JP4381138B2 - Il−18遺伝子導入動物 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、アトピー性皮膚炎、特に慢性アトピー性皮膚炎のモデル動物として有用なトランスジェニック動物に関する。
背景技術
アトピー性皮膚炎、喘息、アレルギー性鼻炎、アレルギー性結膜炎等のアトピー性疾患は正常人が反応しない環境抗原等に対して過敏に反応を示し、自己の免疫系による各臓器の破壊、障害を生ずる疾患である。これらの疾患の発生機序にはアレルギー反応を増強するTh2型サイトカインの関与が想定されている。その誘導機序、調節機序の解明は生理学及び薬学上重要な意味を持つが、詳細なメカニズムは明らかにされていない。
現在、アトピー性疾患の治療には主として、抗原からの回避、ヒスタミン等のメディエーターの受容体の結合に拮抗する抗ヒスタミン剤、抗炎症ステロイド剤等によるものが知られているが、より特異的な作用機序をターゲットとした治療方法の開発は、適切な実験動物がないことにより妨げられている。
従来、実験動物にアレルギー反応を誘発させるためには、予め抗原又はアレルゲンを繰り返し免疫することにより動物を感作しておいてから当該抗原又はアレルゲンを投与する必要があった。この場合、同時に多数の動物を感作するのは多大な労力を要するばかりでなく、個々の動物間に反応性のばらつきが生じることがあり、実験の再現性の上で問題となることがあった。
近年、NC/Ngaマウスがアトピー性皮膚炎のモデル動物として注目されているが、このマウスに起こる皮膚炎はダニ存在下で初めて発症するもので、その発症率も不安定であり、症状も一定しない。
アトピー性疾患の治療薬の開発には動物実験が不可欠で、特にアトピー性皮膚炎のモデル動物が希求されているが、遺伝的背景が確立され、免疫学的にも明らかで、特異的病原微生物を排除した条件下で各種治療法及び薬剤の開発研究に利用可能なアトピー性皮膚炎モデル動物は現在のところ存在せず、実用に供されていない。
従って、本発明の目的は、アトピー性皮膚炎モデルとして有用な動物を作製することにある。
発明の開示
そこで本発明者らはインターロイキン18(IL−18)に着目した。IL−18は、カスパーゼ1(IL−1β変換酵素)と呼ばれるプロテアーゼによってプロセシングを受けて前駆型から成熟型に変換される。成熟型のIL−18の機能としては、(1)IFN−γ産生の誘導、(2)Fasリガンド発現の増強によるFas介在性アポトーシスの増強、(3)GM−CSFの誘導、(4)IL−12との共存によるIgE産生抑制等が知られている。また、IL−18は免疫組織以外の骨芽細胞様間質細胞、ケラチノサイト、小腸上皮細胞、副腎皮質細胞、下垂体細胞といったさまざまな組織でも発現されており、その生理学的な役割について活発な研究が行われている(免疫1997−98,中山書店,62−72;臨床免疫,30(2),191−198,1998等参照)。近年、発明者等はIL−18単独で過剰発現した場合は、IL−4及びIL−13の産生を増強し、IgE産生を誘導する知見を得た。このことは、IL−18がアトピー性疾患の発症に関係するTh2型サイトカインに深く関与していることを意味する。従って、IL−18を成熟型に変換するカスパーゼ1の分泌が促進されたモデル動物が作製されれば、アトピー性疾患の発症メカニズムの解明、治療法の開発に有用であると考えた。しかし、カスパーゼ1はアポトーシス誘導酵素であるため、この遺伝子を導入して生体内で発現させるとIL−18分泌のみでなく細胞死効果も発生するという問題があった。
かかる観点から本発明者らはカスパーゼ1遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAを導入したトランスジェニック非ヒト哺乳動物を作製し、先に特許出願した(国際公開WO01/95710号)。このトランスジェニック動物はアトピー性皮膚炎の症状を呈し、モデル動物として有用である。しかし、このトランスジェニック動物も表皮細胞壊死症状が生じ急性期皮膚炎の症状が見られ、また細菌感染により全身性の肝障害を生じることがあった。
