの典型的な臨床像には、肺に粘稠な粘液の蓄積、頻発する呼吸器感染症、膵不全、および男性不妊（通常は輸精管閉塞に起因）が含まれる。
図2. CFTRゲート付きチャネルの構造変化は、生理的および薬理的調節の鍵となる。[3]
F508del（ΔF508）致病性変異
F508del（c.1521_1523delCTT）は、嚢胞性線維症における最も一般的な致病的変異であり、患者の85％以上が少なくとも1つのアレルにこの変異を保有しており、約40％は同型接合体である。[4-5] CFTRタンパク質は、生合成および折りたたみ過程において複雑なドメインの集合を経るが、F508del変異はCFTRタンパク質の1番目のヌクレオチド結合ドメイン（NBD1）におけるフェニルアラニン（F508）の欠失を引き起こし、タンパク質の誤折りたたみを招く。新しく合成されたCFTRタンパク質は、エンドプラズミックレチキュラム関連分解（ERAD）経路によって分解対象とされ、ユビキチン-プロテアソーム系（UPS）によって分解される。その結果、塩化物イオンチャネル機能の異常が生じ、慢性的な肺症状が持続する。[6] そのため、F508delはCF治療薬開発の主要なターゲットとなっている。
図3. 85％以上のがCF患者が少なくとも1つのF508del変異アレルを保有している。[5]
例えば、Vertex Pharmaceuticalsが開発したCFTRモジュレーターは、F508del-CFTR変異タンパク質の構造的安定性を向上させ、その分解を抑制し、細胞表面への発現と機能の改善を実現している。このCFTRタンパク質機能の改善により、患者の疾患表現型が緩和されている。[7-8] しかし、既存治療法の限界を克服するため、さらなる研究が不可欠である。
図4. 野生型CFTRタンパク質とF508del-CFTR変異タンパク質の構造、およびCFTRモジュレーターの作用機序。[9]
Cyagenの新規ヒューマナイズCFTRおよびヒューマナイズ点変異モデル
ヒューマナイズ点変異マウスモデルは、CF標的治療薬の前臨床in vivo評価において、より高い正確性を実現する。CF研究の進展を目指し、CyagenはB6-hCFTRおよびB6-hCFTR*F508delヒューマナイズマウスモデルを開発した。これらのマウスはCF関連の病態特徴を示し、CFTR-F508del変異を標的とした治療法の研究と評価に有効な強固なプラットフォームを提供している。
主な特徴：
- B6-hCFTRマウスモデル（製品番号：I001132）：マウス自身のCftr遺伝子の発現を認めず、ヒトCFTRの発現のみを示す。
- B6-hCFTR*F508delマウスモデル（製品番号：I001226）：F508del変異を有し、CFの病態と一致する表現型を示す。
ヒューマナイズCFTR遺伝子およびタンパク質発現の検証
研究により、B6-hCFTRおよびB6-hCFTR*F508delモデルは、肝臓、腸管、肺などの重要な組織においてヒトCFTRmRNAの発現を確認しており、マウス自身のCftr遺伝子は発現していないことが示された。
図5. ヒューマナイズCFTRマウスにおける体内での遺伝子発現。
CFTRタンパク質発現量
B6-hCFTRおよびB6-hCFTR*F508delマウスともにヒトCFTRタンパク質の発現を確認したが、後者の発現量は前者よりも顕著に低かった。特に、B6-hCFTR*F508delマウスにおけるCFTR発現量の低下は、ヒトF508del変異が引き起こす病態と一致している。
図6. マウスにおける体内でのCFTRタンパク質発現の比較。
腸管組織病理学的特徴および表現型解析
B6-hCFTR*F508delマウスは、杯細胞の増加、粘液の蓄積、腸壁の肥厚といったCFの特徴的な病理学的所見を示した。一方、B6-hCFTRマウスは軽度の組織変化にとどまり、野生型マウスは正常な組織構造を示した。これらの表現型は、本モデルがCFの病態メカニズムおよび治療法研究に有効であることを裏付けている。
図7. マウスにおける腸管組織病理学的特徴の比較。
概要
B6-hCFTRマウス（製品番号：I001132）およびB6-hCFTRF508delマウス（製品番号：I001226）は、ヒトCFTR遺伝子およびタンパク質の発現を成功裏に実現しており、マウス自身のCftr遺伝子は発現していない。これらのヒューマナイズマウスモデルがCF研究において優れた利点を有するのは以下の通りである。
- 発現パターン：B6-hCFTRF508delマウスにおけるヒトCFTR発現量は、B6-hCFTRマウスよりも顕著に低い。これはヒトF508del変異が引き起こす発現特性と一致している。
- 表現型：B6-hCFTRF508delマウスは、杯細胞の増加、粘液の蓄積、腸壁の肥厚といった顕著な病理学的特徴を示している。
これらのことから、B6-hCFTRおよびB6-hCFTRF508delマウスは、ヒトCFTR遺伝子およびタンパク質の発現において顕著な優位性を有し、ヒト嚢胞性線維症の病態を効率的に再現している。これらのモデルは以下の研究応用に最適である：
- CFTRタンパク質機能の解明
- ターゲット遺伝子編集標的薬剤のスクリーニングおよび検証
- CF治療の前臨床研究の推進
Cyagenは、神経疾患、代謝疾患、希少疾患を含む多様な研究分野で活用可能な、完全ヒューマナイズおよびヒューマナイズ点変異疾患モデルの開発も進めており、研究者ニーズに対応している。
参考文献
[1]Endres TM, Konstan MW. What Is Cystic Fibrosis? JAMA. 2022;327(2):191.
[2]Grasemann H, Ratjen F. Cystic Fibrosis. N Engl J Med. 2023 Nov 2;389(18):1693-1707.
[3]Levring J, Terry DS, Kilic Z, Fitzgerald G, Blanchard SC, Chen J. CFTR function, pathology and pharmacology at single-molecule resolution. Nature. 2023 Apr;616(7957):606-614.
[4]Ong T, Ramsey BW. Cystic Fibrosis: A Review. JAMA. 2023 Jun 6;329(21):1859-1871.
[5]Cystic Fibrosis Foundation. (2021). 2021 Patient Registry Annual Data Report. Retrieved December 12, 2024, from https://www.cff.org/sites/default/files/2021-11/Patient-Registry-Annual-Data-Report.pdf
[6]McDonald EF, Woods H, Smith ST, Kim M, Schoeder CT, Plate L, Meiler J. Structural Comparative Modeling of Multi-Domain F508del CFTR. Biomolecules. 2022 Mar 18;12(3):471.
[7]Carnovale V, Scialò F, Gelzo M, Iacotucci P, Amato F, Zarrilli F, Celardo A, Castaldo G, Corso G. Cystic Fibrosis Patients with F508del/Minimal Function Genotype: Laboratory and Nutritional Evaluations after One Year of Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor Treatment. J Clin Med. 2022 Nov 22;11(23):6900.
[8]Riepe C, Wąchalska M, Deol KK, Amaya AK, Porteus MH, Olzmann JA, Kopito RR. Small-molecule correctors divert CFTR-F508del from ERAD by stabilizing sequential folding states. Mol Biol Cell. 2024 Feb 1;35(2):ar15.
[9]Mall MA, Burgel PR, Castellani C, Davies JC, Salathe M, Taylor-Cousar JL. Cystic fibrosis. Nat Rev Dis Primers. 2024 Aug 8;10(1):53.
