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FCAA

コンドロイチン硫酸欠損マウス

illustration

紙面の制約上、コンドロイチン硫酸(CS)鎖の生合成に関与する個々の酵素の遺伝子名、別名、触媒作用などの詳細については、本シリーズの「コンドロイチン硫酸/デルマタン硫酸の生合成機構」および「グリコサミノグリカン結合領域の生合成機構(近日公開予定)」や総説(1, 2)を参照されたい。また、本文中に記載した各ノックアウト(KO)マウスの原著論文(7-26)については、表1にまとめた。

線虫におけるコンドロイチン合成酵素(ChSy)の同定が、CS鎖の生体内における重要性を直接的に示した最初の証拠となった(3, 4)。線虫のChSyは、産卵孔にあたる陰門形成の乱れや受精卵の細胞質分裂異常を示すsqv変異体の原因遺伝子であることが判明している(「線虫のグリコサミノグリカン」の項参照)。マウスにおいても、CS鎖とヘパラン硫酸(HS)鎖の2種類の硫酸化グリコサミノグリカンが完全に欠失したGlcAT-I欠損胚は、細胞質分裂異常により、8細胞期前に死に至る(7)。細菌由来のCS分解酵素であるコンドロイチナーゼABCにより、野生型の2細胞期胚のCS鎖を選択的に除去した場合でも、同様の異常が再現されることから、こうした初期胚の異常な表現型は、主にCS鎖の欠損が原因であると考えられる(7)。

GlcAT-I欠損マウスとは対照的に、CS鎖の糖鎖骨格の生合成に関与する4種の酵素(ChSy-1、ChPF、ChGn-1、ChGn-2)のシングルKOマウスでは、いずれもCS鎖の産生レベルの低下と、アンバランスな硫酸化状態などが見受けられるが、胎生致死ではなく、生存可能で、正常に繁殖する(8, 11-13, 15, 16)。このような一見矛盾した結果は、CS鎖の糖鎖骨格合成に関わる酵素群が互いに機能を代償し合っているためであろう。しかしながら、ChSy-1 KOマウスやChGn-1 KOマウスでは、軽微な骨格異常(軟骨形成異常、骨密度の低下、指のパターン形成異常、頭蓋顔面奇形など)も見受けられる(8, 12, 13, 15)。こうした骨格異常は、CSプロテオグリカンが軟骨組織に豊富に存在することからも極めてもっともらしい表現型である。実際、ChGn-1およびChGn-2を軟骨特異的にダブルKOしたマウスでは、劇的にCS鎖が減少すると共に、より重篤な変形性骨格異常を呈し、全身性にダブルKOした場合には、出生後に死亡する(16)。最近、ゲノム編集技術により作出されたChSy-3 KOマウスが椎間板変性症状を呈することも報告された(10)。さらに、ChSy-1が慢性炎症や神経変性などの老化促進症状や老化関連疾患症状を呈する自然発症変異マウスの原因遺伝子であることが判明した(9)。興味深いことに、中枢神経系損傷後の軸索再生過程におけるCS鎖の阻害効果(14)や、心不全発症の急性期において、CS 鎖が心筋細胞を保護するはたらきがあるという知見(17)が、それぞれChGn-1 KOおよびChGn-2 KOマウスを用いた研究から証明されている。

