1. No category

● 新評議員
脳虚血後の神経細胞死における p53 依存的経路の役割
新妻 邦泰，冨永 悌二
要　旨
脳虚血後には種々の分子シグナリングの経路が活性化されるが，虚血の程度が強い場合には，アポトーシス
関連経路が活性化されることになる．アポトーシス関連経路においては p53 が重要な役割を果たし，転写依存
的に多数のアポトーシス関連分子を活性化し，その結果として Bcl-2 ファミリーメンバーの相互作用を介して
ミトコンドリア膜間腔に存在する cytochrome c や apoptosis-inducing factor などが放出される．その後に
caspase-9，caspase-3 の活性化が続きアポトーシスを誘導するが，この「放出」のステップが不可逆的であるため
に，ここが細胞死を決定づける段階であると考えられている．本稿では，このステップを制御すると考えられ
る p53 依存性の分子と Bcl-2 ファミリーのタンパクとの相互作用の中から，我々のグループが研究を重ねた
Bax, PUMA, PIDD を中心に概説する．
（脳循環代謝 25：117∼121，2014）
キーワード : アポトーシス，脳虚血，神経細胞死，p53
る14~18）．また，SOD1（copper/zinc-superoxide dismutase）
1．はじめに
を overexpression させることにより PUMA が抑制され
ることも示され19），酸化ストレスと p53 シグナリング
p53 はアポトーシスの誘導により細胞死を制御する
の関連性も示された．このように，虚血に起因するミ
「master regulator」
である ．p53 は，Bax
（Bcl-2-assosicated
トコンドリアでの活性酸素種過生成，それに引き続く
2）
3, 4）
X protein）
，Bid
（BH3 interacting domain death agonist）
，
p53 関連分子を含む分子シグナルの活性化，そしてシ
Noxa（NADPH oxidase activator 1） ，p53AIP1（p53
グナルがミトコンドリアに戻りミトコンドリアに作用
6）
acetate-induced protein 1）
，PUMA（p53-upregulated
してアポトーシスが誘導される一連のメカニズムが
modulator of apoptosis） などのアポトーシス関連遺伝
徐々に明らかになってきた．本稿では，脳虚血後の
子を encode しており，これらは直接ミトコンドリア
p53 関連の神経細胞死の分子シグナルから，我々のグ
に作用してアポトーシスを誘導する．また，p53 は
ループが研究した，Bax，PUMA，PIDD に着目して概
PIDD
（p53-induced protein with a death domain）も encode
説する．
1）
5）
7, 8）
しており，これは caspase-2 の活性化を通してアポ
2．Bax
トーシスを制御する9~12）．また，p53 は転写非依存的に
直接アポトーシスを制御するということも報告され注
目されている13）．
Bax は Bcl-2 と相同性を有する蛋白であり，細胞質
中枢神経系においても，脳虚血や神経変性疾患にお
に存在する．アポトーシスの刺激後に転写依存的に活
いて p53 が神経細胞死を制御することが示されてい
性 化 さ れ， ミ ト コ ン ド リ ア に translocate し，
cytochrome c の放出を引き起こす20, 21）．
東北大学大学院医学系研究科神経外科学分野
〒 980-8574 宮城県仙台市青葉区星陵町 1-1
TEL: 022-717-7230 FAX: 022-717-7233
E-mail: [email protected]
神経細胞死においては，全脳虚血後に Bax の mRNA
が増加することが示され22），また，蛋白レベルでも全
脳虚血23），局所脳虚血後24）に Bax が増加することが示
された．局所脳虚血後に p53 依存的に Bax の転写が活
─ 117 ─
脳循環代謝 第 25 巻 第 2 号
図 1．脳虚血後の p53 関連シグナリングと神経細胞死の関連
脳虚血後にミトコンドリアで活性酸素種が生成され，p53 が転写依存的に Bax，Noxa，p53AIP1，
PUMA，Bid などのアポトーシス関連分子を生成し，これらはミトコンドリア上で相互作用す
る．p53 は PIDD 生成にも関与し，PIDD は 2 回切断されて PIDD-CC に変化し，caspase-2 を活性
化し，Bid の活性化を誘導する．p53 は転写非依存的にミトコンドリアに移動し，相互作用する
ことも知られている．BH3-only タンパクや p53 はミトコンドリア上で Bcl-2 ファミリーメンバー
の相互作用を引き起こし，Bax の重合化を介して cytochrome c を放出し，神経細胞死が誘導され
る．（文献 37 より引用）
性化し，さらに JNK（c-Jun N-terminal kinase）により
が示されている．PUMA によるアポトーシスの誘導は
Bax のミトコンドリアへの translocation が制御され
ミトコンドリア依存性である7）．PUMA は他の Bcl-2
る ．Bax は Bid，Bim，PUMA と 相 互 作 用 し，
ファミリーと BH3 ドメインを介して相互作用するこ
cytochrome c の放出を介して神経のアポトーシスを制
とが知られ27），Bax28, 29）, Bcl-2 や Bcl-XL7, 8）と結合し，
御する
cytochrome c を放出しアポトーシスを誘導する．
25）
．
19, 25, 26）
図 1 に示すように，アポトーシスの刺激に応じて
神経細胞死においては，in vitro では初代培養の神経
Bax は転写依存的に増加し，かつミトコンドリアに
細胞において，PUMA の過剰発現がアポトーシスを誘
