神経細胞ポリアミン輸送体 SLC45A4 は疼痛感受性を制御する

研究概要と背景

慢性疼痛は成人のおよそ5人に1人を悩ませており、生活の質を著しく低下させるだけでなく、重大な社会経済的負担をもたらし、世界的な障害原因の主要な一つとなっています。残念ながら、現在の治療法は有効性が限定的で忍容性にも課題があり、臨床ニーズを十分に満たしていません。侵害受容器の興奮性亢進が疼痛感作の重要な決定因子であると考えられている一方で、慢性疼痛の分子メカニズムはいまだ完全には解明されていません。

ポリアミン（プトレッシン Put、スペルミン Spm、スペルミジン Spd など）は内因性代謝物の一群であり、慢性疼痛の発症に関与することが示されています。炎症や関節リウマチなどの疼痛状態では、血清および組織中のポリアミン濃度が上昇します。げっ歯類の足部や脊髄腔内にポリアミンを投与すると疼痛行動が誘発される一方、その合成を阻害すると炎症性疼痛が軽減されます。しかし、神経系におけるポリアミン輸送を制御する機構は依然として不明です。

近年、オックスフォード大学主導の研究チームは、SLC45A4 が神経細胞におけるポリアミン輸送タンパク質として機能することを初めて明らかにし、さらにヒトの慢性疼痛との遺伝学的関連を見出しました。本研究成果は2025年8月20日に『Nature』誌に掲載され、神経細胞におけるポリアミン輸送が疼痛知覚に果たす役割を明確にするとともに、慢性疼痛治療に向けた新たな介入標的を提示しています。

研究材料と方法

本研究では、イギリスバイオバンク（UK Biobank）に登録された約13万人の欧州系参加者を対象に、慢性疼痛の強度データを用いた全ゲノム関連解析（GWAS）を実施しました。SLC45A4 変異と疼痛との関連を同定した後、その輸送活性を検証するために細胞放射性取り込み実験を行い、さらにクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いて SLC45A4 の構造解析を行いました。

その後、Slc45a4 遺伝子ノックアウト（KO）マウス（Cyagen Biosciences提供）を用い、行動学的試験によって疼痛感受性を評価しました。加えて、パッチクランプ法により、神経細胞の興奮性およびシナプス伝達機能を解析しました。

技術ロードマップ

研究結果

1．SLC45A4 の SNV はヒトの疼痛と関連する

慢性疼痛には明確な遺伝的要因が関与していることを踏まえ、研究者らはイギリスバイオバンクのデータを用いて全ゲノム関連解析（GWAS）を実施しました。その結果、疼痛の強度と関連する 29 種類の一塩基変異（SNV） が同定されました。
その後の解析では、溶質キャリア（SLC）トランスポーターをコードする SLC45A4 遺伝子座 に注目しましたが、その機能はこれまで明らかにされていませんでした。研究の結果、イントロン領域に位置する rs10625280 およびミスセンス変異 rs3739238 が疼痛の程度と有意に関連することが示されました。さらに、Million Veteran Program（MVP）および FinnGen のデータ解析により、これら 2 つの変異と疼痛との関連が検証されました。

2．SLC45A4 はポリアミン輸送タンパク質である

次に、研究者らは分子レベルで SLC45A4 の機能解析を行いました。先行研究では、SLC45A4 が糖輸送タンパク質である可能性が示唆されており、代謝関連解析からは GABA が基質候補として挙げられていました。しかし、GABA 投与や糖負荷条件下においても細胞内 GABA 濃度に安定した変化は認められず、GABA が直接の基質である可能性は低いと考えられました。

ポリアミン分解によって GABA が産生されることから、研究者らはアルギニン–オルニチン–ポリアミン経路における GABA 合成に関与する複数の代謝産物を解析しました。その結果、SLC45A4 欠損細胞では生物学的ポリアミンの細胞内濃度が有意に低下することが明らかになりました（図1）。
さらに、細胞放射性取り込み実験により、SLC45A4 はポリアミンに対して選択的な基質認識能を有し、特にプトレッシンおよびスペルミンに対する親和性が高く、次いでスペルミジンである ことが示されました（図1）。これらの結果から、SLC45A4 はポリアミン輸送タンパク質であることが示唆されました。

