代謝シグナルの流れにより変化するエピゲノムと生活習慣病の関連性の解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05647
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 上番増 喬 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部, 助教 (10581829)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: ケトン体 / 代謝の流れ

Outline of Annual Research Achievements

胎生期の栄養状態とエピゲノム変化の関連性における重要な発見は、成人病胎児期発症説に代表される、胎生期の栄養環境が、成人期以降の疾病発症に影響を及ぼすことの発見である。すなわち、胎生期に低栄養状態に曝されることにより何らかのエピゲノム変化を生じ、加えて出生後にマイナスの環境要因が負荷されることで、後天的に糖尿病などの生活習慣病の発症リスクを増大させる。しかしながら、その分子基盤は不明である。
グルコースをTCAサイクル代謝する過程で産生されるα-ケトグルタル酸やアセチルCoAがヒストン修飾を調節する(Science 2009) など、エピゲノム変化は、低分子代謝物量の変化と密接に関連している。我々は細胞内グルコースが枯渇した場合の代替エネルギー源となるケトン体に着目した。実験の結果、ケトン体の一つであるβ-ヒドロキシ酪酸がヒストンメチル化 の修飾を変化させた。ミトコンドリアに局在するβ-ヒドロキシ酪酸デヒドロゲナーゼ(BDH)1をノックダウンした細胞では、ヒストンのメチル化が増加し、反対に細胞質に局在するBDH2をノックダウンした細胞では、ヒストンのメチル化が減少するなど、同じ化合物であっても代謝の流れの方向の違いによりヒストン修飾作用が変化した。ケトン体代謝酵素は複数あり、その発現量は組織ごとに異なるため、各組織では異なるケトン体代謝の流れが生まれ、代謝産物の協調的変化を介して、組織特異的なエピゲノム修飾や細胞機能制御と関連することが考えられる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

HEK293細胞はβヒドロキシ酪酸添加によりヒストン修飾が変化することが報告されているため(Science 2013)モデル細胞として利用した。しかしながら、我々の用いたHEK細胞ではβヒドロキシ酪酸添加によるヒストン修飾がみられなかった。細胞ごとに異なる変化を詳細に理解するため、現在は様々な細胞株におけるケトン体代謝産物量および、糖・アミノ酸代謝産物量の計測を実施している。
生体内におけるケトン体代謝の役割を理解するために、ケトン体合成酵素の過剰発現モデルの作製を実施している。現在、培養細胞を用いたケトン体代謝酵素の活性測定系を立ち上げており、その結果をもとにマウス系統を作成する予定である。

Strategy for Future Research Activity

細胞モデルを用いてケトン体代謝および糖・アミノ酸代謝の変化を測定するシステムを確立し、ケトン体代謝の流れの変化が細胞に及ぼす影響を検討する。モデル細胞として肝臓や腎臓などのケトン体産生の盛んな臓器由来の細胞株を用いてケトン体代謝とエピゲノム修飾の関連を検討する。これまでの検討で、βヒドロキシ酪酸によるヒストン修飾の変化は細胞種ごとに異なることが明らかとなってきており、ヒストン修飾の変化と細胞内代謝産物量の変化を合わせて解析することにより、細胞種ごとにどのようにケトン体代謝が異なるのか、さらにはケトン体代謝がエピゲノム修飾とどのように関わっているのか検討する予定である。
生体内におけるケトン体代謝の役割を理解するために、ケトン体合成酵素の過剰発現モデルの作製する。ケトン体合成能と合成されたケトン体の代謝が生体の生活習慣病発症に関わるか否かを動物モデルを用いて解析する予定である。