JSTトッププレス一覧 > 共同発表

平成21年7月31日

科学技術振興機構(JST)
Tel:03-5214-8404(広報ポータル部)

神戸大学
Tel:078-803-5022(広報室)

糖尿病治療薬の新しい標的分子を発見

―新たな血糖降下薬開発にはずみ―

 JST目的基礎研究事業の一環として、神戸大学 大学院医学研究科の清野 進 教授らは、糖尿病治療薬の新しい標的分子を発見しました。
 糖尿病患者は世界規模で増加の一途をたどっており、その治療にはさまざまな血糖降下薬が使用されています。中でもインスリンの分泌を刺激するスルホニル尿素(SU)薬注1)は現在、最も広く使用されている糖尿病治療薬の1つであり、日本では約100万人以上の糖尿病患者がこの薬による治療を受けていると推定されます。これまでSU薬の標的分子としては、β細胞膜上に存在するSU薬の受容体が唯一知られていました。
 本研究グループは今回、インスリンを分泌する膵臓β細胞内のシグナル伝達分子cAMP注2)を感知するたんぱく質「Epac2」注3)と結合する分子を探した結果、SU薬がEpac2と結合することを発見しました。Epac2を欠損しているマウス注4)では、SU薬によるインスリン分泌作用や血糖降下作用が明らかに弱まりました。これらの研究により、SU薬の標的としてSU受容体のほかにEpac2も重要であることが明らかになりました。
 最近、インスリン分泌を促すホルモンであるインクレチン注5)を利用した新しい糖尿病治療薬が多くの製薬企業で開発されています。それらの薬は特に日本人の糖尿病に効果があるとされ、非常に注目されています。本研究グループは、インクレチンによるインスリン分泌増強作用においても、Epac2が関与するメカニズムが重要であることをすでに突きとめており、Epac2が糖尿病に対する創薬の新しい標的分子になるものと期待しています。
 本研究成果は、2009年7月31日(米国東部時間)発行の米国科学雑誌「Science」に掲載されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)
研究領域 「代謝調節機構解析に基づく細胞機能制御基盤技術」
(研究総括:鈴木 紘一 東京大学 名誉教授)
研究課題名 「糖代謝恒常性を維持する細胞機能の制御機構の解明」
研究代表者 清野 進(神戸大学 大学院医学研究科 教授)
研究期間 平成19年10月〜平成24年3月
 JSTはこの領域で、細胞内の代謝変化を統合的あるいは網羅的に解析し、細胞機能の制御メカニズムや恒常性維持のメカニズムを明らかにし、細胞機能を効率的に制御・変換したり、恒常性の乱れを改善・回復させる細胞制御基盤技術の創出を目指しています。上記研究課題では、膵島(ランゲルハンス島)の包括的なメタボローム解析から、膵島機能がどのように制御されているかを明らかにし、糖尿病などの糖代謝異常の原因究明だけでなく新たな診断法や治療法の開発に貢献することを目指します。