CS鎖の糖鎖骨格は、構成二糖ユニットの様々な位置で硫酸化される。位置特異的な硫酸化は、それぞれC4ST-1や、C6ST-1、GalNAc4S-6STといった多様な硫酸基転移酵素のはたらきにより厳密に制御される(本シリーズ「コンドロイチン硫酸/デルマタン硫酸の生合成機構」を参照)。ジーントラップ法により得られたC4ST-1のKOマウスは、4-O-硫酸化CS鎖の顕著な減少と、重篤な軟骨形成異常を呈し、呼吸困難により生後まもなく死に至る(18)。対照的に、C6ST-1 KOマウスについて記載した最初の論文では、脾臓におけるナイーブTリンパ球数の顕著な減少を除いて、大きな異常はないと結論づけられている(19)。しかしながら、最近の研究から、C6ST-1 KOによって角化細胞の過剰な増殖に加え、皮膚透過性が障害されることがわかった(20)。また興味深いことに、6-O-硫酸化CS鎖の産生量が相対的に多いC6ST-1トランスジェニックマウスでは、成体期においても若齢期に見られる眼優位神経可塑性が維持されていること(5)、また骨密度が相対的に高い傾向にあることが見出されている(6)。GalNAc4S-6ST KOマウスでは、ジ硫酸化二糖単位であるGlcA-GalNAc(4,6-O-ジ硫酸)(E ユニット)を完全に欠失したCS鎖が得られるが、骨髄由来マスト細胞におけるプロテアーゼ活性の減弱を除き、明確な発達異常は観察されない(21)。しかしながら、その後の詳細な解析から、骨芽細胞の分化不全によって骨密度が顕著に低下していることが判明している(22)。これらの知見は、CS鎖における特異的な硫酸化構造が、生理的に重要であることを強く示唆する。

興味深いことに、CS鎖をその構造異性体であるデルマタン硫酸へ転換するはたらきを担う2つの特異的酵素(D4ST-1およびDS-epi1)のKOマウスは、体が小さく、生存率や生殖能が低く、皮膚の脆弱性が高い(23, 24)。ヒトにおけるD4ST-1およびDS-epi1の変異は、筋拘縮型エーラス・ダンロス症候群の原因であり、当該患者で観察される表現型とKOマウスの表現型はよく似ている。DS-epi2のシングルKOは、マウスの発達に大きな影響を与えないが(25)、DS-epi1およびDS-epi2のダブルKOマウスは、発生異常を呈し、多くが新生仔の段階で死亡する(26)(「デルマタン硫酸欠損マウス」の項参照)

三上 雅久、北川 裕之(神戸薬科大学 生化学研究室)

References
(1) Mikami T, Kitagawa H: Biosynthesis and function of chondroitin sulfate. Biochim. Biophys. Acta 1830, 4719-4733, 2013
(2) Mikami T, Kitagawa H: Biosynthesis and Degradation of Glycans of the Extracellular Matrix: Sulfated Glycosaminoglycans, Hyaluronan, and Matriglycan. In: Barchi J (ed) Comprehensive Glycoscience, 2nd Edn. 3, 29-62, Elsevier, Amsterdam, 2021
(3) Hwang HY, Olson SK, Esko JD, Horvitz HR: Caenorhabditis elegans early embryogenesis and vulval morphogenesis require chondroitin biosynthesis. Nature 423, 439-443, 2003
(4) Mizuguchi S, Uyama T, Kitagawa H, Nomura KH, Dejima K, Gengyo-Ando K, Mitani S, Sugahara K, Nomura K: Chondroitin proteoglycans are involved in cell division of Caenorhabditis elegans. Nature 423, 443-448, 2003
(5) Miyata S, Komatsu Y, Yoshimura Y, Taya C, Kitagawa H: Persistent cortical plasticity by upregulation of chondroitin 6-sulfation. Nat. Neurosci. 15, 414-22, 2012
(6) Koike T, Mikami T, Tamura JI, Kitagawa H: Altered sulfation status of FAM20C-dependent chondroitin sulfate is associated with osteosclerotic bone dysplasia. Nat. Commun. 13, 7952, 2022


