顆粒球マクロファージコロニー刺激因子(GM-CSF)は、活性化T細胞をはじめ血管内皮細胞や線維芽細胞など様々な細胞で産生され、血球系、特に顆粒球マクロファージ系列の細胞に作用し、その細胞の増殖、分化、機能発現を調節するサイトカインである。GM-CSFのシグナルは、標的細胞上に発現している特異的レセプターを介して伝達される。GM-CSFのレセプター(GMR)は鎖、鎖の二種のサブユニットから構成されている。どちらのサブユニットもサイトカインレセプタースーパーファミリーに属する単一膜貫通型の糖蛋白質で、細胞外領域にはこのファミリーに特徴的な4つのシステイン残基とWSXWSモチーフを有する。また細胞内領域には、チロシンキナーゼなどの既知の機能領域と相同的な配列は認められない。ヒトのGMR(hGMR)は鎖が細胞外領域298アミノ酸残基(a.a.)、膜貫通領域26a.a.、細胞内領域54a.a.の計378a.a.、鎖が各422a.a.、26a.a.、433a.a.の計881a.a.からなり、細胞外領域の糖鎖修飾により成熟蛋白質では各々約80kDa、130kDaの分子量を呈する。鎖はGM-CSFに対し低親和性に結合できるが、単独ではシグナルを伝達できない。一方、鎖はそれ単独ではGM-CSFを含むいかなるサイトカインに対しても結合能を示さないが、鎖との共発現により高親和性かつ機能的なGMRを再構成できる。鎖は、類似の生理活性を持つIL-3、IL-5の機能的高親和性レセプターに共有されている。

　hGMRの細胞内領域欠失変異体を用いた解析の結果から、両サブユニットの細胞内領域はhGM-CSFとの高親和性結合には関与しないが、シグナル伝達にはどちらも必須であることが示されている。鎖細胞内領域には、C端側からの段階的欠失変異体を用いることにより2つの機能領域が同定かれている。膜貫通領域近傍の領域A(N末端からアミノ酸配列上455-517番目)は細胞増殖や初期応答遺伝子の一つであるc-mycの発現誘導に必須であり、この領域には他の多くのサイトカインレセプターで保存されている、Box1と呼ばれるプロリンに富む配列が認められる。細胞内領域中央よりややN端側に位置する領域B(アミノ酸配列上544-589番目)には、GM-CSF刺激に応答してリン酸化かれるチロシン残基が存在し、鎖自身を含む種々の蛋白質のチロシンリン酸化の亢進、Ras-Raf-MAPKからなるシグナル伝達経路の活性化、初期応答遺伝子のc-fos、c-jun、Egr-1の発現誘導に重要である。領域AにはJAK2チロシンキナーゼの、領域BにはShcやSHPTP2などのSH2ドメインを有する蛋白質の会合がそれぞれ示唆されている。一方、鎖の細胞内領域もGM-CSFのシグナル伝達に必須であるが、この領域と相互作用する分子は報告されていない。

　レセプター活性化にとって重要なステップの一つとして、サブユニットの多量体化が知られており、特に増殖因子レセプターにおいてその活性化との相関性が広く研究されている。内在性のチロシンキナーゼ活性をもつこれらのレセプターはリガンドに依存して多量体化し、レセプター自身のチロシン残基をリン酸化する。SH2ドメインをもつ細胞内分子はこのリン酸化チロシン残基を介してレセプターと結合し、局在性の変化やチロシンリン酸化などによって活性化され、下流へシグナルを伝達すると考えられている。サブユニットの多量体化は、様々なサイトカインレセプターについても報告されている。サイトカインレセプターはそれ自身にはチロシンキナーゼ活性をもたないが、細胞質内チロシンキナーゼと相互作用することが知られており、両者の組み合わせにより増殖因子レセプターと類似の機構で活性化されることが予想される。

　hGM-CSFは多様な活性を有し、その作用は単一のhGMRを介して細胞内に伝達される。hGMR活性化はシグナル伝達の最初のステップであり、その機構の解明はhGM-CSFの作用を分子レベルで理解するために必須である。上述のようにhGMR鎖の細胞内領域には2つの機能領域が同定されており、鎖細胞内領域もhGMRの活性化に必須である。しかし、hGMR活性化に必要とされる各サブユニットの分子数や、サブユニット間での機能分担に関しては未解明の点が多い。本研究はこれらの問題の解明を通して、hGM-CSFの作用機構を明らかにすることを目的として行われた。

　キメラレセプターを用いた実験によって明らかにしたように、hGM-CSFのシグナルは主に鎖の細胞内領域から伝達される。しかし野生型hGMRの活性化には、鎖の細胞内領域も必須である。したがって、少なくとも増殖シグナルの伝達においては、鎖の細胞内領域が、鎖細胞内領域との相互作用を通じて鎖の活性化を誘導することが推測される。鎖細胞内領域の欠失が、両サブユニットのリガンド依存的な相互作用に関与しないという結果は、この推測と矛盾しない。一方、鎖はリガンドに依存せず恒常的に二量体を形成していることを示した。前述のように、GMR鎖にはJAK2キナーゼなどの細胞質内チロシンキナーゼが相互作用することが示唆されているが、鎖に結合する分子は報告されていない。JAKキナーゼのリガンド刺激による活性化の詳細な機構は不明であるが、多くの研究から、多量体化したレセプターとの結合を介した局所的な高濃度化が重要であると推測されている。鎖の二量体化はこのJAKキナーゼのような分子の活性化にとって重要である可能性が考えられる。

　本研究によって得られた結果から、hGMRの活性化機構を以下のように推測した(図2)。

　1)hGM-CSFにより鎖と鎖二量体との複合体が形成される。

　2)両サブユニットの細胞内領域間の相互作用により、同領域の構造変化が誘導される。

　3)細胞内分子と鎖との会合およびその結合分子の活性化が誘導され、シグナルが伝達される。

図2 GMRの活性化機構