ストレスの生化学 - tokushima u...stress trx hsp modulates map kinase cascade cytochrome c...

ストレスの生化学

環境変化に対する生物の適応反応

応答形式 対象 時間 調節機構

進化 種・属 年～億年 遺伝子の突然変異

免疫応答 個体 日～年 遺伝子の再構成

ストレス反応(狭義） 細胞・個体 分～時間 遺伝子の発現

（矢原一郎）

細胞のストレス応答

熱ショック応答

小胞体ストレス応答

低酸素応答（HIF, hypoxia inducible factor)

炎症反応（NF-κB, Nuclear factor κB)

酸化ストレス応答（NRF2,Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2)

DNA damage response

Immediate early gene response転写因子（c-Fos, c-Jun, c-Myc, AP-1, SP-1 etc.）

代表的な細胞のストレス応答

熱ショックタンパク質（Heat Shock Protein; HSP）

・ 細胞が熱、化学物質、虚血などのストレスにさらされた際に発現が上昇して

細胞を保護する一群のタンパク質。

・ 分子シャペロンとして機能し、ストレスタンパク質とも呼ばれる。

・ HSPはその分子量によりHsp60、Hsp70、Hsp90などのファミリーに分類。

・ HSPは細菌からヒトまで広く似た機能を持つことが知られており、

そのアミノ酸配列は生物の進化の過程においてよく保存されている。

hyperthermia/hypothermia

ischemia-reperfusion

hypoxia/hyperoxia

energy depletion

acidosis viral infection

reactive oxygen and nitrogen species

HSEstress-denaturedprotein

HSP

HSP mRNA

inactive HSP-HSF1complex

HSP HSF1

HSF1

HSF1

HSP

P

P

Nucleus

refoldedprotein

transactivation domain

leucine zipper

Hsp90

denaturedprotein

nGAAnnTTCnnGAAn(nTTCnnGAAnnTTCn)

HSEtranscription

HSEHsp70Hsp40

HSF1

DNA-binding domainnuclear localization domain

stress

nuclear membrane

HSF1 regulates heat shock response

HSF1; heat shock transcription factor1

HSE; heat shock element

分子シャペロン: 細胞内タンパク質の品質管理

新生タンパク質の折り畳み:

変性タンパク質の再折り畳み:

障害タンパク質の分解:

タンパク質の膜輸送:

100

80

60

40

20

00 5 10 15 20 (%)

Heat-treated cells

Control cells

Heat- and cycloheximide-

treated cells

Survival rate (%)

Concentrations of ethanol

Overexpression of HSP induces resistance to irritants

(Gastroenterology 1991)

Overexpression of HSP (Molecular Chaperones)

Hsp70, Hsp27, and Hsp90 can bind and modifyactivities of apoptosis-regulating molecules

Suppression of irritant-induced apoptosis

Stress resistance

How HSP protects cells ?

EGF receptor

RAF-1

MKK4MEK

ERK JNK

MKK3/6

p38

ASK1

MAPKAPK2

TRXSH SH

S S

Hsp 90

Hsp 70Hsp 70

Hsp 70

Hsp 27

Hsp 27

Ｐ

MAPKKK

MAPKK

MAPK

GROWTH, SURVIVE APOPTOSIS

ASK1

STRESS

TRX

HSP modulates MAP kinase cascade

cytochrome c

AIF

Apaf-1

procaspase 9

caspase 3

caspase 9

cytochrome closs of membrane

potential, swelling, PTP pore opening

Hsp 90

Hsp 60 Hsp 10Apaf-1

Hsp70Hsp 70

Hsp 70

DNA fragmentation

APOPTOSIS

APOPTOSOME

mitochondria

procaspase 3Smac/DIABLO

inhibition of apoptotic factors

Hsp 27 Hsp 27

Hsp 27Hsp 27

Inhibition of mitochondria-mediated apoptosis by HSP

release of proapoptotic

factors

Death Signals

Bip

p p

IRE1α / IRE1β

Bip

kinase domainribonucleasedomain

ATF 6denatured

protein

Bip

Bip

PERK

pp

CCAAT-N9-CCACGendoplasmic reticulum stress response element

(ERSE)

小胞体シャペロンの誘導

XBP1

mRNA splicing

eIF2α eIF2α p

タンパク質合成の抑制

小胞体(ER)ストレス反応

protease

denatured protein

BipHsp78(grp78)