そこで本発明者らは、さらに検討した結果、直接、成熟型IL−18を皮膚特異的に発現するように組み換えたDNAを動物細胞に導入すれば、血中に持続的に成熟型IL−18を分泌し、ダニ、カビ類等の特異的病原微生物を排除した条件下において飼育してもアトピー性皮膚炎の症状を呈するトランスジェニック動物が作製できること、さらに意外にも当該トランスジェニック動物が表皮細胞壊死症状や肝障害がなく、よりヒトのアトピー性皮膚炎に近いモデル動物として有用であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、外来性のIL−18遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAを有するトランスジェニック非ヒト哺乳動物又はその子孫、及びその作製方法を提供するものである。
また本発明は、上記トランスジェニック動物に被験物質を投与し、アトピー性皮膚炎の改善効果を検定することを特徴とするアトピー性皮膚炎の予防又は治療用物質のスクリーニング方法、及び当該スクリーニングによりアトピー性皮膚炎の改善効果を有すると判定される物質を含有するアトピー性皮膚炎の予防又は治療用医薬を提供するものである。
発明を実施するための最良の形態
本発明のトランスジェニック動物は、体細胞及び生殖細胞に外来性のIL−18遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAを有する。ここで外来性IL−18遺伝子としては、ヒト又はマウスのIL−18遺伝子が好ましく、例えばヒト成熟型IL−18(hIL−18)、マウス成熟型IL−18(mIL−18)、ヒト前駆型IL−18(hproIL−18)、マウス前駆型IL−18(mproIL−18)等の遺伝子が挙げられるが、hIL−18又はmIL−18が好ましく、mIL−18の完全なコード領域の0.63kb cDNAが特に好ましい。
外来性のIL−18遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAとしては、外来性IL−18遺伝子と皮膚特異的蛋白のプロモータとを含む組み換えDNAが好ましい。ここで、皮膚特異的蛋白のプロモータとしては、皮膚に特異的に存在する蛋白のプロモータが挙げられ、例えばケラチン14、ケラチン5、ケラチン1、ケラチン10等のケラチンプロモータ、インボルクリン等のプロモータが挙げられるが、ケラチンプロモータが特に好ましい。また、IL−18の分泌を促進させるため、副甲状腺ホルモン遺伝子、例えばprepro副甲状腺ホルモン(prepro Parathyroid hormone:PTH)遺伝子のリーダーシークエンスをIL−18遺伝子に結合するのが好ましい。成熟型IL−18を皮膚特異的に発現させ、かつ良好に分泌させるにはケラチンプロモータの下流に副甲状腺ホルモン遺伝子及びIL−18遺伝子を結合させるのがより好ましい。さらに、遺伝子の発現効率を上げるためβ−globinイントロン等のイントロンも結合するのが好ましい。
上記DNAは、遺伝子導入哺乳動物において、目的とするメッセンジャーRNAの転写を終結する配列(ポリA、一般にターミネーターと呼ばれる)を有していることが好ましく、例えば、ウィルス由来、各種哺乳動物由来の各遺伝子の配列を用いて遺伝子発現を操作することができる。好ましくは、前記皮膚特異的蛋白のポリA、特に好ましくはケラチンのポリA等が用いられる。その他、目的の遺伝子をさらに高発現させる目的で、各遺伝子のスプライシングシグナル、エンハンサー領域、真核遺伝子のイントロンの一部を、プロモーター領域の5′上流、プロモーター領域と翻訳領域間あるいは翻訳領域の3′下流に連結することも可能である。
