Science子刊：β5iは、心臓肥大化の進行における新たな役割を果たします

心臓肥大症と心不全の病態

病的な心臓肥大症は十分な治療を受けなければ、心不全を引き起こす。スタミナII(アンチエイジII)が処理した心筋細胞と肥大心臓では、免疫プロテアーゼの活性が著しいことがわかった。この作用は、心筋細胞や遺伝子組のラットにβ5iを通って、増幅されたと研究者は伝えた。これは、β5iが心臓肥大化における新たな作用を調節していることから、この活性を抑制することが、心臓肥大化に対する新しい治療法として利用可能である可能性を示している。

心不全はさまざまな心臓病の最後の段階であり、世界的に発病率と死亡率の主な原因の一つとなっている。慢性心不全の2つの特徴は、心臓が大きくなって心筋梗塞が進行することと、心筋収縮力が減少することである。心臓衰微の前兆として、心臓の肥厚は、長期的なストレス（慢性的なストレス、神経ホルモンの刺激など）に対する非常に固定的な反応である。

肥大型心筋症は一般に生理的または病的肥大に分けることができる。初期の肥大反応では心の出力量を維持することができる。初期段階での補償後、肥大成長が心臓機能の障害を引き起こすと、病的肥大とみなされる。

免疫プロテアーゼとβ5iの役割

これまでの研究結果により、多様な信号経路がタンパク質合成による心筋肥大を調節できることがわかっている。インスリン様成長因子1受容体（IGF1R）/PI3K/Akt、EGFR/MAPK、gp130/JAK/STAT3、Ca²⁺/calcineurin/NFAT経路などが活性化されることで心筋肥大が促進される。これらの経路を標的とした治療戦略は非常に有望である。

プロテアソーム-プロテアーゼシステム（UPS）は、細胞内のタンパク質分解の最も重要なメカニズムの一つである。UPSは真核生物の細胞内で、異常タンパク質や不要になったタンパク質を分解する主なルートを担っている。標準的な20Sプロテアーゼはβ1（PSMB6）、β2（PSMB7）、β5（PSMB5）のサブユニットから構成されるが、インターフェロン-γ（IFN-γ）の刺激により、β1i（LMP2/PSMB9）、β2i（MECL-1/PSMB10）、β5i（LMP7/PSMB8）がそれぞれを置き換えて「20S免疫プロテアーゼ」を形成する。

免疫プロテアーゼの主な機能は、MHCクラスI分子を介した抗原提示を改善することである。これにより、炎症性サイトカインの産生、T細胞の分化・生存、酸化ストレス応答、筋肉の恒常性など、多様な生物学的機能が制御される。

β5iの発現上昇と心不全患者への関連

李教授の研究によると、肥大化した心臓における免疫サブユニットβ5iの発現およびプロテアーゼ活性が著しく増加していることが判明した。このデータから、β5iはラットにおいてアンジオテンシンII（Ang II）が誘導する心房性ビブラートの調整にも関与していることが示された。しかし、β5iが心臓肥大化を直接制御する役割を果たすかは不明だった。

研究者は、Ang IIを用いて野生型（WT）マウスに急性心臓肥大を誘導し、心筋細胞におけるプロテアーゼ遺伝子の発現を網羅的に解析した。その結果、47のプロテアーゼ遺伝子のうち、特にβ5i（PSMB8/LMP7）の発現がAng II投与直後から顕著に上昇した。この発現上昇は定量的PCR（qPCR）でも確認された。

また、Ang II処理した心臓ではβ2i（PSMB10）のmRNAレベルも上昇したが、β5iほどではなかった。一方、標準サブユニット（β1、β2、β5）およびβ1iの発現に変化は見られなかった。新生ラット心筋細胞（NRCM）でも同様にβ5iの発現が増加し、2週間のAng II処理後にはマウス心臓でも明確な上昇が確認された。

図1

さらに、ヒト心不全（HF）患者の心臓組織を対象にβ5iとB型ナトリウムペプチド（BNP、HFマーカー）の発現を免疫組織化学的に検討したところ、HF群では正常心臓に比べてβ5iおよびBNPの発現が有意に高値を示した。HF患者の血清中におけるβ5iおよびプロテアーゼ活性も上昇しており、回帰分析によりそれらがHFの独立したリスク因子であることが示された。これらのことから、β5iは心臓肥大の制御において重要な役割を果たしている可能性が示された。

