脳特異的血管生成抑制(Brain-specific angiogenesis inhibitor BAI)の構造、機能、応用

脳特異的血管生成抑制(Brain-specific angiogenesis inhibitor BAI)は
ラトロフィリン(Latrophilin)と同様に
細胞接着性を持つGタンパク質共役受容体です。
食作用(phagocytosis)、炎症、シナプス形成、筋芽細胞融合にも関わります。
また、名前から自明な通り、内皮細胞に発現され、
血管生成を抑制する働きがあります(1)。
従って、腫瘍組織の成長は豊富な栄養が必要なため
その影響の供給源である血管形成は必須となります。
BAIは血管生成を抑える働きがありますから、
癌治療へのこの細胞接着分子を通じた治療も広く考えられています(1)。
特に脳腫瘍の治療において有望な標的です。
なぜなら脳特異的血管生成抑制因子だからです。
これもラトロフィリンと同様に神経細胞、グリア細胞に発現が見られることから
細胞種特異的な構造変化の可能性がありますが、
それに関する報告はほとんどありません。
しかし、遺伝情報のライブラリ(2)には
選択的スプライシングによる成熟mRNAの変異は存在することが
サマリーの中で示唆されていま
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脳特異的血管生成抑制(Brain-specific angiogenesis inhibitor BAI)。
これのサブタイプ
BAI-1,2,3
--
BAIの構造
(1)細胞外ドメイン(N端子 先端から)
RGD, integrin-binding Arg-Gly-Asp motif; 
TSRs, thrombospondin type 1 repeats; 
 内皮細胞上に発現されているCD36 scavenger receptor(9), integrinαvβ5(10)と結合。
HBD, putative hormone-binding domain; 
GAIN, GPCR autoproteolysis-inducing domain; 
GPS, GPCR autoproteolysis site; 
(2)細胞膜ドメイン
7TM, seven-transmembrane domain; 
(3)細胞内ドメイン
PRR, proline-rich region;
PBD, PDZ-binding domain. 
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BAI-1,2,3それぞれの発現が見られる細胞種。
BAI1:
　神経膠細胞（グリア細胞）: 特にアストロサイトなどの神経膠細胞で発現しています。
　神経細胞: 一部の神経細胞にも発現していますが、主に神経膠細胞での発現が顕著です。
　血管内皮細胞: 脳内の血管内皮細胞にも発現し、血管新生の調節に関与しています。
BAI2:
　神経細胞: BAI2は、主に神経細胞で発現しており、特に脳内のニューロンでの発現が報告されています。
　神経膠細胞: 神経膠細胞でも発現が見られることがありますが、主に神経細胞で顕著です。
BAI3:
　神経膠細胞（グリア細胞）: BAI3も神経膠細胞で発現していますが、特にアストロサイトやオリゴデンドロサイトでの発現が報告されています。
　神経細胞: 一部の神経細胞にも発現しており、特に脳内での発現が示唆されています。
但し、
これらのBAIの発現は脳以外に、膵臓、腸(3)、胃、腎臓(5)、肺(4)でも見られるかもしれないですが、
これらの研究では癌化における予後(良化)に影響を与えることが示されています。
但し、BAIは癌抑制遺伝子p53に誘導されるとあるので(6,7)、
このことからほぼ全身に血管生成のブレーキ役として機能しているかもしれません。
このBAIと癌の研究は日本で2000年前後に注目されています。
ただ、こうしたp53による血管生成抑制因子は癌化ストレスがあった時に発現されるものかもしれません。
では、なぜ、脳ではBAIの発現が常時見られ、
そもそも「脳特異的」血管生成抑制因子と呼ばれるのでしょうか？