かくして得られる組み換えDNAを導入するための非ヒト哺乳動物としては、ウシ、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ウサギ、イヌ、ネコ、モルモット、ハムスター、ラット、マウス等が挙げられる。好ましくは、ウサギ、イヌ、ネコ、モルモット、ハムスター、マウス又はラットであり、なかでもモルモット、ハムスター、マウス、ラット等の齧歯目(Rodentia)が好ましく、とりわけマウスが好ましい。
本発明のトランスジェニック動物は、例えば非ヒト哺乳動物の受精卵に、前記外来性のIL−18遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAを導入し、当該受精卵を当該動物の雌に着床させることにより作製される。ここで、受精卵としては、雄精前核時期(受精後約12時間位)のものが好ましい。また組み換えDNAの導入方法としては、リン酸カルシウム法、電気パルス法、リポフェクション法、凝集法、マイクロインジェクション法、パーティクルガン法、DEAE−デキストラン法等が挙げられるが、マイクロインジェクション法が特に好ましい。
組み換えDNAを導入した受精卵は、当該受精卵と同種の動物の雌に着床させる。着床の手段は、偽妊娠雌性動物の卵管に人工的に移植、着床させる手段が好ましい。かくして、受精卵を着床させた動物から生まれた仔の中から、目的とする遺伝子を発現している個体を選別し、当該個体を継代すればよい。
得られたトランスジェニック動物に目的遺伝子が含まれているか否かの確認は、皮膚からDNAを採取し、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)及びサザンブロッティング法による導入遺伝子の解析によって行うことができる。
かくして得られる本発明のトランスジェニック動物は、皮膚において外来性IL−18遺伝子が発現されるため、特異的病原微生物の非存在下でもアトピー性皮膚炎の症状を呈し、かつ長期間生存するという特徴を有する。
すなわち、本発明のトランスジェニック動物は、外来性のIL−18遺伝子を皮膚のみに有し、他の組織、例えば肝臓、腎臓、肺、脳、脾臓では有さない。その結果、本発明のトランスジェニック動物の皮膚には、成熟型IL−18が多量に分泌されている。さらに本発明のトランスジェニック動物の血中には成熟型IL−18が正常動物に比べて大量に含まれている。
本発明のトランスジェニック動物は、24週齢ぐらいからアトピー性皮膚炎の症状を、例えば苔癬化皮膚炎、びらん性皮膚炎等を呈する。このうち、苔癬化皮膚炎の症状は、前記のカスパーゼ1遺伝子導入動物の場合に比べてはっきり特徴的に生じており、本発明のトランスジェニック動物がヒトの慢性皮膚炎により近いものであることを示している。
また、皮膚組織の光学顕微鏡観察では、本発明トランスジェニック動物は24週齢ぐらいから、潰瘍の周辺の厚い表皮には、過角化を伴った炎症又は表皮肥厚といった変化が生じ、病変の真皮には、単核細胞及び肥満細胞の浸潤が生じる。しかし、表皮細胞壊死はほとんど生じない。また、本発明トランスジェニック動物では肝障害がほとんどみられない。ヒトのアトピー性皮膚炎には表皮細胞壊死や肝障害は通常みられないことから、本発明のトランスジェニック動物は、ヒトのアトピー性皮膚炎に極めて近い症状を呈するものであることがわかる。
また、本発明のトランスジェニック動物は、正常動物及び前記のカスパーゼ1遺伝子導入動物に比べて極めて多くの皮膚掻破行動をくり返し、アトピー性皮膚炎特有の強い掻痒を伴うことがわかる。さらに、本発明のトランスジェニック動物は、血中のヒスタミンレベル及びIgEが極めて高いという、アトピー性皮膚炎特有の症状を示す。
このように本発明のトランスジェニック動物は、特異的病原微生物非存在下で、アトピー性皮膚炎の症状を呈するので、アトピー性皮膚炎の症状モデルとして有用である。すなわち、本発明のトランスジェニック動物又はその子孫に被験物質を投与し、アトピー性皮膚炎の改善効果を検定すれば、アトピー性皮膚炎の予防又は治療用物質のスクリーニングが可能となる。ここで、アトピー性皮膚炎の改善効果は、前記血中成熟型IL−18レベルの測定、皮膚中の成熟型IL−18の検出、肉眼観察、皮膚組織の顕微鏡観察、血中ヒスタミンレベルの測定等を単独で又は適宜組み合せて検定すればよい。また当該スクリーニングによりアトピー性皮膚炎改善効果があると判定された被験物質はアトピー性皮膚炎の予防又は治療用の医薬として有用である。
