ことの始まり

ホモ・プロテインcDNAバンクの中から分泌シグナルと思われる配列を有するクローンを選別したところ、その中の一つがTGF-βスーパーファミリーに属する新規タンパク質をコードしていることがわかり論文化しました（K97-2）。この遺伝子は胎盤で高発現していることからTGF-βPLと命名しましたが、後にGDF15（growth differentiation factor 15）という統一した名前で呼ばれています。

ヒト遺伝子コレクションに含まれるGDF15cDNA

論文に記載したcDNAクローンはヒト線維芽細胞株HT-1080由来ですが、ヒト遺伝子コレクションには網膜芽細胞腫Y79細胞株由来のクローンRBdS070O22が一個含まれています（HP00269）。5’端がゲノムの配列にないGから始まるので、キャップ付加部位から始まる完全長cDNAであることがわかります。転写開始点はHT-1080由来のものと同じでした。

GDF15 cDNAのクローニング

我々はこのcDNAをすでに1993年に得ており、1994年の1月に特許出願を行ないました。論文化するために我々が塩基配列をDDBJに登録したのは1997年1月です。この登録が契機になったかのごとく、1997年から1998年にかけて我々の論文以外に4報の論文が立て続けに出版されました。

オーストラリアのBreitらのグループは、レチノイン酸で分化したU937細胞をPMA処理することによって発現が誘導される遺伝子をサブトラクション法によってクローン化し、マクロファージの活性化を阻害することからMIC-1と命名しました（Bootcov et al., 1997）。インディアナ大のグループは胎盤で高発現している遺伝子として、骨形成因子（bone morphogenetic protein, BMP）のアミノ酸配列と類似性を有する新規タンパク質PLABをコードするcDNAをクローン化しました（Hromas et al., 1997）。コロンビア大のSoaresのグループは胎盤で高頻度で発現している遺伝子の探索過程で、TGF-βスーパーファミリーに属するタンパク質PTGFBをコードするESTを同定しました（Lawton et al., 1997）。ファイザーのグループもESTデータベースの中からTGF-βスーパーファミリーと類似性を有するタンパク質PDFをコードするESTを選別しました（Paralkar et al., 1998）。ただ、いずれのESTクローンもNotI部位を用いてベクターに挿入していたため、cDNA内に存在するNotI部位のせいで完全長cDNAは得られず、これをプローブとして用いて市販のcDNAライブラリーから全長cDNAクローンを取得しています。

NIHのElingのグループは、大腸がん細胞株に非ステロイド性抗炎症薬（NSAIDs）を作用されるとアポトーシスが起こることから、この時誘導される遺伝子をサブトラクション法でクローン化し、NAG-1と命名しました（Beak et al., 2001）。NAG-1はGDF15と同一遺伝子でした。

カナダのMorrishのグループは2005年になって、GDF15をPL74という名前で報告しています（Li et al., 2005）。実は彼らは1996年にヒト胎盤栄養膜細胞をEGFで分化誘導した時発現する遺伝子をサブトラクション法で同定し、その中の一つとしてPL74を得ていました（Morrish et al., 1996）。しかし、得られたcDNAは3’端の断片であったため、その時点ではTGF-βスーパーファミリーであることはわかっていませんでした。その後、我々の報告の情報をもとに全長cDNAを得ています。ポリクローナル抗体を用いて、PL74タンパク質を精製し、ヒト胎盤栄養膜細胞株のアポトーシスを促進することを見つけています。

GDF15の生理活性

特許出願にあたり、新規タンパク質の生理活性を示す必要がありました。BMPと類似性を有していることから、同様の活性が認められるのではないかと考え、相模中研の辻智子博士に依頼して、発現ベクターを導入したCOS7細胞の培養上澄をマウス前骨芽細胞株MC3T3-E1のアッセイ系にかけてもらうことにしました。その結果、MC3T3-E1のアルカリホスファターゼ活性の増強作用とコラーゲン合成量を増加する作用のあることが示されました（JPH07250688A）。