その考えられる理由をOpen AIから回答を得ました。
私はこのように質問しました
「脳神経ではなぜBAIによって血管生成のブレーキ役を常時持っておく必要がありますか？」
脳神経では、血管生成を厳密に制御する必要があり、
BAI（Brain-specific Angiogenesis Inhibitor、脳特異的血管新生抑制因子）が
この役割を果たします。以下の理由から、BAIによって血管生成のブレーキ役を
常時持っておく必要があります：

脳の組織保護：
脳は極めて繊細な組織であり、過剰な血管生成は血液脳関門の破壊や、
脳内出血のリスクを高める可能性があります。
これにより、神経細胞が損傷を受ける可能性があります。

一定の血流の維持：
脳は一定の血流を維持することが重要です。
過剰な血管生成が起こると、血流の再分配が生じ、
必要な部分に十分な血液が供給されないことがあります。
これにより、脳機能が低下する可能性があります。

代謝の均衡：
脳はエネルギー代謝が非常に活発な組織であり、
過剰な血管生成は酸素や栄養供給のバランスを崩し、
代謝異常を引き起こす可能性があります。

神経活動の精密な調節：
脳内の血管生成は神経活動に応じて精密に調整さ
れる必要があります。過剰な血管生成が起こると、
シナプス機能や神経伝達の調整が乱れ、神経活動
に悪影響を及ぼす可能性があります。

腫瘍形成の抑制：
脳腫瘍の形成を抑制するためには、血管生成を
厳密に制御する必要があります。血管生成が抑制
されていると、腫瘍細胞への酸素や栄養供給が
制限され、腫瘍の成長が抑えられます。

これらの理由から、BAIによって血管生成の
ブレーキ役を常時持つことで、脳の正常な機能を維持し、
過剰な血管生成によるリスクを低減することが重要です。
BAIは脳の健康と機能を保護するための重要な役割を果たしています。
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これに対する私の見解。
肝臓などでも肝細胞は毛細血管と接触しているので、
血管内皮成長因子のような血管形成を促す物質と
BAIのような血管成長抑制因子両方がおそらく必要なはずです。
土の物質を媒体とするかですが、
BAIはp53との連携が示唆されているので、
実は、構造は異なるかもしれないですが、
少なくとも似たドメイン構造を持つBAI様の細胞接着分子は
脳の神経細胞だけではなく、体中の細胞に観られるかもしれません。
2021年の総括(1)の中では、
それについては知られていないとされています。
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BAI-1,2,3それぞれのリガンドとそのリガンドの発現が見られる細胞種。
BAI1 (Brain-specific angiogenesis inhibitor 1)
 Integrin αvβ3:
  発現細胞種:
   血管内皮細胞: 血管の形成やリモデリングに関与。
   神経膠細胞（アストロサイトなど）: 神経系の機能や構造に関連。
 VASP (Vasodilator-Stimulated Phosphoprotein):
  発現細胞種:
   神経細胞: 神経突起の伸長や形態に関連。
   血管内皮細胞: 血管の形成や維持に関連。
 CD44:
  発現細胞種:
   神経細胞: 神経系の発展や細胞間の相互作用に関連。
   神経膠細胞: 神経のサポートや修復に関与。
BAI2 (Brain-specific angiogenesis inhibitor 2)
 Integrin αvβ5:
   発現細胞種:
    血管内皮細胞: 血管の形成や機能に関連。
    神経膠細胞: 神経系の血管新生や修復に関与。
 MMPs (Matrix Metalloproteinases):
   発現細胞種:
    血管内皮細胞: 細胞外マトリックスのリモデリングに関連。
    神経膠細胞: 神経系の細胞外マトリックスの変化に関与。
BAI3 (Brain-specific angiogenesis inhibitor 3)