表 1. コンドロイチン硫酸生合成酵素の遺伝子欠損マウスに関する参考文献

酵素 原著論文
GlcAT-I
(7)Izumikawa T, Kanagawa N, Watamoto Y, Okada M, Saeki M, Sakano M, Sugahara K, Sugihara K, Asano M, Kitagawa H: Impairment of embryonic cell division and glycosaminoglycan biosynthesis in glucuronyltransferase-I-deficient mice. J. Biol. Chem. 285, 12190-12196, 2010
ChSy-1
(8)Wilson DG, Phamluong K, Lin WY, Barck K, Carano RA, Diehl L, Peterson AS, Martin F, Solloway MJ: Chondroitin sulfate synthase 1 (Chsy1) is required for bone development and digit patterning. Dev. Biol. 363, 413-425, 2012
(9)Macke EL, Henningsen E, Jessen E, Zumwalde NA, Landowski M, Western DE, Lee WH, Liu C, Gruenke NP, Doebley AL, Miller S, Pattnaik B, Ikeda S, Gumperz JE, Ikeda A. Loss of Chondroitin Sulfate Modification Causes Inflammation and Neurodegeneration in skt Mice. Genetics 214, 121-134, 2020
ChSy-3
(10)Wei L, Cao P, Xu C, Zhong H, Wang X, Bai M, Hu B, Wang R, Liu N, Tian Y, Chen H, Li J, Yuan W: Chondroitin synthase-3 regulates nucleus pulposus degeneration through actin-induced YAP signaling. FASEB J. 34, 16581-16600, 2020
ChPF
(11)Ogawa H, Hatano S, Sugiura N, Nagai N, Sato T, Shimizu K, Kimata K, Narimatsu H, Watanabe H: Chondroitin sulfate synthase-2 is necessary for chain extension of chondroitin sulfate but not critical for skeletal development. PLoS One 7, e43806, 2012
ChGn-1
(12)Watanabe Y, Takeuchi K, Higa Onaga S, Sato M, Tsujita M, Abe M, Natsume R, Li M, Furuichi T, Saeki M, Izumikawa T, Hasegawa A, Yokoyama M, Ikegawa S, Sakimura K, Amizuka N, Kitagawa H, Igarashi M: Chondroitin sulfate N-acetylgalactosaminyltransferase-1 is required for normal cartilage development. Biochem. J. 432, 47-55, 2010
(13)Sato T, Kudo T, Ikehara Y, Ogawa H, Hirano T, Kiyohara K, Hagiwara K, Togayachi A, Ema M, Takahashi S, Kimata K, Watanabe H, Narimatsu H: Chondroitin sulfate N-acetylgalactosaminyltransferase 1 is necessary for normal endochondral ossification and aggrecan metabolism. J. Biol. Chem. 286, 5803-5812, 2011
(14)Takeuchi K, Yoshioka N, Higa Onaga S, Watanabe Y, Miyata S, Wada Y, Kudo C, Okada M, Ohko K, Oda K, Sato T, Yokoyama M, Matsushita N, Nakamura M, Okano H, Sakimura K, Kawano H, Kitagawa H, Igarashi M: Chondroitin sulphate N-acetylgalactosaminyl-transferase-1 inhibits recovery from neural injury. Nat. Commun. 4, 2740, 2013
(15)Ida-Yonemochi H, Morita W, Sugiura N, Kawakami R, Morioka Y, Takeuchi Y, Sato T, Shibata S, Watanabe H, Imamura T, Igarashi M, Ohshima H, Takeuchi K: Craniofacial abnormality with skeletal dysplasia in mice lacking chondroitin sulfate N-acetylgalactosaminyltransferase-1. Sci. Rep. 8, 17134, 2018
ChGn-2
(16)Shimbo M, Suzuki R, Fuseya S, Sato T, Kiyohara K, Hagiwara K, Okada R, Wakui H, Tsunakawa Y, Watanabe H, Kimata K, Narimatsu H, Kudo T, Takahashi S: Postnatal lethality and chondrodysplasia in mice lacking both chondroitin sulfate N-acetylgalactosaminyltransferase-1 and -2. PLoS One 12, e0190333, 2017
(17)Haryono A, Ikeda K, Nugroho DB, Ogata T, Tsuji Y, Matoba S, Moriwaki K, Kitagawa H, Igarashi M, Hirata KI, Emoto N: ChGn-2 Plays a Cardioprotective Role in Heart Failure Caused by Acute Pressure Overload. J. Am. Heart Assoc. 11, e023401, 2022
ChGn-1
ChGn-2