β5iノックアウトによる心筋肥大の抑制

β5iが心筋肥大に与える影響を調べるため、研究者はまずin vitro系でβ5iをノックダウンした。siRNAを用いてβ5iの発現を低下させたところ、Ang II誘導による心筋細胞の肥大およびANF・BNPの発現増加が抑制された。

これを裏付ける形で、Ang II処理したNRCMにad-β5iを導入すると、β5iの発現が2.3倍に増加し、心筋細胞のサイズおよびANF・BNPの発現が増大した。一方、β5iのsiRNAはAng II刺激後のAKTおよびERK1/2のリン酸化レベルを低下させた。ただし、β5iのノックダウンは基礎的な条件下では心筋細胞に影響を及ぼさなかった。

同様に、フェニルエフリン処理した心筋細胞でもβ5iノックダウンにより肥大およびANF発現が抑制された。これらの結果は、β5iの発現低下がin vitroにおいて心筋肥大を抑制することを示している。

β5iはオートファジー経路を介して心筋細胞のサイズを制御

β5iが心筋細胞のサイズをオートファジー経路を介して制御するかどうかを検証するため、研究者はsiRNAを用いてβ5iおよびATG5（オートファジー関連遺伝子）の発現を低下させた。siRNA-β5iおよびsiRNA-ATG5はそれぞれ目的のタンパク質の発現を低下させることに成功した。

β5iのノックダウンは、Ang II誘導による心筋細胞の肥大およびANF発現、ならびにAKTおよびERK1/2のリン酸化を抑制した。しかし、ATG5またはβ5i/ATG5の双方をノックダウンすることで、この抑制効果は完全に打ち消された。

さらに、オートファジー阻害剤クロロキンを用いた実験では、β5iのノックダウンによりATG5の発現が増加し、クロロキン処理でその効果が増強された。一方、siRNA-ATG5を導入した細胞では、β5iのノックダウンによる肥大抑制効果が消失した。クロロキン単独では、β5iノックダウンの抑制効果を回復できた。

以上の結果から、β5iの活性を阻害することでオートファジーが誘導され、心筋肥大が抑制されるが、オートファジーの阻害がその保護効果を逆転させることが示された。

ATG5依存的な心臓保護作用の解明

β5i欠損による心臓肥大抑制がATG5依存的かどうかを検証するため、研究者はWTおよびβ5i欠損（β5iKO）マウスにAAV9-siATG5を投与して心臓特異的にATG5をノックダウンした。3週間後、AAV9-siATG5は心臓内のATG5タンパク質を有意に低下させていた。

対照群と比較して、β5iKOマウスでは心臓機能が改善していたが、ATG5の発現を低下させるとその効果が消失した。β5iKOマウスではLC3-II/I比の上昇およびERK1/2の活性化が見られたが、ATG5をノックダウンすることでその効果が消失した。

これらのin vivoデータは、β5iKOがATG5の発現を上昇させることで肥大を抑制していることを示している。つまり、免疫プロテアーゼβ5iは、ATG5を分解することでオートファジーを抑制し、結果として心臓肥大および機能障害を引き起こすことが明らかになった。

図2

本研究により、免疫サブユニットβ5iが生理的肥大の再形成を促進する新たな調整因子として同定された。β5iはATG5を分解することでオートファジー活性を阻害し、心臓肥大と機能障害を引き起こす。これは、免疫プロテアーゼとオートファジーの間に補償的な関係が存在することを示している。今後、E3ユビキチン接続酵素を標的としたβ5iの阻害が、肥大性心疾患に対する新たな治療戦略となる可能性がある。

著者プロフィールと研究の意義

著者プロフィール

李汇華は中国大連医科大学公衆衛生学院長、心血管疾患研究所所長、教育部長江学者特別招聘教授であり、「中国国家エリート青年科学基金」受講者である。1998年に中国コンコルド医科大学で博士号を取得後、米国ウェイクフォレスト大学で研究を経て、北京コンコルド医学部、首都医科大学を経て2015年より大連医科大学で活動。数々の栄誉を受賞しており、「国家百万人の人材プロジェクト」選出、「中国華僑界の革新的人材貢献賞」などがある。

研究の方向性

心血管疾患（心筋梗塞、高血圧、不整脈など）の病理生理学的メカニズムの解明に注力。特に、ユビキチン・プロteイン修飾、免疫炎症、栄養代謝のアンバランスが心血管疾患に与える影響を研究している。

関連論文

The immunoproteasome catalytic β5i subunit regulates cardiac hypertrophy by targeting the autophagy protein ATG5 for degradation