 Integrin α5β1:
  発現細胞種:
   血管内皮細胞: 血管の構造や機能に関与。
   神経膠細胞: 神経系の修復や再生に関連。
  Neurocan:
   発現細胞種:
    神経膠細胞: 特にアストロサイトでの発現があり、神経系の構造や機能に関与。
すなわちBAI-1,2,3それぞれでどの細胞種同士が干渉するか？
神経細胞、神経膠細胞(主に星状膠細胞、血管内皮細胞において
同じ細胞種同士の干渉。
あるいはこれらの3つの細胞種の異種接合がどの組み合わせでも起こり得る。
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BAIのアダプタータンパク質はサブタイプ共通的です。
代表的なたんぱく質は
Gα12/Gα13:Gタンパク質と結合し、細胞のシグナル伝達に関与。特に細胞の形態変化や移動に関連しています。
β-arrestin：Gタンパク質共役受容体の内部化やシグナル伝達の調節に関与し、BAI1のシグナル伝達経路の調節に関与しています。
RhoGAP：Rho GTPaseの活性を調節し、細胞の形態や運動に影響を与えます。
但し、PDZ結合性ドメインがあるので
複数の足場タンパク質を含めて多様なアダプタータンパク質を持つ可能性があります。
そもそもBAIの最も重要な機能は血管新生の抑制です。
従って、細胞の増殖を抑える働きがあるはずです。
BAIがどのような経路で細胞の増殖を抑えている可能性があるか？
BAI（Brain-specific Angiogenesis Inhibitor）は、血管新生を抑制する因子であり、そのアダプタータンパク質が細胞の増殖を抑える経路には、以下のようなものがあります：
1. RhoGTPase経路
 RhoGTPaseは、細胞の形態変化や移動、増殖に関与する重要な調節因子です。BAIは、RhoGTPaseの活性を抑制することにより、細胞の増殖を抑えることができます。RhoGTPase経路の抑制は、細胞の骨格の再構築や運動を減少させることで、細胞の増殖を抑えることに寄与します。
2. PI3K/Akt経路
 PI3K/Akt経路は、細胞増殖、サバイバル、代謝に関与する重要なシグナル伝達経路です。BAIがこの経路に作用することで、Aktの活性化を抑え、細胞の増殖や生存を抑制する可能性があります。BAIは、PI3K/Akt経路を介して細胞の増殖を抑えることが報告されています。
3. MAPK経路
 MAPK（Mitogen-Activated Protein Kinase）経路は、細胞の増殖や分化、ストレス応答に関与します。BAIがこの経路を調節することにより、細胞の増殖や生存を抑える作用を持つ可能性があります。特に、ERK（Extracellular signal-Regulated Kinase）経路の抑制が関与しているかもしれません。
4. 細胞周期調節
 細胞周期調節は、細胞の増殖と分裂の制御に関与しています。BAIが細胞周期のチェックポイントや関連するタンパク質（例えば、サイクリンやCDK）を調節することにより、細胞の増殖を抑制することができます。
5. アポトーシス経路
 アポトーシス（計画的細胞死）の誘導は、細胞の増殖抑制に寄与します。BAIは、アポトーシス関連の経路を活性化することで、細胞の生存を抑制し、間接的に増殖を抑えることがあります。
 実際に、血管内皮でのBAIの過剰発現はプログラム細胞死(アポトーシス)につながりました(8)。
6. アダプタータンパク質の役割
 BAIは、複数のアダプタータンパク質（例えば、Gタンパク質や細胞骨格関連タンパク質）と相互作用し、それらを介して細胞内シグナル伝達経路に影響を与えることがあります。これにより、細胞の増殖に関連するシグナル伝達経路を調節します。
これらの経路を通じて、BAIは細胞の増殖を抑制する作用を持ちます。具体的な経路やメカニズムについては、さらに詳しい研究が進められており、BAIの作用機序を理解するためには、分子レベルでの詳細な解析が必要です。
--
他の細胞接着分子と同様にBAIも多量体構造を取るかもしれません。
BAIは接着性のGタンパク質共役受容体ですが、
