栄養代謝に関わる酵素群の遺伝子発現を制御する転写因子ネットワークの解明と生活習慣病との関連

生活習慣病は日本社会における健康問題の中心にある。病態悪化が悪化すると心血管疾患・がんといった死に結び付く状態にまで進展する。その生活習慣病の発端には栄養代謝の異常がある。その異常を分子レベルで解明することが新たな生活習慣病の治療戦略構築に必要である。生活習慣病の発症は栄養の吸収と消費のバランスの崩れが、体内の過剰栄養蓄積を推し進め、肥満を惹起する。それゆえ、小腸からの栄養吸収、肝臓での栄養代謝、脂肪組織を含む末梢組織への栄養蓄積から病態を考えていく必要がある。我々はこのような視点から、遺伝子発現を調節する転写因子に着目している。栄養代謝に関わる遺伝子の発現を制御する多くの転写因子の中、脂質代謝改善に機能するCyclic AMP Response Element-binding Protein H (CREBH)、逆に、悪化させるSterol regulatory element-binding protein (SREBP)を中心に転写因子間のクロストークによる栄養代謝調節を解析している。

腸肝循環における転写因子CREBHの機能と生活習慣病

我々グループでは小胞体に存在する膜結合型転写因子群(CREBH、SREBP)の機能を解析してきた。SREBPは全身の組織で発現するのに対し、CREBHは栄養代謝の根源にある栄養吸収組織である小腸と栄養代謝組織である肝臓にのみ発現する。

CREBHは肝臓において生活習慣病改善ホルモンFibroblast Growth Factor 21 (FGF21)の発現を直接、上昇させ、食事性肥満を抑制する(Nakagawa et al., 2014)。CREBHは脂質代謝を改善させる核内受容体でもある転写因子PPARαの発現を制御することで脂質代謝を改善させる。さらにCREBHとPPARαはお互いに発現を制御しあうオートループ活性化機構を構築し、効果的に脂質代謝を改善することを我々は見出した(Nakagawa et al., 2014) (Nakagawa et al., 2016b) (Nakagawa and Shimano, 2018)
CREBH欠損マウスでは食餌誘導型の非アルコール性脂肪肝が早期に悪化し、肝炎を生じさせる(Nakagawa et al., 2016a)。しかしながら、その分子メカニズムについては詳細な解析が必要であり、その解析を現在、進めている。
小腸のCREBHは小腸においてコレステロール吸収トランスポーターNPC1L1の発現を抑止することで血中コレステロールを低下させる。それゆえ、小腸CREBH過剰発現マウスは高コレステロール食により誘導される胆石形成を抑制する (Kikuchi et al., 2016)

我々はCRISPR/Cas9システムを用い、独自に作成した組織特異的CREBH欠損マウスを作成した (Nakagawa et al., 2016a)。1回の受精卵へのDNAインジェクションで2ヶ所にLox P配列をゲノム上に挿入したのち、組織特異的ノックアウトマウスを作成し解析した報告では世界初であった。さらに、ROSA26にCREBHを挿入しCre-lox PシステムでCREBHを過剰発現させる組織特異的CREBH過剰発現マウスも作成した(未発表)。

現在、CREBHが肝臓、小腸、2つの組織の連関(腸肝循環)の栄養代謝に機能するメカニズム、他の末梢組織へ与える影響について解明を目指している。その中で、非アルコール性脂肪肝、動脈硬化などの病態形成における分子レベルの解析を進めている。
CREBHは小胞体からゴルジ体、核へと細胞内局在を変え、さらに翻訳後修飾(タンパク切断、糖鎖修飾など)を受け、活性化する。このメカニズムと栄養代謝の関係も解析している。

Kikuchi, T. (博士学生), Orihara, K. (修士学生), Oikawa, F. (修士学生), et al. (2016). Intestinal CREBH overexpression prevents high-cholesterol diet-induced hypercholesterolemia by reducing Npc1l1 expression. Mol Metab 5, 1092-1102.

Nakagawa, Y., Oikawa, F. (修士学生), Mizuno, S., et al. (2016a). Hyperlipidemia and hepatitis in liver-specific CREB3L3 knockout mice generated using a one-step CRISPR/Cas9 system. Sci Rep 6, 27857.

Nakagawa, Y., Satoh, A. (修士学生), Tezuka, H. (修士学生), et al. (2016b). CREB3L3 controls fatty acid oxidation and ketogenesis in synergy with PPARalpha. Sci Rep 6, 39182.