kinase domain

核

細胞質

Bip

S1P/S2P

傷害タンパク質の分解と修復

ユビキチン・プロテアソーム

分子シャペロンストレス応答遺伝子

代謝・解毒関連遺伝子

抗酸化酵素遺伝子

抗ガン・解毒

細胞生存

抗酸化ストレス

NRF2依存性遺伝子 機能

NRF2を介する酸化ストレス応答

生体のストレス応答

視床下部海馬

下垂体

ACTH

サイトカイン

（－）

糖質コルチコイド

免疫細胞

ストレス反応は神経・内分泌・免疫系すべての反応

GR

副腎

交感神経中枢

CRH/AVP

カテコラミン

糖質コルチコイド

カテコラミン

（－） （－）

（－） （＋）

扁桃体脳室周囲器官

ペプチド アミノ酸配列 アミノ酸数 相同性

CRH （ヒト） SEEPPI SLDLTFHLLREVLEMARAEQLAQQAHSNRKLME I I 41 100%

CRH （ウシ） SQEPPI SLDLTFHLLREVLEMTKADQLAPQAHSNRKLLD IA 41 83%

ウロコルチン(UCN) DNPSLSI DLTFHLLRTLLE LARTQSQRERAEQNRI I FDSV 40 43%（ヒト）

ストレスコーピン関連ペプチド I VLSLDVPI GLLOI LLEQARARAAREQATTNARI LARV 38 34%(SRP) （ヒト）

ウロコルチン２(UCN2) V I LSLDVPI GLLRI LLEQARYKAARNQAATNAQI LAHV 38 34%（マウス）

ストレスコーピン(SCP) FTLSLDVPTN IMN LLFNIAKAKNLRAQAAANAHLMAQI 38 32%（ヒト）

ウロコルチン３(UCN3) FTLSLDVPTNIMN I LFN IDKAKNLRAKAAANAQLMAQI 38 26%

（マウス）

哺乳類のCRH様ペプチド

CRH ウロコルチン

(UCN, urocrtin)

ストレスコーピン

(SCP, stresscopin)ストレスコーピン関連ペプチド(SRP, stresscopin-related peptide)

1型CRHレセプター 2型CRHレセプター

視床下部・下垂体・副腎系活性化不安うつ食欲低下炎症反応

食欲亢進胃運動低下抗不安抗うつ血管拡張、血圧低下

CRH様ペプチドによるCRHレセプターの刺激とその作用

ストレス反応

グルココルチコイドレセプターミネラルコルチコイドレセプター

CRH-CRHR1, AVPウロコルチン-CRHR2

POMCACTHオピオイドメラノコルチン

副腎 コルチゾル

（早期のストレス惹起反応）CRH, CRHR1“闘争あるいは逃走”行動交感神経緊張ミネラルコルチコイドレセプター

（遅い終息反応）ウロコルチン, CRHR2コーピング、適応反応副交感神経グルココルチコイドレセプター

グルココルチコイド受容体(GR)とミネラルコルチコイド受容体(MR)によるストレス応答の調節

からだの問題４０～７０%

こころの問題２０～３９%

不明25%

一般診療における健康問題

（名古屋大学附属病院総合診療部）

ストレス

ストレスの評価方法

ストレッサー

個人の特性（生物学的特性）

ストレス反応

・ライフイベントの調査・日常苛立ちごとの調査

・心理テスト・性格判定テスト

・生理・生化学検査・臨床医学的検査

周りの支援質問紙による心理・行動解析

自律神経機能、血液や唾液のストレスマーカーの測定

（社会環境要因の解析）

生理反応（←

）

時間（→）

正常反応

活性期 回復期

ストレス

③反応不全

生理反応（←

）

②ネガテイブフィードバック不全

回復期なし

生理反応（←

）

時間（→） 時間（→）

①適応不全

生理反応（←

）

時間（→）

病気に結びつく病的ストレス反応

遺伝的因子と環境因子に基づく病的なストレス反応がある(McEwen BS. NEJM 1998)

視床下部 (PVN)海馬

下垂体

（－）

glucocorticoids

ACTH

IL-1, IL-6TNF-α, LIF

（＋）

（－）（－）

（－）

（＋）

glucocorticoids

免疫細胞

病的ストレス反応

GR

IL-18

生理反応（←

）

時間（→）

正常反応

活性期 回復期

ネガテイブフィードバック不全

回復期なし

生理反応（←

）

時間（→）反応不全

生理反応（←

）

時間（→）

ストレス

ストレス

ストレス

副腎

自律神経中枢

IL-6, IFN-γ

CRH/AVP

CA, Ach

ストレスに起因する疾患の発症

遺 伝 的 素 因

養 育 環 境

ストレッサー ストレス応答

病的ストレス応答

うつ病慢性疲労症候群喘息アトピー過敏性大腸炎その他

出生時体重胎内環境

（パーソナリテイ）

生物学的特性

個人の

進化がもたらしたヒトの特徴

• 人間の進化は胎児化の方向へ進んだ

• 幼形成熟：幼児形質を保持して

ゆっくりと成熟する

霊長類の脳の形成は養育環境に左右される

扁桃体前頭葉眼窩皮質 上側頭回

社会脳：社会知能（social intelligence）

を司る脳部位

（九州大学 神庭先生より）

3 15 24 (M)

・神経細胞は胎内で過形成２歳頃から減少

・シナプスの過形成は出生後に、視覚野では９ヶ月でピーク前頭葉では５歳でピーク

・神経の髄鞘化は胎生５ヶ月に始まり生涯続く

一過性の重複配置

自発性・誘導性神経活動

安定した神経回路

精神分析学 → 精神生物学

• （社会性動物である）霊長類の脳は、初期の愛着および後の社会化の結果として、行動制御が可能となる機構を獲得する。

• この方法以外に、（社会的な）脳を作り上げることはできない。

脳を作るもの＝遺伝子G X 環境E

進化が書き上げた遺伝子と遺伝子と交互作用する環境

可塑性 と その感受性（臨界期）が問題

γGE

HPA軸 プログラミング 分化 防御／ 維持／修飾 維持／修飾インキュベーション

グルココルチ ↑ 母親との隔離 ↑ ↑↑ うつ病 ↑ 認知障害 ↑コイド(GCs) 虐待 ↓ ↓↓ PTSD ↓ PTSD ↓

(Nature Rev Neurosci 2009)

ライフステージにおけるストレスと脳

胎児期 新生児・幼児期 思春期 成人 老年

自閉症 統合失調症・うつ病 認知症

こころの発達 生活習慣 サクセスフルエージング

神経細胞の増殖、ニューロンネットワーク形成、刈り込み、可塑性

・ セロトニントランスポータ―遺伝子(5HTT)-linked polymorphic region (5HTTLPR)のs型とｌ型：

Ｓ型はライフイベントストレスに高感受性 (Caspi A et al. Science 2003)

・ ドーパミンレセプター(DRD4とDRD2)の多型：両方を持っている場合には新規探求傾向

(Noble et al. Am J Med Genetics 1998)

・ モノアミンオキシダーゼＡ(MAOA)プロモーターの低活性型多型(男子)：悪い養育環境に高感受性、大人になってから反社会的行動

(Caspi A et al. Science 2002)

・胎児期と幼児期のストレス：思春期や大人になってからの視床下部・下垂体・副腎(HPA)軸の異常

(Welberg & Seckl. J Neuroendocrinol 2001)

遺伝子と環境の相互作用

ＣCCCCC AGCAT CCCCCC TGCA GCCCCCCC AGCAT CTCCCC TGCA l alleles allele

h5-HTT-linked polymorphic region

l 対立遺伝子の機能：転写活性が高い

l/l遺伝子型の特徴 ① 5-HTT再取り込みが高い② 5-HTT結合部位が多い③ 5-HTTmRNA濃度が高い

＊いずれもin vitroの研究

528 bp484 bp

Exon 1

Fig. 1. Results of multiple regression analyses estimating the association between number of stressful life events (between ages 21 and 26 years) and depression outcomes at age 26 as a

function of 5-HT T genotype.

A Caspi et al. Science 2003;301:386-389

Published by AAAS

Fig. 2. Results of regression analysis estimating the association between childhood maltreatment (between the ages of 3 and 11 years) and adult depression (ages 18 to 26), as a

function of 5-HT T genotype.

A Caspi et al. Science 2003;301:386-389

Published by AAAS

従来の神経症概念：心因性に生じる精神的あるいは身体的症状

生物学的な研究の進歩・生物学的治療の有効性

現在：心理的な要因や性格素因に加えて脳における形態、機能の変化が病態に影響しているのではないか？

OCD前頭眼窩面・前帯状回尾状核・視床の機能亢進

パニック障害側頭葉形態異常海馬、側頭葉の機能亢進

PTSD海馬の体積減少扁桃体の機能亢進前帯状回の機能低下

神経症性障害の画像研究

PTSDにおける海馬の体積減少

外傷体験の結果？生来の脆弱性か？Negative studyも多い

アルコール乱用・うつ病の合併の影響

VBM(voxel-based morphometry)法や機能画像研究による追試の必要性

PTSDのMRI所見（Lindauer et al）

ストレスが脳を傷つける

ストレスで死亡したミドリザルの海馬CA3錐体細胞の脱落

Uno et al., J Neurosci 89

ストレスで萎縮する神経細胞

Magarinos et al., J Neurosci 96

優位サルの威喝というストレス

ストレスによる神経新生の抑制

Tanapat et al., Int J Dev Neurosci 98

Stress, Inflammation, and Depression

”Inflammation and depression” theory・ The striking co-morbidity between major depression and diabetes, IHD, or cancer・ Therapeutic administration of IFN-α leads to depression in up to 50% of patients

Microbiota-Gut-Brain Axis

Gut–brain axis: how the microbiome influences anxiety and depressionCell, Volume 36, Issue 5, 2013, 305 - 312

Bidirectional communication between gut microbiotaand components of the gut–brain axis

ヒトの腸内には生体を構成する細胞の10倍の微生物が常在

常在細菌の全てのゲノムを合わせるとヒトゲノムの150倍

腸内微生物相は“忘れられた臓器”

barrier function

fat storage/energy balance

low-gradeinflammation

Microbiota-Gut-Brain Axis

behavior

stress reactivity

“mind-altering microorganisms”Nat Rev Neurosci, 2012

Mirobiota modulates bidiretional communication between Gut and Brain.