GDF15の発見当初、その生理活性は培養細胞を用いたインビトロのアッセイ系で行われてきました。しかし、後述するようにGDF15のレセプターが後脳の特定細胞でのみ発現しており、活性測定に用いられた培養細胞では発現が認められないことから、インビトロのアッセイ系での結果に疑問がもたれるようになってきました。特に問題になったのは、GDF15発現ベクターを導入した哺乳動物細胞の培養液から精製したGDF15の市販品には微量のTGF-ßが含まれており、このTGF-ßの活性を測っていた可能性があるということです（Olsen et al., 2017）。ただ、我々のアッセイでは、対照として発現ベクターを導入していないCOS7細胞の培養上澄を用いているので、COS7細胞内で発現したGDF15によって誘導される二次的産物が活性を有していた可能性が考えられます。この問題を解決するには、抗GDF15抗体を用いて、活性を阻害できるかどうかを確認することが必要です。

バイオマーカーとしての血清中GDF15濃度

GDF15に対する抗体が利用できるようになったため、血清中のGDF15濃度を測定することが可能になり、様々な病気と血清中GDF15濃度との関連が検討されました。その結果、肥満症、II型糖尿病、悪性腫瘍、アテローム性動脈硬化症、心筋梗塞、慢性心不全、急性や慢性の腎臓病、ミトコンドリア病などで、血清中GDF15濃度がその重症度に比例して著しく上昇することが示されました。そこで、各疾患の血中バイオマーカーとしての利用が考えられています。他に、加齢、妊娠、喫煙、運動、薬物投与によっても血清中GDF15濃度の上昇が示されています。特に、GDF15が妊娠時に胎盤で高発現する事や糖尿病の治療薬であるメトホルミンを投与すると血清中GDF15濃度が上昇することは興味深い現象です。これらに共通するのは、細胞に何らかのストレスがかかるということであり、GDF15がこれらのストレスに対抗するためのシグナルとしての役割を担っていることが推測されます。事実、GDF遺伝子のプロモータ領域には、p53、EGR-1、CHOP、ATF4といったストレス応答性転写因子の結合部位が存在します。

GDF15のレセプターGFRALの発見

GDF15のcDNAがクローン化されてから20年後、2017年10月に4つの製薬企業の研究グループが、それぞれ独立にGDF15レセプターであるGFRAL (GDNF family receptor alpha like)を同定したと発表しました。NGM BiopharmaceuticalsはcDNAライブラリーを用いて4,000個の膜タンパク質を発現させて、FC標識GDF15と蛍光標識FC結合断片と反応させてスクリーニングし、GFRALを同定しました（Hsu et al., 2017）。Janssenは同様の方法でcDNAを得たのち、フローサイトメトリーアッセイでGFRALを同定しました（Mullican et al., 2017）。Novo Nordiskはフローサイトメトリーアッセイにより2,762個の既知シングルパス膜貫通レセプターのスクリーニングにより、GFRALを同定しました（Yang et al., 2017）。Eli Lillyはすでに知られていたGDNFレセプターファミリーのいくつかのオーファンレセプターに対するリガンド検索によって、GFRALを同定しました（Emmerson et al., 2017）。

驚いたことに、GFRALは後脳の最後野と孤束核に局在していることがわかりました。最後野は嘔吐や摂食行動で重要な役割を担っています。mRNAは精巣と脂肪組織でもわずかに検出できますが、免疫組織化学法ではタンパク質は検出されていません。GFRALは、I型膜タンパク質であり、共役レセプターRetと結合して、Akt、Erk1/2, PLCγ経路を活性化します。マウスでは選択的スプライシングにより、膜貫通ドメインのない可溶性レセプターも存在しますが、ヒトでは確認されておらず、またそれが機能するかどうかは不明です。

