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平成20年7月4日

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哺乳類胚発生におけるオートファジーの役割を解明

−マウス受精卵、自身の細胞内たんぱく質を分解して栄養に−

 JST基礎研究事業の一環として、東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科水島 昇 教授らは、マウスの受精卵(胚)を用いて、受精直後にオートファジー(自食作用)注1)による細胞内の自己分解作用が活性化され、それ(細胞内のたんぱく質分解)による栄養素の自給自足が着床までの胚発生に必要であることを突き止めました。
 オートファジーは細胞内の大規模なたんぱく質分解(リサイクル)機構です。これまで知られているオートファジーの代表的役割として、(1)絶食などで栄養が不足した時に、細胞が自身の一部を分解することで栄養素を自給自足すること、(2)細胞内を少しずつ入れ替えることによって、有害なたんぱく質などが蓄積しないよう浄化すること――などが挙げられます。
 研究チームは今回、(A)受精直後のマウスの卵(胚)でオートファジーが活発となること、(B)マウスの受精卵(胚)でオートファジーが機能しないと、受精後の発生が損なわれ、着床に至らないこと――を発見しました。これらの結果は、卵細胞内に蓄えられていた母親由来のたんぱく質をオートファジーによって分解することが、初期胚の栄養獲得に重要であることを示しています。今回の研究は、哺乳類の発生時におけるオートファジーの役割をマウスを用いた研究により初めて示したものです。
 鳥や魚と異なり、ほとんど卵内に栄養を持たない哺乳類の卵が、受精後着床までの間どのように栄養素を獲得しているかは不明でしたが、今回の成果であるオートファジーの役割はそれに対する答となると考えられます。不妊治療で着床前発生は重要な時期であるため、卵細胞内のたんぱく質代謝機構の解明は治療戦略上新たな視点を与えるものでもあると考えられます。
 本研究成果は、2008年7月3日(米国東部時間)発行の米国科学雑誌「Science」に掲載されます。

 戦略的創造研究推進事業 発展研究(SORST)
研究課題名 「オートファジーによる細胞内クリアランス機構」
研究者 水島 昇(東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科 教授)
研究期間 平成18〜19年度
 本研究課題は、戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「タイムシグナルと制御」研究領域で得られた成果を発展させたものです。

<研究の背景>

 細胞を健全な状態に維持するためには、細胞を構成するたんぱく質を適切に合成するだけでなく、それらを適切に分解し、常に新しいたんぱく質に置き替えることが重要です。細胞内には、分解すべきたんぱく質を個別に認識して分解する機構(ユビキチン・プロテアソーム系注2)など)と、むしろ非選択的に大規模に分解する機構があります。後者の代表が「オートファジー(自食作用)」と呼ばれるものです。
 オートファジーの仕組みは図1に示すように、巧妙な膜構造の動態を利用しています。まず、細胞質の一部がオートファゴソームという袋状の小器官に取り囲まれ、そこにリソソーム注3)が融合し、リソソーム内の多種類の分解酵素によって内容物が分解されます。分解されて生じたアミノ酸は、再び細胞質に戻って再利用されます。オートファジーの生理的役割はこの数年間で急速に解明されつつあり、現在最も注目されている生命現象の1つとなっています。
 水島らは、2004年にオートファジーがいつ、どこで、どのくらい起こっているかを簡便にモニターできる「GFP-LC3マウス」を開発しました。このマウスを用いて、絶食させると全身でオートファジーが活発になることを見出しました(Molecular Biology of the Cell、15巻1101-1111頁、2004年)。さらに出生直後のマウス新生児においても、オートファジーが活発になることを発見しました。これは、胎盤からの栄養が突然遮断されたことによる飢餓に対する応答であると考えられます。
 また、オートファジーに必要なAtg5遺伝子を全身で欠損したマウスは、ほぼ正常に生まれますが、オートファジーによる十分な栄養素の供給が行われず、生後1日以内に深刻な栄養不良状態に陥り、やがて死に至ることを示しました(Nature、432巻、1032-1036頁、2004年)。これらの研究は、炭水化物や脂肪の蓄えを利用するだけでなく、自身のたんぱく質をオートファジーで分解し栄養素としてのアミノ酸を産生する機構も、生物にとって栄養飢餓を乗り越えるのに極めて重要であることを示しました。
 一方で、オートファジーは栄養が豊富な時でも定常的に少しずつ起こっています。この定常的なオートファジーは、有害なたんぱく質などが細胞内に蓄積しないようにするために重要です(図4参照)。実際、神経系でのみAtg5遺伝子を欠損したマウスでは、歩行障害や異常反射などの運動障害が出現し、いわゆる「神経変性疾患(パーキンソン病やアルツハイマー病、ハンチントン病注4)など)」類似の症状を呈しました(Nature、441巻、885-889頁、2006年)。
 このようにオートファジーは飢餓適応や、細胞内浄化機構として理解されてきましたが、今回初めて哺乳類の発生過程でも重要な生理機構であることが分かりました。