Nakagawa, Y., Satoh, A. (修士学生)(Co-first author), Yabe, S. (修士学生)(Co-first author), et al. (2014). Hepatic CREB3L3 Controls Whole-Body Energy Homeostasis and Improves Obesity and Diabetes. Endocrinology 155, 4706-4719.

Nakagawa, Y., and Shimano, H. (2018). CREBH Regulates Systemic Glucose and Lipid Metabolism. Int J Mol Sci 19.

中川 嘉,島野 仁 動脈硬化と栄養遺伝子制御―膜貫通型転写因子が制御する脂質代謝と動脈硬化 遺伝子制御の新たな主役 栄養シグナル 実験医学増刊 Vol.34 No.15

中川 嘉、島野 仁 PPARαとFGF21 The Lipid 脂質研究の最先端の話題と情報の専門学術誌 2016年10月号(Vol.27 No.4)

中川 嘉・島野 仁 脂質代謝におけるPPARαとFGF21の役割 Medical Science Digest 2018年 12月号

SREBPの活性抑制機構と組織特異的機能

SREBPは脂質合成系遺伝子の発現を上昇させ、脂質異常を引き起こすことが知られている。しかしながら、組織特異的な機能の解析は不十分であり、我々グループではその問題を解決するため、CRISPR/Cas9システムを駆使し、SREBPの組織特異的ノックアウトマウスを作成し、解析を進めている。また、多価不飽和脂肪酸(PUFA)によるSREBPの活性抑制の分子メカニズムについて解析を進めている。

睡眠異常による生活習慣病発症の分子メカニズム

睡眠異常が生活習慣病を発症させると言われているが、分子レベルでは実証されていない。そこで睡眠異常マウスが生活習慣病をどのように発症させるかを検証している。

新規PPARαアゴニスト(脂質異常症治療薬)の活性化機構と薬理効果

脂質異常症の治療薬であるPPARαアゴニスト、ペマフィブレート(K877)は既存のアゴニストに比べて、>1000倍以上の活性化能を有する。この理由について、リガンドー受容体の結合様式について、コンピューター シミュレーションから明らかにした (Yamamoto et al., 2018)。さらに、その薬理作用について、肥満 (Araki et al., 2018)、非アルコール性脂肪肝 (Takei et al., 2017a)、脂質異常症(高コレステロール血症・高トリグリセライド血症) (Takei et al., 2017b)で評価し、その有用性を示した。

Araki, M.(修士学生), Nakagawa, Y., Oishi, A., et al. (2018). The Peroxisome Proliferator-Activated Receptor alpha (PPARalpha) Agonist Pemafibrate Protects against Diet-Induced Obesity in Mice. Int J Mol Sci 19.

Takei, K. (修士学生), Han, S.I., Murayama, Y. (博士学生), et al. (2017a). Selective peroxisome proliferator-activated receptor-alpha modulator K-877 efficiently activates the peroxisome proliferator-activated receptor-alpha pathway and improves lipid metabolism in mice. J Diabetes Investig 8, 446-452.

Takei, K. (修士学生), Nakagawa, Y., Wang, Y. (博士学生), et al. (2017b). Effects of K-877, a novel selective PPARalpha modulator, on small intestine contribute to the amelioration of hyperlipidemia in low-density lipoprotein receptor knockout mice. J Pharmacol Sci 133, 214-222.

Yamamoto, Y., Takei, K. (修士学生)(Co-first author), Arulmozhiraja, S., et al. (2018). Molecular association model of PPARalpha and its new specific and efficient ligand, pemafibrate: Structural basis for SPPARMalpha. Biochem Biophys Res Commun 499, 239-245.

コレステロール合成系の生体における生理機能

高コレステロール血症の治療薬であるスタチンは副作用として、横紋筋融解症を発症することが大きな問題となっている。スタチンはコレステロール合成系の律速酵素HMGCRの阻害剤である。それゆえ、この副作用が筋肉にスタチンが作用したために筋肉でのコレステロール合成の抑制されたことによるものであるかは明確になっていなかった。そこで、我々グループでは筋肉でHMGCRを欠損したマウスを作成した。このマウスは横紋筋融解症を発症し、スタチンの副作用の分子メカニズムを明らかにした(Osaki et al., 2015)。しかしながら、いくつか未だ解決できていない点があり、現在も解析を行っている。さらに、筋肉以外の組織でも解析を進めていく予定である。

Osaki, Y. (博士学生), Nakagawa, Y., Miyahara, S., et al. (2015). Skeletal muscle-specific HMG-CoA reductase knockout mice exhibit rhabdomyolysis: A model for statin-induced myopathy. Biochem Biophys Res Commun 466, 536-540.

中川 嘉、島野 仁 脂質代謝と骨格筋―筋肉のオートファジーとエネルギー代謝 超高齢社会に挑む骨格筋のメディカルサイエンス 実験医学増刊 Vol.36 No.7
中川 嘉、島野 仁 骨格筋の脂質代謝調節 代謝の主役に踊り出た 骨格筋ワールド 実験医学 2014年6月号 Vol.32 No.9

Araki, M., Nakagawa, Y., Oishi, A., Han, S.I., Wang, Y., Kumagai, K., Ohno, H., Mizunoe, Y., Iwasaki, H., Sekiya, M., et al. (2018). The Peroxisome Proliferator-Activated Receptor alpha (PPARalpha) Agonist Pemafibrate Protects against Diet-Induced Obesity in Mice. Int J Mol Sci 19.

Kikuchi, T., Orihara, K., Oikawa, F., Han, S.I., Kuba, M., Okuda, K., Satoh, A., Osaki, Y., Takeuchi, Y., Aita, Y., et al. (2016). Intestinal CREBH overexpression prevents high-cholesterol diet-induced hypercholesterolemia by reducing Npc1l1 expression. Mol Metab 5, 1092-1102.

Nakagawa, Y., Oikawa, F., Mizuno, S., Ohno, H., Yagishita, Y., Satoh, A., Osaki, Y., Takei, K., Kikuchi, T., Han, S.I., et al. (2016a). Hyperlipidemia and hepatitis in liver-specific CREB3L3 knockout mice generated using a one-step CRISPR/Cas9 system. Sci Rep 6, 27857.

Nakagawa, Y., Satoh, A., Tezuka, H., Han, S.I., Takei, K., Iwasaki, H., Yatoh, S., Yahagi, N., Suzuki, H., Iwasaki, Y., et al. (2016b). CREB3L3 controls fatty acid oxidation and ketogenesis in synergy with PPARalpha. Sci Rep 6, 39182.

Nakagawa, Y., Satoh, A., Yabe, S., Furusawa, M., Tokushige, N., Tezuka, H., Mikami, M., Iwata, W., Shingyouchi, A., Matsuzaka, T., et al. (2014). Hepatic CREB3L3 Controls Whole-Body Energy Homeostasis and Improves Obesity and Diabetes. Endocrinology 155, 4706-4719.

Nakagawa, Y., and Shimano, H. (2018). CREBH Regulates Systemic Glucose and Lipid Metabolism. Int J Mol Sci 19.

Osaki, Y., Nakagawa, Y., Miyahara, S., Iwasaki, H., Ishii, A., Matsuzaka, T., Kobayashi, K., Yatoh, S., Takahashi, A., Yahagi, N., et al. (2015). Skeletal muscle-specific HMG-CoA reductase knockout mice exhibit rhabdomyolysis: A model for statin-induced myopathy. Biochem Biophys Res Commun 466, 536-540.

Takei, K., Han, S.I., Murayama, Y., Satoh, A., Oikawa, F., Ohno, H., Osaki, Y., Matsuzaka, T., Sekiya, M., Iwasaki, H., et al. (2017a). Selective peroxisome proliferator-activated receptor-alpha modulator K-877 efficiently activates the peroxisome proliferator-activated receptor-alpha pathway and improves lipid metabolism in mice. J Diabetes Investig 8, 446-452.

<pTakei, K., Nakagawa, Y., Wang, Y., Han, S.I., Satoh, A., Sekiya, M., Matsuzaka, T., and Shimano, H. (2017b). Effects of K-877, a novel selective PPARalpha modulator, on small intestine contribute to the amelioration of hyperlipidemia in low-density lipoprotein receptor knockout mice. J Pharmacol Sci 133, 214-222.>

Yamamoto, Y., Takei, K., Arulmozhiraja, S., Sladek, V., Matsuo, N., Han, S.I., Matsuzaka, T., Sekiya, M., Tokiwa, T., Shoji, M., et al. (2018). Molecular association model of PPARalpha and its new specific and efficient ligand, pemafibrate: Structural basis for SPPARMalpha. Biochem Biophys Res Commun 499, 239-245.