ＪＳＴ目的基礎研究事業の一環として、東京大学分子細胞生物学研究所の加藤 茂明 教授らは、ビタミンＤ生合成が遺伝子ＤＮＡの修飾によって巧みに調節されている詳細な仕組みをマウスで発見しました。ビタミンＤは骨代謝や血中のカルシウム調節に重要な役割を果たしています。この発見は骨粗鬆症などの新薬開発に道を開く成果です。
からだを作る全ての細胞は同じ遺伝情報を持っていますが、その発現は個々の細胞ごとに制御されています。これらの遺伝子の発現制御はＤＮＡ塩基配列の変化は伴わず、後天的かつ可逆的な修飾によってもたらされ、中でもＤＮＡのメチル化修飾は遺伝子発現を抑制状態にすることが知られています。遺伝子の発現はホルモンなどさまざまな細胞外からの刺激に応じてＤＮＡのメチル化・脱メチル化の状態が変化するなどして調節されていますが、メチル化されたＤＮＡがどのように脱メチル化されて遺伝子の発現抑制を解除するのか、詳細なメカニズムは分かっていませんでした。
本プロジェクトは今回、ビタミンＤの生合成に着目しました。生体内でのビタミンＤの生合成は腎臓・肝臓などにおいて厳密に調節されており、副甲状腺ホルモン刺激で活性化し、逆に過剰に生じたビタミンＤによる刺激で抑制されます。
そこで、複数のたんぱく質からなる「たんぱく質複合体」を分析する手法を用い、マウス腎臓由来の細胞でビタミンＤの生合成に中心的な役割を果たしている酵素「ＣＹＰ２７Ｂ１」の遺伝子上で相互作用するたんぱく質複合体を精製しました。これを詳細に解析したところ、ＤＮＡメチル化酵素とＤＮＡ修復酵素が含まれることが分かりました。
ＤＮＡメチル化酵素は過剰なビタミンＤに応答してプロモーター領域のＤＮＡをメチル化し、ＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子の発現を抑制して、ビタミンＤの合成を止めます。一方、ＤＮＡ修復酵素は副甲状腺ホルモン刺激によって活性化し、メチル化されたＤＮＡを切り出して非メチル化ＤＮＡと置き換え（脱メチル化）、ＣＹＰ２７Ｂ１の遺伝子発現抑制を解除してビタミンＤ合成を誘導することを見いだしました。また、マウス個体でも同様の仕組みが働き、ビタミンＤの生合成を調節していることも確かめました。
副甲状腺ホルモンとビタミンＤは、骨量の維持や血中カルシウム濃度の調節などに重要な役割を果たし、骨粗鬆症の治療などに用いられています。今回の成果はＤＮＡメチル化／脱メチル化を制御する低分子化合物など、新たな骨粗鬆症治療薬の開発につながるものと期待されます
本研究は、戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究「加藤核内複合体プロジェクト」の金 美善 博士研究員、東京大学分子細胞生物学研究所の大竹 史明 助教らと共同で行われ、本研究成果は、２００９年１０月１５日（英国時間）発行の英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ」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 ＥＲＡＴＯ型研究
| プロジェクト名 | ： | 「加藤核内複合体プロジェクト」 |
|---|---|---|
| 研究総括 | ： | 加藤 茂明（東京大学分子細胞生物学研究所 教授） |
| 研究期間 | ： | 平成１６年１０月～平成２２年３月 |
本プロジェクトでは、動物細胞核内に存在する巨大複合体の同定、および、その機能解析を目指します。さらに、まだ報告のない超巨大複合体群の同定を試み、複合体機能の解析により、個々の染色体ＤＮＡ上の生命現象の解明を極め、その知見を下敷きにして協調的、かつ厳格に制御される機能統御を明らかにし、グローバルな遺伝情報管理ネットワークの全貌の解明を目指します。
＜研究の背景と経緯＞
ＤＮＡのメチル化とヒストン注１）の化学修飾（アセチル化、メチル化、リン酸化など）は、遺伝子のエピジェネティクス注２）制御において中心的な役割を担っており、ダイナミックに遺伝子発現や発生・分化などを制御していることが分ってきています。中でも、ＤＮＡのメチル化修飾は遺伝子発現を抑制状態にし、哺乳類の正常な個体発生などに必要不可欠であることが知られています。これらの化学修飾は可逆性であり、ホルモン刺激など、さまざまなシグナルに応答して変化します。ヒストン修飾の可逆的な制御メカニズムは非常に盛んに研究されているのに対して、遺伝子発現の抑制／抑制解除に関わるＤＮＡのメチル化／脱メチル化反応を制御するメカニズムの詳細は、ほとんど分っていません。
一方、ビタミンＤは骨代謝と関わりの深いカルシウムの働きを調節するビタミンであり、近年、高齢化による骨粗鬆症が問題となっている先進国で注目を集めています。ビタミンＤが機能するためには、食物による摂取か、皮膚において紫外線により生産されたビタミンＤ前駆体が生体内におけるいくつかのステップを経て活性型ビタミンＤ３（ＶＤ）に変換される必要があります（図１）。これまでに、ＶＤ生合成の最後のステップを担う鍵酵素が「ＣＹＰ２７Ｂ１」で、副甲状腺ホルモン（ＰＴＨ）によって発現が誘導され、逆に過剰なＶＤによって発現が抑制されることが分かっています。
＜研究の内容＞
本研究プロジェクトは、生体内ホルモンに反応してＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子がダイナミックに転写制御されることに着目し、ＤＮＡレベルのメチル化／脱メチル化の切り替えのメカニズムについて研究を行いました。
ＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子のプロモーター領域に直接結合する転写因子ＶＤＩＲを用い、これと相互作用するたんぱく質群（ＶＤＩＲ複合体）を解析するために、マウス腎臓由来の株化細胞（ＭＣＴ細胞）から生化学的な手法を用いて精製し、構成たんぱく質を同定しました。その結果、ＶＤＩＲ複合体には、ＤＮＡメチル化酵素であるＤｎｍｔ１とＤｎｍｔ３ｂ、ＤＮＡ修復酵素であるＭＢＤ４が含まれることを見いだしました。Ｄｎｍｔ１とＤｎｍｔ３ｂは、ＶＤ依存的にＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子のプロモーター領域に集められ、３ヵ所のシトシン注３）をメチル化し、ＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子発現を抑制することが明らかになりました（図２）。
一方ＭＢＤ４は、ＰＴＨ刺激存在下でリン酸化酵素ＰＫＣによるリン酸化を受けて活性化し、プロモーター領域のメチル化シトシンを切り出して非メチル化シトシンと置き換えることでＤＮＡの脱メチル化を誘導し、ＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子発現の抑制を解除することを明らかにしました。
さらに、ＭＢＤ４遺伝子破壊マウスでは、ＰＴＨ刺激によるＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子の発現抑制解除が起こらず、ＶＤ生合成の調節機構が破綻していたことから、生体内においても同様の機構が働いていることが明らかになりました。
＜今後の展開＞
今回の研究は、骨代謝やカルシウム代謝において重要な役割を果たしているＶＤとＰＴＨとのシグナルクロストークの分子基盤の一端を解明するものです。ＶＤ製剤は、骨粗鬆症の治療薬として広く用いられています。ＶＤ生合成の鍵酵素であるＣＹＰ２７Ｂ１の遺伝子発現抑制のメカニズムが解明されたことで、新規メカニズムに基づく骨粗鬆症の治療薬や治療方法の開発に役立つことが期待されます。
＜参考図＞
図１ 活性型ビタミンＤ３の生合成経路
ＣＹＰ２７Ｂ１（ビタミンＤ一位水酸化酵素）は、生合成の最後のステップを担う鍵酵素である。
図２ 今回の発見の模式図
過剰な活性化型ビタミンＤ３（ＶＤ）存在下では、ＤＮＡメチル化酵素であるＤｎｍｔ１とＤｎｍｔ３ｂがＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子プロモーターの応答配列（ｎＶＤＲＥ）に転写因子ＶＤＩＲを介して集められ、プロモーター領域のシトシンをメチル化することでＣＹＰ２７Ｂ１発現を抑制している（図左）。そこにＰＴＨシグナルが入ると、リン酸化酵素ＰＫＣによってリン酸化を受けたＭＢＤ４がメチル化シトシンを切り出し、非メチル化シトシンと置き換えることでＤＮＡを脱メチル化し、ＣＹＰ２７Ｂ１遺伝子発現が活性化する（図右）。
＜用語解説＞
- 注１） ヒストン
-
※Nature Genetics 32,221-222(2002)より改変。 - 真核生物の遺伝子ＤＮＡは、ヒストンを含む多くの構造維持たんぱく質と複合体を形成し、クロマチンと呼ばれる細胞核の染色体超高次構造内に保管されている。クロマチンは、右図に示すようなヌクレオソーム基本単位の数珠つなぎ構造である。ヒストンたんぱく質（さらにヒストンＨ２Ａ（黄）、Ｈ２Ｂ（赤）、Ｈ３（緑）、Ｈ４（青）たんぱく各２つずつ計８つから構成されている）はヌクレオソームの中心構造を構築し、これに１４３ｂｐのＤＮＡ（紐状の二重らせん）が巻きついて収納されている。近年、この構造は保管されるための静的な構造体ではなく、ヒストンの化学的な修飾によりダイナミックな調節を受け、周辺遺伝子の転写反応に影響を及ぼすことが明らかとなりつつある。
- 注２） エピジェネティクス
- ＤＮＡの塩基配列の変化を伴わない遺伝情報の記憶、遺伝子発現の変化に関わるメカニズムで、ＤＮＡメチル化やヒストン修飾（アセチル化、メチル化、リン酸化）などが関与する。発生、分化など多様な現象に関与していることが知られている。がんをはじめ神経疾患や循環器疾患、自己免疫疾患におけるエピジェネティクスな異常が、病態に関与したり、診断や治療の標的となることが明らかになりつつある。
- 注３） シトシン
- ＤＮＡに含まれる４種類の塩基（アデニン、グアニン、シトシン、チミン）のうちの１つ。
＜論文名＞
“DNA demethylation in hormone-induced transcriptional derepression”
（ホルモン誘導性の転写抑制解除におけるＤＮＡ脱メチル化）
doi: 10.1038/nature08456
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
加藤 茂明（カトウ シゲアキ）
科学技術振興機構 加藤核内複合体プロジェクト 研究総括
東京大学分子細胞生物学研究所 教授
〒113-0033 東京都文京区弥生１－１－１
Tel：03-5841-8478 Fax：03-5841-8477
E-mail：
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
小林 正（コバヤシ タダシ）
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究プロジェクト推進部
〒102-0075 東京都千代田区三番町５ 三番町ビル
Tel：03-3512-3528 Fax：03-3222-2068
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