実施例
次に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は何らこれに限定されるものではない。
まず、実施例に用いた各種試験方法及び材料について説明する。
(1)ノーザンブロット法
mIL−18のcDNAは、兵庫医大(岡村博士)より入手した(Nature,378,p88−91,1995)。全RNAは、後記実施例1により得られたmIL−18トランスジェニックマウス(KIL−18Tg)及びコントロールマウスの組織からIsogen試薬(ニッポンジーン社製)を使用して抽出した。ノーザンブロット解析では、10μgの全RNAを2重量%ホルムアルデヒド/アガロースゲル電気泳動により、サイズを分画した。RNAをナイロン膜(Immobilon−N、ミリポア社製)に移し、マウスのIL−18に対応する32PでラベルしたcDNAをプローブに使用した。ハイブリダイゼーションの後、ブロットを42℃、1×SSC/0.1重量%SDSで2回、2×SSC/0.1重量%SDSで2回洗浄した。その後、ブロットを−70℃でX線フィルムに露光した。
(2)サイトカイン、サイトカインアッセイ及び抗体
IL−18の生物学的活性は、IL−18反応性マウスNK細胞を使用してIFN−γ誘導活性で測定した。リコンビナントマウスIL−18(rmIL−18)、ウサギ抗マウスIL−18中和抗体及びマウスIL−18ELISAキットは林原研究所より入手した。マウスIL−18ELISAキットでは10〜1000pg/mLのIL−18を検出可能であった。
(3)免疫組織化学
トランスジェニックとワイルドタイプマウスからのバイオプシー標本は、リン酸緩衝ホルマリンで2時間固定した。次いで、パラフィン切片にカットした。サンプルは、直ちに、冷凍組織用包埋剤であるOCT compound(Miles社製)中で、凍結し、−70℃で保存した。クリオスタットの部分(5μm)は、アセトンで5分間、4℃で固定し、適度に希釈した一次抗体で1時間インキュベートした。洗浄後、結合した一次抗体を基質としてAEC(ダコジャパン社製)を使用してVectastein Eliteキット(Vector Laboratories社製)で視覚化した。
(4)イムノブロット
イムノブロットはJ.Clin.Invest.87:1066(1991)に従って行った。Isogenキットを使用して、DNAとRNAを除去した後、トランスジェニックとコントロールマウスからの表皮の細胞ライセートを還元条件下、SDS−サンプルバッファーで懸濁した。電気泳動した蛋白質を、セミドライブロッター(Bio−Rad社製)を使用してニトロセルロース膜(Scheicher & Schuell社製)に転写した。膜を一次抗体で1時間インキュベートした後、アルカリホスファターゼ標識抗マウスIgG又は抗ウサギIgG抗体で二次インキュベートし、最後に、ウエスタンブルー基質(Promega社製)で発色させた。
実施例1
(1)DNA構成及びトランスジェニックマウスの作製
prepro副甲状腺ホルモン遺伝子リーダーシークエンス(PTH)と結合したmIL−18の完全なコード領域の0.63kb cDNA(東大医科研、田原博士より入手。Genetherapy,6,808−815(1999)参照)を、ケラチン14プロモータ(シカゴ大学、E.Fuchs博士より入手。Nature,374,p159(1995)参照)及びウサギβglobinイントロン(京都大学、田中博士より入手。Nature,374,p159(1995)参照)に平滑末端ライゲーションによって結合させた(図1:図1中、K14 promoterはケラチン14プロモータを、βglobin Intronはウサギβglobinイントロンを、PTH−mIL−18は、PTHとmIL−18の完全なコード領域0.63kb cDNAを、K14 polyAはヒトケラチン14ポリAを示す)。得られたDNAフラグメントをC57BL/L6マウス(日本チャールスリバー社)の受精卵へDev.Growth Differ.,39:257(1997)記載の方法に準じてマイクロインジェクション法により注入した。