その後、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いてヒト SLC45A4 の構造解析を行いました。構造解析の結果、SLC45A4 は 12 本の膜貫通ヘリックスから構成され、主に主要促進輸送体（MFS）スーパーファミリーに特徴的な折りたたみ構造を示す ことが明らかになりました（図1）。
特筆すべき点として、第 6 および第 7 膜貫通ヘリックス間には約 25.5 kDa の細胞質ドメインが存在し、Arg414 と Gln462 の間で形成される「プラグ」構造により、輸送体は自己抑制状態にあると考えられました。さらに、Lys450 と Arg453 の側鎖間距離は約 5 Å と、基質であるプトレッシンおよびスペルミンの分子長に近く、ポリアミンがこれらの結合部位と相互作用する可能性が示唆されました（図1）。
これらの解析結果から、SLC45A4 はゲート不安定化機構を介してポリアミン輸送を促進する可能性 が示されました。

図1｜Plug 構造ドメインを有するポリアミン輸送タンパク質 SLC45A4［1］

3．SLC45A4 欠失は疼痛行動に影響を及ぼす

単一細胞 RNA 解析および RT-qPCR 解析の結果、Slc45a4 はマウス後根神経節（DRG）の感覚神経細胞において高発現していることが示された。DRG 切片の免疫染色解析により、疼痛受容器を含む DRG 神経細胞に SLC45A4 が発現していることが確認された（図2）。さらに、培養感覚神経細胞における SLC45A4 の過剰発現実験では、GFP 標識を介して SLC45A4 を DRG 神経細胞へ導入したところ、本タンパク質は細胞膜へ局在し、膜貫通型輸送体としての機能と一致する挙動を示した。

SLC45A4 の機能と疼痛知覚との関連を検討するため、研究者らは Slc45a4 ノックアウト（KO）マウス（Cyagen Biosciences提供）を作製した。これらのマウスは明らかな発育異常を示さなかったものの、発育早期から血中ポリアミン濃度および代謝組織に異常が認められた。Slc45a4 欠失は末梢感覚神経におけるポリアミン濃度の低下を引き起こし、DRG 内ポリアミンレベルの有意な減少が観察された（図2）。一方で、Slc45a4-KO マウスにおける感覚神経細胞の分布および皮膚神経線維密度は正常であった。

図2　Slc45a4 欠失はポリアミン代謝の破綻を引き起こす［1］

行動学的試験の結果、野生型マウスおよびヘテロ接合マウスと比較して、Slc45a4-KO マウスでは機械刺激に対する反応に変化は認められなかった。一方、48℃ または 50℃ の熱刺激に対しては、反応潜時の有意な延長が観察され、すなわち熱刺激に対する感受性の低下（熱鈍感）が示された（図3）。

また、温度勾配装置を用いてマウスの各温度領域における滞在時間を評価したところ、Slc45a4-KO マウスは高温領域をより選好する傾向を示した。これらの解析結果は、Slc45a4 欠失により熱覚符号化に異常が生じており、その異常は特異的に熱刺激に作用することを示唆している。

さらに、侵害刺激誘発性の疼痛行動を評価した結果、対照群と比較して Slc45a4-KO マウスでは第1相における回避行動が有意に減少していた（図3）。

図3　SLC45A4 は温度感受性および持続性疼痛に重要である［1］

4．SLC45A4 は侵害受容器の興奮性を調節する

疼痛調節における末梢機構を直接検討するため、研究者らは単離した感覚神経細胞に対してパッチクランプ解析を行い、特に主要な侵害受容器サブタイプである IB4 結合型（主に非ペプチド作動性神経細胞） および 非 IB4 結合型（主にペプチド作動性神経細胞） に着目した。

その結果、Slc45a4-KO マウスでは IB4⁺ 侵害受容器の機能は保たれていた一方で、IB4⁻ 侵害受容器における過剰興奮性が有意に低下していることが明らかとなった。さらに、皮膚–神経標本を用いた解析では、Slc45a4-KO マウスにおいて C 線維侵害受容器（C-MH） が有害刺激に対して示す発火頻度の低下が観察された。

これらの結果は、SLC45A4 が侵害受容器亜型の興奮性制御および神経興奮性調節において重要な役割を果たす ことを示している。

研究結論

本研究は、SLC45A4 がコードする神経細胞ポリアミン輸送タンパク質とヒトの疼痛との間に遺伝学的関連が存在することを示す、初めての有力な証拠を提示した。SLC45A4 は感覚神経細胞に発現しており、その機能欠失はマウスにおけるポリアミン恒常性を破綻させ、疼痛符号化および疼痛感受性の異常を引き起こす。さらに、Slc45a4-KO マウスでは、侵害刺激に応答する C 線維侵害受容器（C-MH） の興奮性が有意に低下することが示された。

これらの知見は、ポリアミン輸送システムに関する研究の空白を埋めるのみならず、慢性疼痛治療に向けた新たな分子標的を提供するものである。

論文情報

• Middleton, S.J., Markússon, S., Åkerlund, M. et al. SLC45A4 is a pain gene encoding a neuronal polyamine transporter. Nature (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09326-y