translocate する．ミトコンドリアにおいて Bax は他の
導し30），PUMA をホモ接合型欠損させることにより神
Bcl-2 ファミリーと相互作用し，cytochrome c 放出から
経細胞が araC 誘導性のアポトーシスに抵抗性を示す
神経細胞死を引き起こす．
ことが報告された31）．酸化ストレス誘導性のアポトー
シスも PUMA が関連することが示された29）．さらに
3．PUMA
我々は，in vivo でも，PUMA により全脳虚血後の神経
細胞死が制御されることを報告した（図 2）19）．
PUMA はアポトーシスを強く誘導する分子である．
図 1 に示すように，PUMA はアポトーシス刺激に応
In vitro では，PUMA の発現により速やかにアポトー
じ て p53 に よ り 転 写 依 存 的 に 誘 導 さ れ， 他 の Bcl-2
シスが誘導され8），相補的なオリゴヌクレオチドで抑
ファミリーと相互作用することにより cytochrome c を
制することにより，アポトーシスが抑制される こと
放出しアポトーシスを誘導する．
7）
─ 118 ─
脳虚血後の神経細胞死における p53 依存的経路の役割
図 2．全脳虚血後の PUMA の役割
（A）ウェスタンブロット法では全脳虚血後 4 時間をピークとして海馬 CA1 領域のミトコンドリア
での PUMA の発現上昇を認める．細胞質では 24 時間をピークとして cleaved caspase-9 の増加と
cytochrome c の放出を認める．COX IV, cytochrome oxidase subunit IV; c, control.（B）共免疫沈降法．
IP は免疫沈降に用いた抗体，IB はウェスタンブロット法に用いた抗体を表す．全脳虚血後 4 時
間以降で Bcl-XL と PUMA の結合が増加し，24 時間以降で Bax と PUMA の結合が増加してい
る．（文献 19 より一部改変）
4．PIDD
PIDD も ま た，p53 の 標 的 遺 伝 子 と し て 同 定 さ れ
た32）．PIDD は細胞内で分解され N 末端と C 末端のフ
ラグメントに分かれ，C 末端のフラグメントである
PIDD-C がさらに分解され PIDD-CC に変化する12, 33）．
この PIDD-CC が PIDDosome と呼ばれる複合体を介し
て caspase-2 を 活 性 化 す る12）．Apoptosome の 中 で
caspase-9 が活性化するのと同様の構造で，PIDDosome
の中で caspase-2 が活性化され，ストレス依存性のア
ポトーシスを制御する12, 34）．
神経細胞死においては，全脳虚血後に PIDD-CC が
増加し，caspase-2 の活性化とそれによる Bid の切断が
35）
生じることを我々のグループは示した（図 3）
．活性
図 3．全脳虚血後の PIDD の役割
ウェスタンブロット法では，全脳虚血後 4∼8 時間に海馬
CA1 領域で PIDD-CC の増加を認める．それに応じて Procaspase-2 は減少し，caspase-2 は 8∼24 時間をピークとし
て発現の上昇を認める．PIDD-FL, full-length PIDD; RAIDD,
receptor-interacting protein-associated ICH-1/CED-3 homologous protein with a death domain.（文献 35 より一部改変）
化した Bid は Bax と相互作用し，cytochrome c 放出を
誘導する35, 36）．siRNA を用いて PIDD を抑制すること
5．おわりに
により，全脳虚血後の caspase-2 の活性化および神経
細胞死が抑制することも示された35）．
図 1 に示すように，PIDD は p53 により転写依存的
脳虚血後の神経細胞死のメカニズムに関しては，い
に誘導され，自己分解により 2 回切断されて PIDD-CC
まだ不明な点は多いが，p53 依存性のシグナリングは
に変化する．PIDD-CC は PODDosome と呼ばれる複合
重要な役割を果たす．その中から，過去に我々のグ
体を形成することにより caspase-2 を活性化し，Bid の
ループが研究してきたものを中心に概説した．虚血の
活性化，Bax との相互作用を介して cytochrome c 放出
insult からアポトーシスによる神経細胞死が生じるま
からアポトーシスを誘導する．
でにはタイムラグがあり，本稿で示したような経路は
分子治療の潜在的な標的になると考えられ，今後のさ
らなる研究が望まれる．
─ 119 ─
脳循環代謝 第 25 巻 第 2 号
p53 expression protects against focal ischemic damage in
文　献
transgenic mice. J Cereb Blood Flow Metab 14: 887–891,
1） Schmitt CA, Fridman JS, Yang M, Baranov E, Hoffman RM,
Lowe SW: Dissecting p53 tumor suppressor functions in
vivo. Cancer Cell 1: 289–298, 2002
1994
15） Endo H, Kamada H, Nito C, Nishi T, Chan PH: Mitochondrial translocation of p53 mediates release of cytochrome
2） Miyashita T, Reed JC: Tumor suppressor p53 is a direct
c and hippocampal CA1 neuronal death after transient