<研究の背景と経緯>

 糖尿病は、慢性的に血糖値(血液中のグルコース濃度)が高くなる病気であり、放置すれば網膜症、腎症、神経障害、糖尿病性動脈硬化の進展による心筋梗塞、脳梗塞など、さまざまな合併症を引き起こします。国際糖尿病連合(IDF)の統計によると2007年の世界の糖尿病患者の人口は2億4,600万、2025年には3億8,000万人になるものと試算されており、特にアジアでは2025年までに糖尿病人口が2倍近くに増加されると予想されています。日本では厚生労働省が行った2007年の調査によると糖尿病が強く疑われる人が約890万人、可能性を否定できない「予備群」が約1,320万人とされています。
 血糖値を調節する最も重要なホルモンは、膵臓β細胞から分泌されるインスリンです。糖尿病は1型と2型注6)に分類され、糖尿病の大部分を占める2型糖尿病はβ細胞からのインスリン分泌障害やインスリンの標的組織である肝臓、筋肉、脂肪などにおけるインスリンの作用障害が認められることが特徴です。特に日本人を含むアジア人の糖尿病の病態はインスリン分泌障害と密接に関係しているとされています。β細胞内シグナルによるインスリン分泌調節機構の研究は糖尿病の領域では大きな研究テーマであり、糖尿病の原因や病態の解明のみならず新たな糖尿病治療の開発につながります。
 インスリン分泌においては、グルコースによりインスリンが分泌されるメカニズムが最も重要です(図1)。グルコースによるインスリン分泌にはβ細胞におけるグルコース代謝とβ細胞の電気活動を結びつけるATP感受性カリウム(KATP)チャネル注7)と呼ばれるイオンチャネル注8)が不可欠な分子であることが明らかにされています。KATPチャネルはSU薬の受容体と複合体を形成していることがすでに本研究グループにより解明されています(参考文献1)。これまでSU薬によるインスリン分泌作用は、まずSU薬がSU受容体と結合し、KATPチャネルを閉じ、カルシウムチャネルを開いて細胞の外から中へカルシウムイオン注9)を流入させてインスリン分泌を刺激すると考えられていました(図1参考文献3)。
 一方、β細胞内のcAMPシグナルはグルコースによるインスリン分泌を著しく増強するシグナルとして重要です。cAMPはプロテインキナーゼA(PKA)注10)依存性のみならず、PKA非依存性メカニズムによりインスリン分泌を促進することが明らかにされています(参考文献4)。後者のメカニズムにはEpac2(あるいはcAMP-GEFII)と呼ばれるcAMPセンサー分子が細胞内cAMPを感知することにより、その下流の低分子量Gたんぱく質Rap1注11)を活性化し、インスリン分泌を増強することが明らかにされていました(図1参考文献7)。

<研究の内容>

 本研究グループはEpac2を活性化する分子をスクリーニングするためにfluorescence resonance energy transfer(FRET:蛍光共鳴エネルギー移動)注12)を利用したセンサーシステムを確立しました。Epac2に作用する分子はEpac2の立体構造を変化させる結果、FRETが変化する原理を利用したものです。このセンサーを利用してEpac2に作用するさまざまな分子をスクリーニングすることを試みました。
1) 遺伝子工学の手法を用いてEpac2たんぱく質を2種類の蛍光たんぱく質(シアン蛍光たんぱく質CFPと黄色蛍光たんぱく質YFP)の間にサンドイッチのように挟んでFRETセンサーを作製し、Epac2に作用する分子をスクリーニングするシステムを確立しました(図2B)。このセンサーにcAMPのアナログである8-Bromo-cAMPを作用させるとFRETが変化することが確認されました。
2) SU薬であるトルブタミド、グリベンクラミドによりFRETが変化することを発見し、さらに結合実験によりこれらの薬物が直接Epac2に結合することが確認されました(図3)。
3) cAMPがEpac2に作用すると低分子量Gたんぱく質であるRap1が活性されることが知られていましたが、SU薬もEpac2に作用してRap1を活性化することが明らかとなりました。
4) Epac2を欠損したマウスから単離した膵臓の膵島(ランゲルハンス島)注13)において、SU薬によるインスリン分泌が明らかに低下していました(図4)。
5) Epac2を欠損した生体マウスでは、SU薬によるインスリン分泌作用や血糖降下作用が明らかに減弱していました(図5)。
6) SU薬の中にはEpac2と結合しないものもあり、SU薬のEpac2に対する作用はその構造に依存することが明らかとなりました。

 以上の結果からEpac2は、SU薬の新しい標的分子であることが解明されました。

<今後の展開>

 SU薬は現在最もよく使用されている糖尿病治療薬の1つです。これまでSU薬の標的としてはSU受容体しか知られておらず、SU薬のインスリン分泌刺激作用はSU受容体を介したメカニズムですべて説明されていましたが、今回の研究成果によりSU薬のインスリン分泌刺激作用にはEpac2を介するメカニズムも重要であることが明らかになりました。これはSU薬による糖尿病治療を新しい視点から提示する予想外の発見であり、医療現場に大きなインパクトを与えるものと思われます。
 さらに現在、インクレチンの作用を利用してGLP-1アナログ注14)DPPIV阻害薬注15)など新しい糖尿病治療薬が開発されています。これらの糖尿病治療薬は特に日本人の2型糖尿病に有効であるとされています。インクレチンの作用もEpac2を介するメカニズムが重要であることを合わせて考えると、Epac2は糖尿病治療に対する新たな創薬の標的として期待されます。