(2)トランスジェニックマウスにおける皮膚でのmIL−18過剰発現の確認
尾部皮膚からのDNAを使用したPCR及びサザンブロッティング法による導入遺伝子の取り込みによって仔をスクリーニングした。トータル50匹誕生したマウスのうち2匹(♂2)がmIL−18のトランスジェニックであった(以下、KIL−18Tgと略す)。KIL−18Tgは、誕生時より健康で、正常に成長した。24週齢前においては同腹児のワイルドタイプよりやや小さかった。この時点の後、KIL−18Tgは慢性活動性皮膚炎の症状が明確に発現した。2匹の♂KIL−18Tgは、ワイルドタイプ♀と交配させた結果、♂:♀=1:1でKIL−18Tgとワイルドタイプの仔が誕生した。すべての実験は、非トランスジェニックやワイルドタイプ同腹児と導入遺伝子のライン化されたヘテロ接合体との比較で行った。
(3)皮膚の症状
KIL−18Tgは、特別な病原体の検出されない条件のもとで24週から、目の周りの中程度の皮膚炎が著明となり、急速に広範囲の皮膚炎に進展した。これらの症状は、その後数週内に顔、耳、首、胴体、足に広がった。皮膚炎症の慢性化が起こり、皮膚炎は持続した。顔、体幹、四肢の毛は、多数の掻破痕を伴い消失した。
光学顕微鏡レベルでは、KIL−18Tgの表皮は、24週まで特に組織学的変化は認められなかった。24週齢のKIL−18Tgの病変部の厚い表皮は、苔癬化を伴った慢性湿疹様の変化が認められた。病変の真皮には、多くの単核細胞と肥満細胞が浸潤していた。表皮細胞の壊死は認められなかった。
高レベルのIL−18が、KIL−18Tgの厚い表皮組織中で検出された。一方、コントロールのマウスではそれは極小量検出されただけであった。
(4)皮膚における成熟型IL−18の検出
ノーザンブロット解析及びRT−PCRにより、KIL−18Tgの耳表皮、背部表皮、肝臓、腎臓、結腸、肺、脳及び脾臓におけるmIL−18のmRNAを測定した。その結果、0.63kb mIL−18のmRNAは、KIL−18Tgの耳及び背部表面にのみ認められたが、他の組織(肝臓、腎臓、結腸、肺、脳及び脾臓)では認められなかった(図2及び3参照)。なお、図2中、レーン1はKIL−18Tgの、レーン2は非トランスジェニック(ワイルドタイプ)の耳表皮組織のmRNAの検出結果を示す。図3中、レーン1はλHindを、レーン2はKIL−18Tgを、レーン3は正常マウス、レーン4は陽性コントロールを示す。
(5)血中におけるIL−18レベル
外因性IL−18による局所でのIL−18の活性化が、成熟型のサイトカインの全身性の蓄積をもたらすのかどうかを検討した。図4に示すように、高レベルのIL−18が有意に誕生後12週及び36週のKIL−18Tgの血清中で認められた。対照的に、ワイルドタイプ(WT)の同腹児では、生存期間中を通じて、血清中でのIL−18のレベルは、低かった(0.1ng/mL以下)。KIL−18Tgの血清IL−18濃度は、高値を維持した。また図4にはカスパーゼ1遺伝子を皮膚特異的に発現するように組み込んだDNAを有するトランスジェニックマウス(国際公開WO01/95710号参照、KCASP1Tg)の血清中のIL−18濃度も示した。KIL−18Tgの血清中IL−18濃度は、KCASP1Tgのそれよりも極めて高かった。