transcriptional activator of the human bax gene. Cell 80:
global cerebral ischemia in rats. J Neurosci 26: 7974–
293–299, 1995
3） Sax JK, Fei P, Murphy ME, Bernhard E, Korsmeyer SJ,
El-Deiry WS: BID regulation by p53 contributes to che-
7983, 2006
16） Li Y, Chopp M, Zhang ZG, Zaloga C, Niewenhuis L,
Gautam S: p53-immunoreactive protein and p53 mRNA
mosensitivity. Nat Cell Biol 4: 842–849, 2002
expression after transient middle cerebral artery occlusion
4） Wang K, Yin XM, Chao DT, Milliman CL, Korsmeyer SJ:
BID: a novel BH3 domain-only death agonist. Genes Dev
10: 2859–2869, 1996
in rats. Stroke 25: 849–855; discussion 855–856, 1994
17） Saito A, Hayashi T, Okuno S, Nishi T, Chan PH: Modulation of p53 degradation via MDM2-mediated ubiquity-
5） Oda K, Arakawa H, Tanaka T, Matsuda K, Tanikawa C,
lation and the ubiquitin-proteasome system during reperfu-
Mori T, Nishimori H, Tamai K, Tokino T, Nakamura Y,
sion after stroke: role of oxidative stress. J Cereb Blood
Taya Y: p53AIP1, a potential mediator of p53-dependent
apoptosis, and its regulation by Ser-46-phosphorylated
p53. Cell 102: 849–862, 2000
Flow Metab 25: 267–280, 2005
18） Tomasevic G, Shamloo M, Israeli D, Wieloch T: Activation of p53 and its target genes p21(WAF1/Cip1) and
6） Oda E, Ohki R, Murasawa H, Nemoto J, Shibue T,
PAG608/Wig-1 in ischemic preconditioning. Brain Res
Yamashita T, Tokino T, Taniguchi T, Tanaka N: Noxa, a
BH3-only member of the Bcl-2 family and candidate
mediator of p53-induced apoptosis. Science 288: 1053–
Mol Brain Res 70: 304–313, 1999
19） Niizuma K, Endo H, Nito C, Myer DJ, Chan PH: Potential
role of PUMA in delayed death of hippocampal CA1 neu-
1058, 2000
rons after transient global cerebral ischemia. Stroke 40:
7） Nakano K, Vousden KH: PUMA, a novel proapoptotic
gene, is induced by p53. Mol Cell 7: 683–694, 2001
8） Yu J, Zhang L, Hwang PM, Kinzler KW, Vogelstein B:
618–625, 2009
20） Fiskum G, Murphy AN, Beal MF: Mitochondria in neurodegeneration: acute ischemia and chronic neurodegenera-
PUMA induces the rapid apoptosis of colorectal cancer
tive diseases. J Cereb Blood Flow Metab 19: 351–369,
cells. Mol Cell 7: 673–682, 2001
9） Berube C, Boucher LM, Ma W, Wakeham A, Salmena L,
Hakem R, Yeh WC, Mak TW, Benchimol S: Apoptosis
1999
21） Gross A, Jockel J, Wei MC, Korsmeyer SJ: Enforced
dimerization of BAX results in its translocation, mitochon-
caused by p53-induced protein with death domain (PIDD)
drial dysfunction and apoptosis. EMBO J 17: 3878–3885,
depends on the death adapter protein RAIDD. Proc Natl
Acad Sci USA 102: 14314–14320, 2005
10） Ren J, Shi M, Liu R, Yang QH, Johnson T, Skarnes WC,
1998
