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アミノ酸シグナルに応答した肝臓脂質蓄積の新機構の解明

西, 宏起 東京大学 DOI:10.15083/0002002308

2021.10.13

概要

タンパク質の量が少ない食餌、もしくは必須アミノ酸が 1 種類でも要求量に達していない食餌を給与された「低タンパク質栄養状態」の動物では、血中のインスリン様ペプチドの濃度が低下して成長遅滞が引き起こされる。同時にこの動物の肝臓ではインスリン感受性が亢進すると共に、中性脂質であるトリアシルグリセロール(TAG)が蓄積して脂肪肝を呈することがわかっている。インスリンは肝臓の脂質代謝制御に深く関わる同化ホルモンであることから、当初私はこの低タンパク質栄養状態に応じた脂肪肝形成機構を解明するにあたって、肝臓のインスリン様活性の増強が原因ではないかと予想して本研究に着手した。しかし博士前期課程において、肝細胞がインスリンの作用とは独立にアミノ酸に直接応答して脂質蓄積を誘導することを発見し、ここまでの研究成果により、アミノ酸自身が有する物質代謝をある方向に調節して恒常性を維持するシグナルを「代謝制御性アミノ酸シグナル」と提唱するに至っている。

本論文ではこの代謝制御性アミノ酸シグナルに応答した肝臓のTAG 蓄積誘導メカニズムの解明を目的として研究を進めた。第 1 章では低タンパク質栄養状態のラットの表現型の解析および肝臓に TAG が蓄積する生化学的なメカニズムの解明を行い、第 2 章ではそれを仲介するシグナル経路およびシグナル分子の同定を試みた。

第 1 章 タンパク質の栄養状態の悪化に伴う肝臓の脂質代謝変化
まず 15%カゼイン相当のアミノ酸を含む対照アミノ酸混合食(CN 食)と 5%カゼイン相当の低アミノ酸食(5AA 食)を 6 週齢の雄性 Wistar ラットに 7 日間給餌した。これまでの研究成果通り、CN 食と比較して 5AA 食でも低タンパク食と同様に成長速度が低下して成長遅滞が観察された。同時に、5AA 食群の肝臓には低タンパク食を給餌した場合と同様にTAG 蓄積が観察された。そこで CN 食に含まれる 20 種類のアミノ酸のうちどのアミノ酸の不足が肝臓の TAG 蓄積誘導に主に寄与していたのかを調べるために、CN 食からアミノ酸を 1 種類ずつ 5AA 食相当に減らした餌を同様にラットに給餌したところ、アルギニンを不足した餌(ΔArg 食)によって顕著な脂肪肝形成が観察された。この際の血中の遊離アミノ酸濃度を測定したところ、5AA 食群の血中では CN 食群と比較してスレオニン濃度の低下とセリン/グリシン濃度の上昇が観察されたのに対して、ΔArg 食群の血中ではチロシン濃度の低下とメチオニン/ヒスチジン濃度の上昇が観察されるなど、餌の種類に応じて特徴的な血中アミノ酸プロファイルのパターンを示した。この 5AA 食やΔArg 食を 1 週間以上さらに長期間給餌したところ、給餌 1 週間で観察されていた体重の差や肝臓 TAG 蓄積量の差などは次第に小さくなっていき、約 20 週間程度給餌すると CN 食を給餌し続けた群と顕著な差は観察されなくなった。また肝臓に中性脂質が過剰に蓄積すると、一般的には酸化ストレスによる肝傷害が誘発されることが知られているが、5AA 食やΔ Arg 食を長期間給餌しても肝傷害マーカーは上昇しなかったことから、5AA 食やΔArg 食給餌に起因する脂肪肝は肝臓に負荷をかけない短期的な応答であることがわかった。

続いてこの 5AA 食やΔArg 食による肝臓へのTAG 蓄積のメカニズムを明らかにするために、それぞれの餌を給餌したラットの肝臓における脂質のフラックス(脂質酸化、脂肪酸取り込み、脂質合成、脂質分泌)を検討した。脂質酸化の指標として呼吸商(RER)を測定したところ、5AA 食群・ΔArg 食群ともに CN 食群と顕著な差は観察されなかった。蛍光標識した脂肪酸アナログを 5AA 食やΔArg 食を給餌したラットに投与して肝臓の脂肪酸取り込みを測定したところ、これも CN 食群と顕著な差は観察されなかった。一方で同位体標識した基質を投与することで 5AA 食やΔArg 食を給餌したラットの肝臓中の新規脂質合成量を測定したところ、5AA 食群の肝臓だけで特異的に新規脂質合成が活性化されていた。またリポプロテインリパーゼ(LPL)の阻害剤である tyloxapol を用いて各臓器での TAG の取り込みを抑制することで、肝臓からのTAG 分泌速度を測定したところ、Δ Arg 食群の肝臓だけで特異的に TAG 分泌が抑制されていた。これらの結果から、私は、 5AA 食による肝臓のTAG 蓄積は脂質の新規合成の促進が、ΔArg 食による肝臓のTAG 蓄積は肝臓からのTAG 分泌の抑制がそれぞれ主たる原因であると結論した。興味深いことに、この結果は 5AA 食群とΔArg 食群のラットはアルギニンの摂取量が共に同程度に不足しているにも関わらず、両者は全く異なるメカニズムで脂肪肝を誘導していることが示された。

第 2 章 肝臓脂質蓄積を誘導する栄養シグナルの探索
5AA 食やΔArg 食を給餌した際に観察される代謝変化がどのような分子機構で引き起こされるのかを調べるために、ラットに代謝中間体を添加した食餌を給餌、あるいは種々の代謝系の阻害剤を投与するなどした後に肝臓 TAG 量を測定した。その結果プリン塩基の一つであるアデニンを食餌に添加した際に、ΔArg 食による肝臓のTAG 蓄積が完全に抑制された。これらのラットの血中のアミノ酸プロファイルと肝臓 TAG 量との関係について、機械学習の一種である自己組織化マップ(SOM)および多層パーセプトロン(MLP)を用いた非線形解析を試みた。その結果血中アミノ酸プロファイルと肝臓TAG量の間に一定の相関関係が見出され、血中アミノ酸濃度から肝臓のTAG 量が推測できる可能性が示された。

博士前期課程では、肝細胞が細胞自律的に直接細胞外のアミノ酸濃度の変化を認識して脂質代謝を変化させることを示した。後期課程で得られた研究成果を併せて、私は、「食餌中のアミノ酸の不足やアルギニンの不足により生体内の栄養シグナル系の活性が変化し、それによってアミノ酸代謝・ヌクレオチド代謝・窒素代謝が複雑に変動することで特定の代謝物の量が変わり、その代謝物の有する特定の生理活性(例えばTAG 分泌の抑制など)が誘導される」というシステムが稼働していると結論した。代謝制御性アミノ酸シグナルを仲介する分子機構についてはこれまでほとんど明らかになっていないことから、本研究から存在が示唆されたシグナル伝達システムを解明することにより、アミノ酸の摂取バランスに応じた生体のホメオスタシスの維持機構に関する新しい概念を提唱することになると自負している。今後、代謝制御性アミノ酸シグナルについての知見は、世界的な臨床課題である非アルコール性脂肪肝の治療法の開発や、畜産物の品質改変における栄養学的介入法の開発などにも利用できるであろう。また、機械学習による血中アミノ酸プロファイルの解析技術を発展させることにより、非アルコール性脂肪肝の診断・予防法の開発のみならず、ヒトや畜産動物において組織特異的に脂質代謝を変化させるような食事組成を算出・設計するような技術の開発にも直結すると期待している。

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