心臓や腎臓などに存在するアドレナリンなどのホルモンに応答する
β1-アドレナリン受容体も同様にGタンパク質共役受容体であり、
同じGタンパク質共役受容体同士でサブタイプの異なるそれと結合する
異種多量体を形成することが確認されています(11)。
--
BAIは確かに血管生成の抑制因子なので
乳がん、膀胱がん、大腸がん、肺がん、腎臓がん、
さらに当然、脳腫瘍で下方制御され、発現量が少なくなっています。
それは、癌の性質から考えると当然推測される事ですが、
では、BAIを利用して、どのように癌の治療を行うか？
それについてはよく考える必要があります。
一つの視点としては、癌細胞を標的とするのではなくて、
腫瘍組織に張り巡らされた血管、
もっといえば、その中の内皮細胞を標的するという事が考えられます。
(但し、癌細胞に対してのBAI発現促進も一定の効果があるかもしれません(5)。）
すなわち、癌微小環境にある異常な内皮細胞に対して
BAIによる機能を高める事によって
内皮細胞を細胞死させるように誘導することです。
では、どうすれば、これが実現されるでしょうか？
それを具体的に考えるためには
細胞死させる経路がどちら側に進むかを考える事にあります。
どういうことか？BAIのC端子側のアダプタータンパク質が
BAIがリガンドと結合する事によって細胞死するのであれば、
癌微小環境にある、いいかえれば腫瘍組織の周りにある
内皮細胞に発現しているBAIにリガンドを結合させて
アポトーシス経路を駆動する必要があります。
そうすると、もし、腫瘍組織の周りにある内皮細胞にも異常があって
もともと、BAIの発現が弱まっていたら、
そうした効果は有効には誘導できない事になります。
では、どうすればいいか？
いくつか考えられる方法があります。
多くの人がおそらく考え着く方法としては
腫瘍組織周りの内皮細胞に対して
このBAIの発現を高めるような処置をとる事です。
遺伝子(DNA,RNA)によってもそれが可能だし、
p53といった関連する遺伝子を操作しても可能かもしれません。
他方で、BAIの分解酵素が癌微小環境で高まっている可能性があります。
BAIの分解酵素で知られているのは
matrix metalloproteinase-14 (MMP14) ですが(13)、
このMMPは他の細胞接着分子も分解する代表的な
タンパク質分解酵素なので、
特異的にBAIを減らすのに貢献しているかわかりません。
ただ、こうした分解酵素に着目することが一つとしてあります。
もう1つは、私が提案する系統的技術と密接に関連します。
〇細胞外小胞
〇細胞種特異的薬物送達システム
〇細胞接着分子
これらを駆使して、
癌微小環境に存在する内皮細胞に対して
有効に送達される細胞接着分子装飾の細胞外小胞を設計します。
この細胞外小胞にいくつかの工夫を施します。
細胞外小胞は精製過程で細胞から多く出るようにして
脂質膜を多く含むように設計しておきます。
そうして、細胞外小胞に
Synaptic vesiclesの膜融合のように
膜融合を促すタンパク質を封入、あるいは装飾します。
それが
SNAREタンパク質
Munc18
Hsc70（Heat Shock Cognate 70）
Vps4（Vacuolar Protein Sorting 4）
Annexins
Tetraspanins(例：CD9、CD63、CD81）
これらです。テトラスパニンはそもそも多く含まれるので
細胞外小胞は一定、膜融合する性質があります。
では、膜融合をするとどんな利点があると思いますか？
それは、内皮細胞に多く届ければ、
内皮細胞の膜流動を膜融合によって促すことができることです。
それによって受容体を集める事ができます。
その時に、訪れるチャンスがあります。
細胞外小胞の膜にBAIを多く装飾しておきます。
これはテトラスパニンと複合体化させておいてもいいです。
そうすると膜融合した時に
そうした受容体は内皮細胞の膜に移ることになります。
脂質を多く含んでいますから、
そうした部位では内皮細胞であっても突出したり
受容体が集まりますから、
BAIの密度が上がるだけではなく、(幾何学的な)アクセス性、
細胞接着分子としての活性も高まります。