<参考図>

図1

図1 SU薬によるインスリン分泌メカニズム

 SU薬の標的は、これまではSU受容体が唯一知られており、SU薬によるインスリン分泌はSU受容体を介するメカニズムのみで説明されていた(青部分)。本研究によりSU薬の作用には、Epac2/Rap1を介するメカニズムも重要であることが解明された(赤部分)。Epac2はインクレチンによるインスリン分泌の増強にも重要であることが示されている。

図2

図2 Epac2の構造と機能およびEpac2センサーの原理

A: Epac2の構造と機能
 cAMPがEpac2に結合するとGEFドメインを介して、Rap1を非活性型(GDP結合型)から活性化(GTP結合型)変換し、種々の細胞機能を制御する。
B: Epac2センサーの原理
 Epac2をCFPとYFPの間にサンドイッチ様に挟んでFRETセンサーを作製した。非刺激時ではEpac2は活性化されていないために、CFPとYFPが近接しFRET反応が検出される。Epac2にcAMPが結合するとEpac2の立体構造が変化し、CFPとYFPが物理的に離れるためにFRET反応は認められなくなる。SU薬も同様にFRET反応を変化させるが、現在のところSU薬のEpac2分子内の結合部位は不明である。

図3

図3 SU薬によるEpac2 FRETの変化とSU薬とEpac2の結合実験

A:SU薬によるEpac2 FRETの変化
 Epac2 FRETセンサーを発現させたアフリカミドリザル腎臓由来細胞株COS1をトルブタミド(500μM)で刺激すると、FRET反応(YFP/CFP比)は低下した。トルブタミドで刺激時のライブセルイメージ(上図)、トルブタミド(500μM)とグリベンクラミド(100 nM)で刺激したときのFRET反応の経時的変化(下図)。
B:SU薬とEpac2の結合実験
 アイソトープ(3H)標識されたグリベンクラミドとEpac2の結合実験から、グリベンクラミドはEpac2に特異的に結合した。

図4

図4 単離したマウス膵島からのSU薬刺激によるインスリン分泌量

 野生型マウス(正常コントロール)およびEpac2欠損マウスから単離した膵島を、グルコース存在下にトルブタミド(100μM)(左図)、グリベンクラミド(10nM)(右図)で刺激し、インスリン分泌量を比較した。いずれのSU薬刺激においてもEpac2欠損マウスの膵島からのインスリン分泌量は野生型マウスに比べ低下していた。

図5

図5 生体マウスにおけるSU薬による血糖降下作用とインスリン分泌作用

 野生型マウスとEpac2欠損マウスにグルコースとトルブタミドを同時に経口負荷し、血糖値(A)と血清インスリン値(B)を両者の間で比較した。負荷後Epac2欠損マウスの血糖値は野生型マウスに比し有意に高く、血清インスリン値は有意に低下していた。

<用語解説>

注1)スルホニル尿素(SU)薬
 第二次世界大戦中、チフス患者に抗菌薬であるサルファ剤(スルフォンアミド)を投与したところ、重篤な低血糖を引き起こしたことをきっかけとして開発された糖尿病治療薬で、現在では第一世代から第三世代のSU薬が開発され使用されている。これまでSU薬の標的としては唯一SU受容体のみが知られている(SU受容体にはSUR1、SUR2A、SUR2Bの3種類があり、β細胞ではSUR1が発現している)(参考文献2)。一般的にSU薬はSUR1と結合してKATPチャネルを閉鎖し、β細胞を電気的に興奮させ、カルシウムチャネルを開き、β細胞の外から内へカルシウムイオンを流入させることでインスリン分泌を刺激すると考えられていた。