22） Honkaniemi J, Massa SM, Breckinridge M, Sharp FR:
Global ischemia induces apoptosis-associated genes in
Du C: The Birc6 (Bruce) gene regulates p53 and the mitochondrial pathway of apoptosis and is essential for mouse
embryonic development. Proc Natl Acad Sci USA 102:
hippocampus. Brain Res Mol Brain Res 42: 79–88, 1996
23） Krajewski S, Mai JK, Krajewska M, Sikorska M,
Mossakowski MJ, Reed JC: Upregulation of bax protein
565–570, 2005
levels in neurons following cerebral ischemia. J Neurosci
11） Seth R, Yang C, Kaushal V, Shah SV, Kaushal GP:
p53-dependent caspase-2 activation in mitochondrial
release of apoptosis-inducing factor and its role in renal
15: 6364–6376, 1995
24） Gillardon F, Lenz C, Waschke KF, Krajewski S, Reed JC,
Zimmermann M, Kuschinsky W: Altered expression of
tubular epithelial cell injury. J Biol Chem 280: 31230–
Bcl-2, Bcl-X, Bax, and c-Fos colocalizes with DNA frag-
31239, 2005
mentation and ischemic cell damage following middle
12） Tinel A, Tschopp J: The PIDDosome, a protein complex
cerebral artery occlusion in rats. Brain Res Mol Brain Res
implicated in activation of caspase-2 in response to genotoxic stress. Science 304: 843–846, 2004
13） Chipuk JE, Kuwana T, Bouchier-Hayes L, Droin NM,
40: 254–260, 1996
25） Okuno S, Saito A, Hayashi T, Chan PH: The c-Jun N-ter-
Newmeyer DD, Schuler M, Green DR: Direct activation
of Bax by p53 mediates mitochondrial membrane permeabilization and apoptosis. Science 303: 1010–1014, 2004
14） Crumrine RC, Thomas AL, Morgan PF: Attenuation of
─ 120 ─
minal protein kinase signaling pathway mediates Bax activation and subsequent neuronal apoptosis through interaction with Bim after transient focal cerebral ischemia. J
Neurosci 24: 7879–7887, 2004
脳虚血後の神経細胞死における p53 依存的経路の役割
26） Desagher S, Osen-Sand A, Nichols A, Eskes R, Montessuit S,
Neurochem 96: 1213–1226, 2006
Lauper S, Maundrell K, Antonsson B, Martinou JC: Bid-
32） Lin Y, Ma W, Benchimol S: Pidd, a new death-domain-
induced conformational change of Bax is responsible for
containing protein, is induced by p53 and promotes apop-
mitochondrial cytochrome c release during apoptosis. J
Cell Biol 144: 891–901, 1999
tosis. Nat Genet 26: 122–127, 2000
33） Tinel A, Janssens S, Lippens S, Cuenin S, Logette E,
27） Chen L, Willis SN, Wei A, Smith BJ, Fletcher JI,
Jaccard B, Quadroni M, Tschopp J: Autoproteolysis of
Hinds MG, Colman PM, Day CL, Adams JM, Huang DC:
PIDD marks the bifurcation between pro-death caspase-2
Differential targeting of prosurvival Bcl-2 proteins by their
and pro-survival NF-kappaB pathway. EMBO J 26: 197–