<研究の内容>

 受精直後、卵子内の母親由来のたんぱく質は急速に分解され、受精卵のゲノムに由来する新しいたんぱく質(子供のたんぱく質)と入れ替わることが知られています。
 本研究チームは今回、マウスの受精卵を用いて、受精後4時間以内にオートファジーが非常に活性化することを見出しました(図2)。そこで、この発生初期に起こるオートファジーの役割を調べるために、卵子でオートファジーが起こらないようにしたマウス(卵特異的Atg5ノックアウトマウス)を作製しました。このマウスでは卵子は正常に作られ、排卵、受精も正常に行われました。しかし、受精後にオートファジーによるたんぱく質分解が起こらず、結果として着床に至る前に発生が止まり、死んでしまいました(正確な時期は、受精後2.5日頃の4〜8細胞期です=図3)。このような胚では、新しいたんぱく質の合成量が減少していたため、栄養不足状態にあったと推測されます。
 以上の実験結果から、受精直後にオートファジーが活性化されることで受精卵の母親由来のたんぱく質が大規模に分解され、それによってこの時期の新規たんぱく質合成に必要なアミノ酸が確保されていると考えられます。魚や鳥の卵と異なり、ほとんど栄養を持っていないように見える哺乳類の卵は、実は自身の細胞質を分解して栄養素を獲得していると言えます。

<今後の展開>

 今回の研究成果から、飢餓時や受精直後に活性化されるオートファジーは細胞内でアミノ酸を供給するための普遍的な機能であることが分かりました(図4)。今後は、オートファジーがどのようなメカニズムによって活性化されているか、その仕組みを解明することが重要な課題になります。
 現在、不妊治療を受けている人が増えています(平成14年時点で推計約50万人=厚生労働省資料)。また体外受精によって生まれた子の数も全出生数の1%以上と言われています。従って、正常な着床前発生にどのような変化が卵(細胞)で起こっているかを知ることは、哺乳類の発生(受精)において大変重要です。ヒト不妊の原因にオートファジーが関与しているかどうかは不明ですが、本研究により今回初めて、オートファジーによる母親由来のたんぱく質の初期胚細胞内分解の機構が明らかになったことにより、今後体外受精後の胚培養法や不妊治療に新たな視点が導入されることが期待されます。

<参考図>

図1 細胞内でのたんぱく質分解の仕組み

図1 オートファジーとユビキチン・プロテアソーム系の模式図

 オートファジーではまず細胞質の一部が隔離膜によって取り囲まれ、細胞の成分をそのまま含んだオートファゴソームが形成されます。次にオートファゴソームと、分解酵素を含んだリソソームが融合することによってオートファゴソームの内容物がまとめて分解されます。
 一方ユビキチン・プロテアソーム系では、ユビキチンという小さな標識が結合したたんぱく質だけがプロテアソームによって分解されます。

図2

図2 未受精卵(左)と受精後0.5日目の胚(右)のオートファゴソーム

 受精後に多数の小さな輝点が生じていますが、一つひとつがオートファゴソームを示します(オートファゴソームを蛍光標識したもの)。受精後にオートファジーが顕著に進んでおり、受精卵のたんぱく質が分解されていることを示しています。

図3

図3 今回の研究成果のまとめ

 受精後2細胞期胚頃より母親由来のたんぱく質の分解が始まり、徐々に胎児のゲノムに由来するたんぱく質に入れ替わります。それに先立ち、受精後4時間目頃よりオートファジーが活発化し、これが母親由来のたんぱく質の分解の重要な機構であると考えられます。この時期のオートファジーが抑制されたマウスを作製すると、4-8細胞期胚の段階で発生が停止して死んでしまいます(図中の†)。これは、この時期の胎児性たんぱく質の合成に必要なアミノ酸が、母親由来のたんぱく質の分解によって確保できないためと考えられます。

図4

図4 オートファジーの役割のまとめ

 オートファジーは受精、出生、絶食などによって活性化され、これは栄養素であるアミノ酸を細胞内で作り出すための生存戦略です。一方、定常的に少しずつ起こっているオートファジーは、細胞内をきれいで健康に保つために重要です。

<用語解説>

注1) オートファジー(自食作用)
 細胞が自身の一部をリソソーム(注3)で分解すること。細胞外のものを取りこんでリソソームで分解する「ヘテロファジー」と対比してつけられた名称です。図1に示すように「オートファゴソーム」という特殊なオルガネラ(細胞内小器官)を介して分解する方法がもっとも一般的です。

注2) ユビキチン・プロテアソーム系
 細胞内のもう1つのたんぱく質分解系であり、オートファジーとは対照的に目的としたたんぱく質だけを厳密に識別して分解するシステムです。まず、分解すべきたんぱく質にユビキチンという小さな標識が数珠状に結合し、これが目印となってプロテアソームという分解酵素複合体によって分解されます。

注3) リソソーム
 細胞内に存在する、分解を専門とするオルガネラ(細胞内小器官)。多数の分解酵素を含んでいますが、膜で隔てられているため、通常は細胞質成分とは出会わないようになっています。

注4) アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病
 代表的な神経変性疾患で、いずれも細胞内外に異常なたんぱく質が蓄積することが特徴であり、それが病気の原因であるとも考えられています。

<掲載論文名>

"Autophagy is essential for preimplantation development of mouse embryos"
(マウス胚の着床前発生に、オートファジーは必須である。)
doi: 10.1126/science.1154822

<お問い合わせ先>

水島 昇(ミズシマ ノボル)
東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科 細胞生理学分野
〒113-8519 東京都文京区湯島1-5-45
Tel:03-5803-5158 Fax:03-5803-0118
E-mail:

内田 信裕(ウチダ ノブヒロ)
独立行政法人 科学技術振興機構
戦略的創造事業本部 研究推進部 SORST担当
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