注2)cAMP
 サイクリックAMPと呼ばれる。細胞内シグナルの中でも最も重要なシグナルの1つで、さまざまな細胞反応を調節している。cAMPの発見によりDr. Earl Sutherlandが1971年にノーベル賞を受賞している。

注3)Epac
 cAMP-GEFとも呼ばれる。1998年にオランダのBosのグループによりEpacとして、米国のGraybielのグループによりcAMP-GEFとしてそれぞれ独立して報告された。EpacはcAMP結合たんぱく質であり、cAMPがEpacに結合すると低分子量Gたんぱく質であるRap1を非活性型から活性型に変換する。Epac(cAMP-GEF)にはEpac1(cAMP-GEFI)とEpac2(cAMP-GEFII)の2種類のサブタイプが存在する。Epac2(cAMP-GEFII)は研究グループが独自に同定した(参考文献4)。最近ではEpacという用語が一般的に使用されている。

注4)Epac2欠損マウス
 Epac2の遺伝子を発生工学的手法により破壊することにより、すべての組織でEpac2が欠損しているマウス(参考文献7)。

注5)インクレチン
 グルコースなどの栄養素を摂取した時に腸管内分泌細胞から分泌されるホルモン(腸管ホルモン)のうちインスリン分泌を増強する作用を有するもの。代表的なインクレチンにGIP(glucose-dependent insulinotropic polypeptide)とGLP-1(glucagons-like peptide)が知られている。GIP とGLP-1はいずれも血液中に分泌されるとdipeptidyl peptidase IV(DPPIV)により速やかに分解される。GLP-1の作用を利用して新しい糖尿病治療薬が開発され注目されている。

注6)1型糖尿病と2型糖尿病
 糖尿病は基本的に1型と2型に分類される。1型は自己免疫のメカニズムにより完全に膵臓β細胞が破壊される糖尿病。日本では糖尿病全体の5%以下で、欧米では20〜30%を占める。2型は膵β細胞からのインスリン分泌障害やインスリンが作用する組織(筋肉、脂肪、肝臓など)におけるインスリン作用障害が原因で起こる糖尿病。日本では糖尿病全体の95%以上、欧米では70〜80%以上が2型糖尿病といわれている。

注7)ATP感受性カリウム(KATP)チャネル
 細胞内のATP濃度を感知してカリウムイオンの流入を調節するカリウムチャネルで、グルコースによるインスリン分泌の鍵となる調節分子である。このカリウムチャネル(Kir6.2と名づけられている)はSU受容体と複合体を形成して機能することが清野らのグループにより初めて解明された(参考文献1)。また、Kir6.2やSUR1の遺伝子変異は新生児低血糖症や新生児糖尿病の原因になることが明らかにされている。

注8)イオンチャネル
 カルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどイオンを細胞内外に運搬する細胞膜上に存在するたんぱく質で、それぞれのイオンに特異的なイオンチャネルが存在する。

注9)カルシウムイオン
 さまざまな細胞機能の調節に重要なイオンであるが、β細胞ではインスリン分泌を引き起こす最も基本的な細胞内シグナルとして働いている。

注10)プロテインキナーゼA(PKA)
 Aキナーゼとも呼ばれる。cAMPにより活性化される酵素で、さまざまなたんぱく質をリン酸化する。

注11)Rap1
 低分子量GTP結合たんぱく質の1つで、非活性型(GDPと結合)と活性型(GTPと結合)として存在する。Epac2はcAMPと結合するとRap1を非活性型から活性型に変換する。活性型Rap1がさらに下流にシグナルを伝えてさまざまな細胞機能を制御している。