そういった状態を作りつつ、BAIにリガンドを結合させます。
そのリガンドを装飾した細胞外小胞もあっていいです。
このとき、絶対的に必要な事は
静脈から非特異的にこうした細胞外小胞を入れた時に
腫瘍の血管から遠くの通常の血管に作用すると
血管組織が壊れ、出血など重篤な副作用が出ます。
それが冠動脈など重要な血管であれば致命的です。
初めに述べた遺伝子的なアプローチでも同様ですが、
それが効果があるのであれば、
「必ず」高度な細胞種特異的薬物送達システムが必要になります。
従って、癌微小環境にある内皮細胞と
通常の内皮細胞の結合親和性が少なくとも数桁程度異なるような
接着システムにしておく必要があります。
確かに癌微小環境にある内皮細胞だけに多く発現が見られる
あるいは高い活性を持っている細胞接着分子を標的にする
という事は考えられますが、
別の記事え重要な事として述べる
精密な転写産物(成熟mRNA)の評価が極めて重要になります。
例えば、血管に発現されている
代表的な細胞接着分子はインテグリンαvβ3です。
これはこの段落で述べたBAIとも結合性を持ちます。
従って、この場合、セットで考えます。
果たして癌微小環境にある内皮細胞のインテグリンαvβ3、BAIと
それ以外の全身の内皮細胞にあるインテグリンαvβ3、BAIとは
同じサブタイプでも構造は全く同じでしょうか？
もし、選択的スプライシングやポストトランスクリプト装飾によって
成熟mRNAの構造がこれらの細胞種で異なれば、
これらの細胞接着分子で精密に設計する事で
数桁ほど異なる結合親和性の違いを実現できるかもしれません。
ひょっとすると癌微小環境の内皮細胞の
インテグリンαvβ3は過剰発現しますが(12)
BAIと結合親和性が低い変異構造を取っているかもしれません。
インテグリンαvβ3の過剰発現と構造の高度なマッチングによって
今まで不可能だった細胞種特異的な薬物送達システムが
インテグリン依存的に出来る可能性もあります。
これが決定的かどうかはわかりません。
しかし、少なくとも他の独立した記事で提案するように
内皮細胞のように共通性のある細胞であっても
各種臓器、腫瘍組織、動脈、静脈、
大動脈、大静脈、毛細血管など高度に細分化した様式で
細胞種特異的なインテグリンαvβ3の
プロテオーム解析(質量分析)をすることです。
その前に全身の内皮細胞を集めた形で
インテグリンαvβ3に絞った形で質量分析したデータがあれば、
それを利用する事が出来ます。
例えば、それがほとんど同じ質量に集まっていれば、
私の推測は不正確であったということになります。
しかし、精度の高い質量分析で
同じインテグリンαvβ3でも偏差があれば、
私の仮説が正しい可能性もあります。
人的、時間、経済的コストがかかる分析なので、
どうやってそのリスクを最小限にするか？
過去の企業が持つものを含めたデータの調査、
あるいは文献調査も含めて、よくプロトコル、手順を考える必要があります。
--
BAIは冒頭で述べた様に食作用(Phagocytosis)があります。
これはBAIがマイクログリアに発現されている時に
神経系で特に血管成分である内皮細胞の内、
細胞死した内皮細胞の死骸成分を
BAIを通じて食作用によってファーゴソームによって取り込み
細胞内で分解して、掃除する機能です(1)。
--
BAIは
ラトロフィリン(Latrophilin)と同様に
細胞接着性を持つGタンパク質共役受容体です。
このGタンパク質共役受容体は
トリメリックGタンパク質の活性化によって
細胞内で細胞骨格を合成し、重合体化させ、成長させる働きがある事から
シナプス形成に関わることが考えられます(15)。
前シナプスで神経伝達物質の分泌の制御にも関わっている
とされている(1)ことから
ラトロフィリンとの機能の一定の類似性が見られます。
但し、BAIのプレシナプスでの作用についての研究は
あまりされていません。


(参考文献)
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Summary
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