KIL−18Tgの血清中IL−18が成熟型IL−18であることを確かめるために、KIL−18Tgの血清中IL−18の生物学的活性を検討した。その結果、KIL−18Tgからの血清は、IL−18反応性のクローン化されたナチュラルキラー細胞によるIFN−γ産生を誘導する能力があることがわかった。さらに、このIFN−γ誘導能力は、抗IL−18抗体(中和抗体)により完全に阻害された。これは、KIL−18Tgの血清中に活性型IL−18を含んでいることを意味する。しかしながら、IFN−γは定常状態では、KIL−18Tgの血清中には検出されなかった。このように、KIL−18Tgは循環血中に持続的に成熟型IL−18を分泌していた。
(6)トランスジェニックマウスの皮膚掻破行動
目視法に従ってKIL−18Tg及びワイルドタイプ(C57BL/L6マウス)における皮膚掻破回数を60分間測定した。
その結果、図5に示すように、ワイルドタイプの掻破回数は10分間あたり50回以下であるのに対し、KIL−18Tgのそれは10分間あたり300回以上であり、本発明のトランスジェニックマウスには痒みを伴う強い皮疹が生じていることがわかった。またKIL−18Tgの掻破回数はKCASP1Tgのそれよりも多かった。
(7)血中におけるIgEレベル
KIL−18Tg及びワイルドタイプの血中IgE濃度(ELISA法)を36週齢に測定した。その結果を図6に示す。この結果より、本発明のトランスジェニックマウスは、血中IgEレベルが36週齢で120μg/mm以上と極めて高値となることがわかる。また、KIL−18Tgの血中IgEレベルはKCASP1Tgのそれよりも極めて高かった。
産業上の利用可能性
本発明のトランスジェニック非ヒト哺乳動物は、特異的病原微生物の非存在下で自然発症的にアトピー性皮膚炎を発症するので疾患モデル動物として有用である。本発明のトランスジェニック動物を用いれば、自然免疫によるアトピー性皮膚炎の予防治療用医薬の開発、さらにはアトピー性疾患の発症メカニズムの解明が可能となる。
【図面の簡単な説明】
図1は、導入に用いた組み換えDNAの結合状態を示す図である。
図2は、KIL−18Tgの耳表皮組織中におけるmIL−18のmRNAの発現を、ノーザンブロット解析した結果を示す図である。
図3は、KIL−18Tgの耳表皮組織中におけるmIL−18の同mRNAの発現を、RT−PCRで解析した図である。
図4は、KIL−18Tg、KCASP1Tg及びワイルドタイプ(WT)における誕生後12週及び36週の血清中IL−18濃度の変化を示す図である。
図5は、KIL−18Tg、KCASP1Tg及びワイルドタイプ(WT)における皮膚掻破回数の測定結果を示す図である。
図6は、KIL−18Tg、KCASP1Tg及びワイルドタイプ(WT)の血中のIgE濃度(36週)を示す図である。

Claims (5)

  1. ケラチン14プロモータの下流に副甲状腺ホルモン遺伝子リーダーシークエンス及び外来性のIL−18遺伝子を結合した組み換えDNAを有し、持続的にアトピー性皮膚炎を生じ、血中に持続的に成熟型IL−18を分泌するトランスジェニック非ヒト哺乳動物又はその子孫。
  2. 当該組み換えDNAが、ケラチン14プロモータの下流に、β−グロビンイントロン、副甲状腺ホルモン遺伝子リーダーシークエンス、外来性のIL−18遺伝子、及びケラチンのポリAを結合した組み換えDNAである請求項1記載の動物又はその子孫。
  3. 表皮細胞壊死及び肝障害をほとんど生じないものである請求項1又は2のいずれかに記載の動物又はその子孫。
  4. 請求項1〜のいずれか1項記載の動物又はその子孫に被験物質を投与し、アトピー性皮膚炎の改善効果を検定することを特徴とするアトピー性皮膚炎の予防又は治療用物質のスクリーニング方法。
  5. 非ヒト哺乳動物の受精卵に、ケラチン14プロモータの下流に副甲状腺ホルモン遺伝子リーダーシークエンス及び外来性のIL−18遺伝子を結合した組み換えDNAを導入し、当該受精卵を当該動物の雌に着床させることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の動物又はその子孫の作製方法。
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