注12)Fluorescence resonance energy transfer(FRET:蛍光共鳴エネルギー移動)
 2つの異なる蛍光分子が近接(1〜10nm程度)した際に生じるエネルギー移動現象である。本研究で使用した蛍光たんぱく質CFPとYFPの場合、両分子が近接している時、ドナーであるCFPを励起すると、その蛍光エネルギーはFRETによりアクセプターであるYFPを励起しYFPの蛍光として検出される。一方、CFPとYFPが離れている時にCFPを励起すると、CFPの蛍光が検出され、YFPの蛍光は検出されない。あるたんぱく質の両端にCFPとYFPを付加すれば、構造変化を伴うたんぱく質の活性化をFRETの変化で検出することができる(図2参照)。また、2種類のたんぱく質にCFPとYFPをそれぞれ付加すれば、これらのたんぱく質間の相互作用をFRET変化として検出することができる。「FRET」はたんぱく質の反応を可視化し、リアルタイムで追跡できる生命科学研究において極めて有用な技術となっている。

注13)膵島(ランゲルハンス島)
 膵臓の中に島状に点在する小器官で、インスリンを分泌するβ細胞、グルカゴンを分泌するα細胞など4種類の内分泌細胞からなる。1869年にドイツ・ベルリン病理学研究所の医学生Paul Langerhansにより発見されたことからランゲルハンス島とも呼ばれる。

注14)GLP-1アナログ
 現在糖尿病治療薬として開発されているGLP-1アナログにエクセナチドとリラグリチドがある。前者はヒイラオオトカゲの唾液から発見された天然のペプチドで、米国ではすでに臨床で使用されている。後者はヒトGLP-1に脂肪酸修飾やアミノ酸置換の工夫をこらしてDPPIVにより分解されにくくしたもので、近々に臨床使用される予定である。

注15)DPPIV阻害薬
 インクレチンは血中に分泌されるとたんぱく質分解酵素の1つであるdipeptidyl peptidase IV (DPPIV)により速やかに分解される。DPPIV阻害薬は血中のインクレチン濃度を高くして、インスリン分泌を増強することが期待され、多くの製薬会社がさまざまなDPPIV阻害薬を開発している。欧米ではすでに一部のDPPIV阻害薬が臨床使用されている。

<論文名>

“The cAMP sensor Epac2 is a direct target of anti-diabetic sulfonylurea drugs”
(サイクリックAMPセンサーEpac2は糖尿病治療薬スルホニル尿素の直接的な標的である)
doi: 10.1126/science.1172256

<参考文献>

参考文献1:
“Inagaki N et al. Reconstitution of IKATP: An inward rectifier subunit plus the sulfonylurea receptor.”
Science. 270:1166-1170 (1995)

参考文献2:
“Seino S. ATP-sensitive potassium channels: a model of heteromultimeric potassium channel/receptor assemblies.”
Annu Rev Physiol. 61:337-362 (1999)

参考文献3:
“Miki T et al. Defective insulin secretion and enhanced insulin action in KATP channel-deficient mice. ”
Proc Natl Acad Sci USA. 95:10402-10406 (1998)

参考文献4:
“Ozaki N et al. cAMP-GEFII is a direct target of cAMP in regulated exocytosis. ”
Nat Cell Biol. 2:805-811 (2000)

参考文献5:
“Kashima Y et al. Critical role of cAMP-GEFII・Rim2 complex in incretin-potentiated insulin secretion.”
J Biol Chem. 276:46046-46053 (2001)

参考文献6:
“Seino S and Shibasaki T. PKA-dependent and PKA-independent pathways for cAMP-regulated exocytosis. ”
Physiol Rev. 85: 1303-1342 (2005)

参考文献7:
“Shibasaki T et al. Essential role of Epac2/Rap1 signaling in regulation of insulin granule dynamics by cAMP. ”
Proc Natl Acad Sci USA. 104: 19333-19338 (2007)

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
清野 進(セイノ ススム)
神戸大学 大学院医学研究科 糖尿病・代謝・内分泌内科学/細胞分子医学
〒650-0017 神戸市中央区楠町7―5―1
Tel: 078-382-5860/078-304-6061 Fax:078-382-6762/078-304-6064
E-mail:

<JSTの事業に関すること>
廣田 勝巳(ヒロタ カツミ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
Tel:03-3512-3524 Fax:03-3222-2064
E-mail: