STAT3マウスモデルによる免疫および炎症研究

Cyagen Technical Content Team | August 16, 2025

Stat3ノックアウト（C57BL/6J Cyagen-Stat3em1/Cyagen）マウスモデル

Stat3-KO（C57BL/6JCya-Stat3em1/Cya）マウスモデル。主な遺伝的特徴：従来型Stat3ノックアウト。背景株：C57BL/6JCya。がんおよび線維化研究に適しています。このモデルの詳細については、こちらをご覧ください。

01. Mut-Stat3マウス 02. 最新研究進展 03. まとめ：STAT3トランスジェニックマウスモデルと今後の研究 04. 参考文献

Mut-Stat3マウス

STAT3の変異は常染色体優性型高IgE症候群（HIES）の原因となる。STAT3は免疫細胞において重要な役割を果たすため、造血幹細胞移植（HSCT）がこの疾患に対する合理的な治療戦略となる可能性がある。しかしながら、STAT3は造血細胞以外の細胞においても重要な機能を有しており、Stat3の全身的ノックアウトによる致死性のため、STAT3の多様な機能を解明することは困難である。^[1] したがって、HIESに対するHSCTの効果を予測することは難しい。

HIESに関連する造血細胞および非造血細胞におけるSTAT3の重要性を解明するため、Scott M. Steward-Tharpらは本疾患のマウスモデルを構築した。本研究では、これらのトランスジェニックマウスがHIESの複数の特徴を再現することを明らかにした。具体的には、血清IgEの上昇およびTh17細胞の生成不能が認められ、細菌感染に対する感受性が高かった。一方で、野生型骨髄を用いたHSCTにより感染症の症状は部分的に改善されたことから、上皮細胞がHIESの病態生理における重要な役割を果たしていることが示唆された。

mut-S3トランスジェニックマウスの作成

BACトランスジェニックは、マウスStat3遺伝子（RP24-236G5）を含む185-kbのマウスBACを用いて構築された。500 bp程度の相同領域を有する2つのアームを含む1-kbの構成要素を、pSV1-RecAシャトルベクターにリガスして、RP24-236G5 BACを発現するDH10B感受性細胞に導入した。適切な挿入を確認するため、相同構成要素の内部および外部に特異的なプライマーを用いてPCR解析を行った。この欠失領域は、Stat3のエクソン15の最後のコドンから始まり、エクソン16の5'端まで1,163 bpのDNA断片を含んでおり、エクソン15の残存7コドンに無害な変異を導入することで、WTおよび変異型トランスクリプトの特異的増幅を可能とした。^[1]

図1.人間のAD-HIESの主要な特徴を再現するマウスモデルの構築。RP24-236G5 BAC内のマウスStat3遺伝子の模式図。エクソン15およびエクソン16は、STAT3のDNA結合ドメインの一部をコードする。HIES患者で観察された変異に基づき、結合ドメイン内のバリン463を削除した（WTではPVVVI、変異型ではPVVI）。^[1]

STAT3のその他の機能

追加の解析から、STAT3は造血細胞および上皮細胞における機能を通じて宿主防御を維持し、炎症反応を制限する重要な役割を果たしていることが示された。^[2] 完全なStat3ノックアウト（ホモ接合体）マウス胚は胎内死亡を示すが、この点において、優性型のStat3変異を有する患者群の存在は予期せぬものであった。^[3] これにより、これらの患者の存在がSTAT3機能の不完全な障害に起因するのか、あるいは他の主要なサイトカインシグナル遺伝子（Jak3）と同様に種特異的な機能差異が存在するのかという疑問が提起された。^[4] この問題を解明するため、研究者たちはHIESの古典的多系統症状を再現するマウスモデルの構築に着手した。本研究では、STAT3のDNA結合活性に影響を与える患者由来の変異アレルをドミナントネガティブな形で発現させることで、HIESを再現した。^[3] 本モデルは、GermlineでのStat3完全ノックアウトとは対照的である。^[5] 現在の知見から、HIESはSTAT3機能の完全喪失ではなく、部分的な機能障害に起因する疾患であると考えられる。mut-Stat3マウスは、HIES患者に特徴的なTh17分化障害およびIgEの恒常的上昇といった複数の特徴を示した。

図2. mut-Stat3マウスにおけるB細胞発達の正常化および血清IgEの上昇。（A）mut-Stat3マウスおよびWTマウスの骨髄由来細胞を流式細胞術で解析。細胞群は以下のように定義された：プロ-B細胞（B220lowCD25−IgM−）、プリ-B細胞（B220lowCD25+IgM−）、未熟B細胞（Imm.：B220lowCD25−IgM+）、再循環B細胞（Rec.：B220hiIgM+）。上段はB220low細胞における割合、下段は骨髄あたりの細胞数を示す。N = 7、有意差なし（ns）：P > 0.05。死細胞はDAPI染色により除外した。（B）8〜15週齢のナイーブなWTおよびmut-Stat3マウスの血清免疫グロブリンレベルをELISAで測定（N = 23）。（C）WTおよびmut-Stat3マウスに、血清Schistosoma mansoni溶解卵抗原を腹腔内投与後3週間後に、同様の抗原特異的免疫グロブリンレベルをELISAで測定。代表的な結果を3回の独立実験より示した（各実験N = 4）。^[1]

最新研究進展

STAT3シグナルはマクロファージにおけるHIF1αの発現を支援する

Gun-Dong Kimら^[6]は、STAT3シグナルがマクロファージにおけるHIF1αおよび関連遺伝子発現の調節に寄与することを明らかにした。マクロファージにおけるHIF1α発現を支持するシグナル経路を同定するため、野生型マウスの骨髄由来マクロファージ（BMDM）をLPSまたはインターフェロン（IFN）-γでそれぞれ刺激し、全タンパク質抽出物をWesternブロット解析に用いた。

図3. STAT3シグナルはマクロファージにおける低酸素誘導性因子-1α（HIF1α）の発現を支援する。A–D：野生型マウス骨髄由来マクロファージ（BMDM）を100 ng/mLのLPSまたは10 ng/mLのIFN-γで0〜6時間刺激した。AおよびB：HIF1αタンパク質（A）およびmRNA（B）発現をWesternブロットおよびRT-qPCRで解析した。CおよびD：STAT1（C）およびSTAT3（D）の発現およびリン酸化状態をWesternブロットで解析した。E：野生型マウスBMDMをsiControl、siStat1、またはsiStat3のsiRNAでトランスフェクションした。その後、100 ng/mLのLPSまたは10 ng/mLのIFN-γで4時間刺激した。全タンパク質抽出物をWesternブロットで解析し、HIF1αタンパク質発現を評価した。FおよびG：野生型およびドミナントネガティブ型Stat3マウスBMDMを100 ng/mLのLPSまたは10 ng/mLのIFN-γで4時間刺激した。FおよびG：HIF1α mRNA（F）およびタンパク質（G）発現をRT-qPCRおよびWesternブロットで解析した。D–F：一元配置分散分析（ANOVA）を実施し、Bonferroni補正による多重比較検定を行った。値は平均±標準偏差（BおよびF）で示す。n = 4（C–G）。∗∗P < 0.01、∗∗∗P < 0.001。PBS：リン酸緩衝生理食塩水；pSTAT：リン酸化STAT。 ^[6]

図4. STAT3–低酸素誘導性因子-1α（HIF1α）軸はマクロファージにおける炎症性遺伝子発現を調節する。A：RAW264.7細胞にHIF1αプロモーター駆動型ルシフェラーゼレポーター構成体を導入し、コントロールまたはStat3特異的siRNAを併用した。その後、LPSまたはIFN-γで6時間刺激し、細胞抽出物のルシフェラーゼ活性を解析した。B：野生型マウス骨髄由来マクロファージをLPSまたはIFN-γで4時間刺激し、抗STAT3抗体を用いた染色体免疫沈降（ChIP）解析によりHif1αプロモーター（−1041〜−1051）にSTAT3の結合を評価した。C–F：RAW264.7細胞にStat3特異的siRNAまたは酸素安定型ΔHIF1αプラスミドをコトランスフェクションし、100 ng/mLのLPSで5時間刺激した。C–F：この実験から得られた全RNAをRT-qPCRで解析し、Il1α（C）、Il1β（D）、Icam1（E）、Serpine1（F）の発現を評価した。データは一元配置分散分析（ANOVA）を実施し、Bonferroni補正による多重比較検定を行った。値は平均±標準偏差（A–F）で示す。n = 3（AおよびB）；n = 4（C–F）。∗∗P < 0.01、∗∗∗P < 0.001。PBS：リン酸緩衝生理食塩水。 ^[6]

まとめ：STAT3トランスジェニックマウスモデルと今後の研究

これまでの研究では、STAT3シグナルが血管平滑筋細胞（VSMC）の遊走および血管壁のリモデリングに関与していることが示されている。^[7-8] 本研究では、STAT3シグナルの阻害が、サイトカイン誘導によるHIF1αおよび関連遺伝子発現を低下させることを明らかにした。結論として、分子レベルでは、炎症性刺激物質はSTAT3シグナルを介してマクロファージにおけるHIF1α発現を上昇させる。さらに、STAT3シグナルの抑制は、マクロファージにおけるHIF1αおよび関連ターゲット遺伝子発現を顕著に低下させた。^[6]

Stat3マウスモデルの可能性と応用は無限に近い。本モデルは、常染色体優性型高IgE症候群（AD-HIES）、大顆粒リンパ球症（LGL）などに対する画期的な遺伝子治療アプローチを提供する。しかし、これらの驚異的な機能について、まだ多くのことが不明である。今後、マウスモデルの機能と臨床応用の可能性を深く理解することで、生命科学研究への影響はさらに拡大するだろう。

STAT3研究を支援するため、Cyagen MouseAtlasライブラリにはStat3ノックアウトマウスを収録しており、お客様のご要望に応じたカスタマイズサービスも提供可能です。

参考文献

[1] Steward-Tharp SM, Laurence A, Kanno Y, Kotlyar A, Villarino AV, Sciume G, Kuchen S, Resch W, Wohlfert EA, Jiang K, Hirahara K, Vahedi G, Sun HW, Feigenbaum L, Milner JD, Holland SM, Casellas R, Powrie F, O'Shea JJ. A mouse model of HIES reveals pro- and anti-inflammatory functions of STAT3. Blood. 2014 May 8;123(19):2978-87. doi: 10.1182/blood-2013-09-523167. Epub 2014 Mar 14. PMID: 24632714; PMCID: PMC4014840.

[2] Murray PJ. Understanding and exploiting the endogenous interleukin-10/STAT3-mediated anti-inflammatory response. Curr Opin Pharmacol. 2006 Aug;6(4):379-86. doi: 10.1016/j.coph.2006.01.010. Epub 2006 May 18. PMID: 16713356.

[3] Minegishi Y, Saito M, Tsuchiya S, Tsuge I, Takada H, Hara T, Kawamura N, Ariga T, Pasic S, Stojkovic O, Metin A, Karasuyama H. Dominant-negative mutations in the DNA-binding domain of STAT3 cause hyper-IgE syndrome. Nature. 2007 Aug 30;448(7157):1058-62. doi: 10.1038/nature06096. Epub 2007 Aug 5. PMID: 17676033.

[4] O'Shea JJ, Husa M, Li D, Hofmann SR, Watford W, Roberts JL, Buckley RH, Changelian P, Candotti F. Jak3 and the pathogenesis of severe combined immunodeficiency. Mol Immunol. 2004 Jul;41(6-7):727-37. doi: 10.1016/j.molimm.2004.04.014. PMID: 15220007.

[5] Takeda K, Noguchi K, Shi W, Tanaka T, Matsumoto M, Yoshida N, Kishimoto T, Akira S. Targeted disruption of the mouse Stat3 gene leads to early embryonic lethality. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997 Apr 15;94(8):3801-4. doi: 10.1073/pnas.94.8.3801. PMID: 9108058; PMCID: PMC20521.

[6] Kim GD, Ng HP, Chan ER, Mahabeleshwar GH. Macrophage-Hypoxia-Inducible Factor-1α Signaling in Carotid Artery Stenosis. Am J Pathol. 2021 Jun;191(6):1118-1134. doi: 10.1016/j.ajpath.2021.03.008. Epub 2021 Mar 19. PMID: 33753024; PMCID: PMC8176143.

[7] Potula HS, Wang D, Quyen DV, Singh NK, Kundumani-Sridharan V, Karpurapu M, Park EA, Glasgow WC, Rao GN. Src-dependent STAT-3-mediated expression of monocyte chemoattractant protein-1 is required for 15(S)-hydroxyeicosatetraenoic acid-induced vascular smooth muscle cell migration. J Biol Chem. 2009 Nov 6;284(45):31142-55. doi: 10.1074/jbc.M109.012526. Epub 2009 Sep 7. PMID: 19736311; PMCID: PMC2781513.

[8] Singh NK, Wang D, Kundumani-Sridharan V, Van Quyen D, Niu J, Rao GN. 15-Lipoxygenase-1-enhanced Src-Janus kinase 2-signal transducer and activator of transcription 3 stimulation and monocyte chemoattractant protein-1 expression require redox-sensitive activation of epidermal growth factor receptor in vascular wall remodeling. J Biol Chem. 2011 Jun 24;286(25):22478-88. doi: 10.1074/jbc.M111.225060. Epub 2011 May 2. PMID: 21536676; PMCID: PMC3121393.

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