GDF15の役割

レセプターが明らかになったことで、GDF15の役割に関する研究は一気に進展しました。レセプターが嘔吐や摂食行動に関与する後脳の最後野に存在することから、血清中GDF15濃度の上昇によって、高脂肪食の摂取の減少、吐き気、嘔吐、条件付け味覚嫌悪などが起こり、エネルギー摂取量の減少や肥満の減少が起こることが説明できます。また、これによって癌患者の悪液質や妊婦のつわりが引き起こされることも説明できます。妊婦のつわりは有害物質をとることによって胎児に悪影響が出ないようにするための防御メカニズムとも考えられますが、その生理的な役割は不明です。疾患における血清中GDF15濃度の上昇は、代謝系の調節のみならず、抗炎症作用も有しています。このメカニズムについてもまだ詳細は明らかになっていません。血清中GDF15濃度の上昇は、細胞が何らかのストレスを受けることによって起こることから、GDF15の主要な役割は、これらのストレスを脳に伝える内分泌メッセージであるといえます。

疾患の治療という観点からは、GDF15やそのアゴニストは肥満症やその合併症の治療薬として、またGDF15やGFRALに対する中和抗体は癌、末期腎不全、心不全、COPDなどの食欲不振／悪液質症候群の治療薬としての可能性を秘めています。今後、GDF15についてはその作用メカニズムについて多くの展開がありそうなので、追跡調査をしていく予定です。

GDF15に関する主要総説

ヒトGDF15に関する主な総説を表1に示しました（2024年時点）。レセプターGFRALが発見される2016年までは8報の総説しかなく、その内容もGDF15の生理機能は不明であるが、癌や糖尿病関連疾患のバイオマーカーになりうるというものでした。2017年GFRALが発見された後、堰を切ったように多くの総説が発表されています。その中で、分子メカニズムから疾患との関連まで幅広く解説している次の4報がオープンアクセスでありかつ引用文件数と被引用数が多く、GDF15-GFRAL経路の全体像を知るのに役立ちます。

GDF15の発見者の一人であるオーストラリアのBreitらのグループは、GDF15-GFRAL経路について、分子構造、発現、エネルギー恒常性の制御、糖尿病・ミトコンドリア病・食欲不振／悪液質症候群・癌・炎症疾患との関連、治療のターゲットに関して169報の文献を引用しまとめています［11］。Breitらはさらに3年後、健康と代謝性疾患におけるGDF15-GFRAL経路との関連について新しい情報を含めて解説しています［30］。Lockhartらは、身体に対するストレスを脳に伝えるホルモンという観点で、GDF15とGFRALの分子生物学、人体の生理的状態や病態と血清中GDF15濃度との関連、治療への応用について、249報の文献を引用して解説しています［22］。Wangらは、GDF15の組織による発現パターン、GDF15の成熟と分泌メカニズム、GFRALの役割、前臨床モデルにおける体重への影響、GWASによるバリアントとの関連、2型糖尿病との関係、メトホルミンや運動によるGDF15の発現、非アルコール性脂肪性肝疾患や心血管疾患との関連、悪液質との関係について、152報の文献を引用して解説しています［34］。

他の総説は、肥満［9, 10, 13, 35, 36, 50, 54, 64, 66］、糖尿病［8, 41, 42, 51］、食欲不振／悪液質症候群［5, 9, 11, 13, 58］、癌［4,18, 25, 28, 45, 50, 52, 61, 63］、呼吸器疾患［14, 24］、心血管疾患［19, 29, 31, 38, 40, 49］、腎疾患［53, 55, 62］、肝疾患［59, 60, 65］、筋・ミトコンドリア［20, 26, 32, 37, 39, 56］、脳疾患［6, 33, 46］、敗血症［23］、血液疾患［1］、免疫・COVID-19［27, 44, 57］、加齢［7, 17, 48］、治療［16］など個々の疾患とGDF15との関係に関するものです。