(double KO, cartilage-specific)
(16)Shimbo M, Suzuki R, Fuseya S, Sato T, Kiyohara K, Hagiwara K, Okada R, Wakui H, Tsunakawa Y, Watanabe H, Kimata K, Narimatsu H, Kudo T, Takahashi S: Postnatal lethality and chondrodysplasia in mice lacking both chondroitin sulfate N-acetylgalactosaminyltransferase-1 and -2. PLoS One 12, e0190333, 2017
C4ST-1
(18)Klüppel M, Wight TN, Chan C, Hinek A, Wrana JL: Maintenance of chondroitin sulfation balance by chondroitin-4-sulfotransferase 1 is required for chondrocyte development and growth factor signaling during cartilage morphogenesis. Development 132, 3989-4003, 2005
C6ST-1
(19)Uchimura K, Kadomatsu K, Nishimura H, Muramatsu H, Nakamura E, Kurosawa N, Habuchi O, El-Fasakhany FM, Yoshikai Y, Muramatsu T: Functional analysis of the chondroitin 6-sulfotransferase gene in relation to lymphocyte subpopulations, brain development, and oversulfated chondroitin sulfates. J. Biol. Chem. 277, 1443-1450, 2002
(20)Kitazawa K, Nadanaka S, Kadomatsu K, Kitagawa H: Chondroitin 6-sulfate represses keratinocyte proliferation in mouse skin, which is associated with psoriasis. Commun. Biol. 4, 114, 2021
GalNAc4S-6ST
(21)Ohtake-Niimi S, Kondo S, Ito T, Kakehi S, Ohta T, Habuchi H, Kimata K, Habuchi O: Mice deficient in N-acetylgalactosamine 4-sulfate 6-O-sulfotransferase are unable to synthesize chondroitin/dermatan sulfate containing N-acetylgalactosamine 4,6-bissulfate residues and exhibit decreased protease activity in bone marrow-derived mast cells. J. Biol. Chem. 285, 20793-20805, 2010
(22)Koike T, Mikami T, Shida M, Habuchi O, Kitagawa H: Chondroitin sulfate-E mediates estrogen-induced osteoanabolism. Sci. Rep. 5, 8994, 2015
D4ST-1
(23)Akyüz N, Rost S, Mehanna A, Bian S, Loers G, Oezen I, Mishra B, Hoffmann K, Guseva D, Laczynska E, Irintchev A, Jakovcevski I, Schachner M: Dermatan 4-O-sulfotransferase1 ablation accelerates peripheral nerve regeneration. Exp. Neurol. 247, 517-530, 2013
DS-epi1 (DSE)
(24)Maccarana M, Kalamajski S, Kongsgaard M, Magnusson SP, Oldberg A, Malmström A: Dermatan sulfate epimerase 1-deficient mice have reduced content and changed distribution of iduronic acids in dermatan sulfate and an altered collagen structure in skin. Mol. Cell. Biol. 29, 5517-5528, 2009
DS-epi2 (DSEL)
(25)Bartolini B, Thelin MA, Rauch U, Feinstein R, Oldberg A, Malmström A, Maccarana M: Mouse development is not obviously affected by the absence of dermatan sulfate epimerase 2 in spite of a modified brain dermatan sulfate composition. Glycobiology 22, 1007-1016, 2012
DS-epi1
DS-epi2

(double KO)
(26)Stachtea XN, Tykesson E, van Kuppevelt TH, Feinstein R, Malmström A, Reijmers RM, Maccarana M. Dermatan Sulfate-Free Mice Display Embryological Defects and Are Neonatal Lethal Despite Normal Lymphoid and Non-Lymphoid Organogenesis. PLoS One 10, e0140279, 2015

2023年 6月15日

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