BH3-only ligands allows complementary apoptotic function. Mol Cell 17: 393–403, 2005
208, 2007
34） Park HH, Logette E, Raunser S, Cuenin S, Walz T,
28） Kim H, Rafiuddin-Shah M, Tu HC, Jeffers JR, Zambetti GP,
Tschopp J, Wu H: Death domain assembly mechanism
Hsieh JJ, Cheng EH: Hierarchical regulation of mitochon-
revealed by crystal structure of the oligomeric PIDDosome
drion-dependent apoptosis by BCL-2 subfamilies. Nat Cell
Biol 8: 1348–1358, 2006
core complex. Cell 128: 533–546, 2007
35） Niizuma K, Endo H, Nito C, Myer DJ, Kim GS, Chan PH:
29） Steckley D, Karajgikar M, Dale LB, Fuerth B, Swan P,
The PIDDosome mediates delayed death of hippocampal
Drummond-Main C, Poulter MO, Ferguson SS, Strasser A,
CA1 neurons after transient global cerebral ischemia in
Cregan SP: Puma is a dominant regulator of oxidative
stress induced Bax activation and neuronal apoptosis. J
rats. Proc Natl Acad Sci USA 105: 16369–16374, 2008
36） Desagher S, Osen-Sand A, Nichols A, Eskes R, Montessuit S,
Neurosci 27: 12989–12999, 2007
Lauper S, Maundrell K, Antonsson B, Martinou JC: Bid-
30） Cregan SP, Arbour NA, Maclaurin JG, Callaghan SM,
induced conformational change of Bax is responsible for
Fortin A, Cheung EC, Guberman DS, Park DS, Slack RS:
mitochondrial cytochrome c release during apoptosis. J
p53 activation domain 1 is essential for PUMA upregulation and p53-mediated neuronal cell death. J Neurosci 24:
Cell Biol 144: 891–901, 1999
37） Niizuma K, Endo H, Chan PH: Oxidative stress and mito-
10003–10012, 2004
chondrial dysfunction as determinants of ischemic neuro-
31） Wyttenbach A, Tolkovsky AM: The BH3-only protein
Puma is both necessary and sufficient for neuronal apopto-
nal death and survival. J Neurochem 109 Suppl 1: 133–
138, 2009
sis induced by DNA damage in sympathetic neurons. J
Abstract
Roles of p53 signaling pathway in neuronal cell death after cerebral ischemia
Kuniyasu Niizuma and Teiji Tominaga
Department of Neurosurgery, Tohoku University Graduate School of Medicine, Miyagi, Japan
Various signaling pathways are activated after cerebral ischemia. p53 plays important roles in
regulation of apoptotic pathways. p53 transcriptionally activates mitochondria-dependent apoptotic
pathway that involves pro- and antiapoptotic protein binding, the release of cytochrome c and apoptosisinducing factor, leading to neuronal death after cerebral ischemia. In this report, we summarize this
signaling pathway, focusing on Bcl-2-associated X protein (Bax), p53-upregulated modulator of
apoptosis (PUMA), and p53-induced protein with a death domain (PIDD).
Key words:apoptosis, cerebral ischemia, neuronal cell death, p53
─ 121 ─