膵β細胞インスリン分泌制御における脂質代謝ー細胞内カルシウムシグナル連関機構

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K06859
• 研究機関: 東邦大学
• 研究代表者: 赤羽 悟美 東邦大学, 医学部, 教授 (00184185)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: カルシウムチャネル / β細胞 / インスリン / 脂質 / カルシウムシグナル

研究実績の概要

本研究の目的は、「膵臓β細胞における電位依存性Ca2+チャネルを介したCa2+シグナル制御機構が、Stard10との相互作用を介して脂質代謝のセンシング・調節機構と連携している」という作業仮説を検証することにより、脂質異常を背景とした膵β細胞インスリン分泌機能不全の新たなメカニズムを明らかにすることである。研究代表者らは、これまでにリン脂質転移蛋白（Stard10）が電位依存性L型Ca2+チャネルαサブユニット（CaV1.2）と相互作用し、Stard10が膵臓や肝臓などの組織に特異的に発現し、脂質代謝ならびに脂肪滴サイズの制御に関わることを見出してきた。最近、2型糖尿病のリスク遺伝子の解析からStard10が膵臓β細胞におけるインスリン分泌と細胞内Ca2+シグナル制御に関わることが報告されたが、そのメカニズムは現在のところ不明である。
そこで本研究において、膵臓β細胞におけるインスリン分泌―細胞内Ca2+シグナル―脂質代謝の連関機構を解析するべく、マウスβ細胞株（MIN6細胞）を用いて、インスリン分泌と細胞内局所のCa2+シグナルをリアルタイム・イメージングにより定量的に解析する実験系を構築した。さらに、細胞内Ca2+シグナルのキーステップを担う電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量のアッセイ系を構築した。これらの系を用いて、グルコース負荷に対するインスリン分泌応答およびL型Ca2+チャネルαサブユニット（CaV1.2）の機能的発現量と細胞内局在ダイナミクスに対する脂肪酸の影響を検討した。電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量の制御に関わる相互作用蛋白の網羅的解析を行った。
これらの結果から、膵臓β細胞における電位依存性Ca2+チャネルを介したCa2+シグナル制御機構が、Stard10との相互作用を介して脂質代謝のセンシング・調節機構と連携することを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

膵臓β細胞におけるインスリン分泌―細胞内Ca2+シグナル―脂質代謝の連関機構を解析する目的で、これまでにマウスβ細胞株（MIN6細胞）を用いた実験系を構築した。ヒトやマウスのβ細胞とは異なりMIN6細胞ではStard10が欠損していることが判明したためStard10を安定発現するMIN6細胞株を作成した。さらにインスリンレポーターを構築し、インスリン分泌と細胞内局所のCa2+シグナルのリアルタイム・イメージングによる定量的解析実験系を構築した。細胞内Ca2+シグナルのキーステップを担う電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量のアッセイ系を構築した。2021年度は、これらの系を用いて、電位依存性L型Ca2+チャネルの機能的発現量に対する影響を指標として、各種脂肪酸をスクリーニングし、著名な影響を示す脂肪酸を同定した。これらの脂肪酸を中心として脂質代謝と電位依存性L型Ca2+チャネルをはじめ細胞内Ca2+シグナル経路とインスリン分泌の連関の定量的な解析を進めた。その結果、脂肪酸の種類と濃度に依存して、電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜への輸送機構および分解機構が影響を受けることを見出した。
さらに電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量の制御に関わる相互作用蛋白の網羅的解析を行った。一方、Stard10が脂肪蓄積量の調節を介して脂質代謝調節に関わることを明らかにした。これらの結果から、膵臓β細胞における電位依存性Ca2+チャネルを介したCa2+シグナル制御機構が、Stard10との相互作用を介して脂質代謝のセンシング・調節機構と連携することを明らかにした。

今後の研究の推進方策

2021年度までにMIN6細胞からのインスリン分泌と電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量ならびに細胞内1Ca2+シグナル制御に対する脂肪酸代謝の影響について興味深い結果を得たこと、電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量の制御に関わる相互作用蛋白の網羅的解析の結果を踏まえて、脂肪酸依存的な電位依存性L型Ca2+チャネルの細胞膜発現量の制御を担う相互作用蛋白を同定する。MIN6細胞およびStard10安定発現MIN6細胞を用いて、Stard10・電位依存性L型Ca2+チャネル・インスリン開口放出制御関連分子の細胞内局在の変化の詳細な解析を行い、細胞内Ca2+シグナルとインスリン開口放出の定量的な解析を進める。また、野生型マウスとStard10遺伝子欠損マウスに高脂肪食を負荷し、初代培養膵臓β細胞を用いて、上記の結果を検証する。以上の実験結果に基づき膵臓β細胞の電気活動・細胞内Ca2+シグナル・エネルギー代謝（脂肪酸β酸化を含む）、インスリン分泌を統合した数理モデルを構築し、シミュレーション予測を可能にする。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルス（Covid-19）感染拡大を受けて学会がオンライン開催になったため、学会出張旅費の支出が当初の予定額より少なかった。また、PCR関連試薬やプラスチック製品が供給不足になったため、研究計画を一部変更した。物品購入の際にキャンペーンを利用するなど経費節減に努めた。上記の理由により、次年度使用額が生じた。期限延長した残額は、実験用消耗品費、学会出張旅費、論文投稿費用に充当する計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Pathogenic Mechanism of Dry Eye-Induced Chronic Ocular Pain and a Mechanism-Based Therapeutic Approach (2022)
  • 著者名/発表者名: Tei Y, Mikami Y, Ito M, Tomida T, Ohshima D, Hori Y, Adachi-Akahane S
  • 雑誌名: Investigative Ophthalmology & Visual Science 巻: 63 ページ: 7
  • DOI: 10.1167/iovs.63.1.7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interleukin-11-expressin g fibroblasts have a unique gene signature correlated with poor prognosis of colorectal cancer. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishina T, Deguchi Y, Ohshima D, Takeda W, Ohtsuka M, Shichino S, Ueha S, Yamazaki S, Kawauchi M, Nakamura E, Nishiyama C, Kojima Y, Adachi-Akahane S, Hasegawa M, Nakayama M, Oshima M, Yagita H, Shibuya K, Mikami T, Inohara N, Matsushima K, Tada N, Nakano H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 2281
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22450-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantification of BIM mRNA in circulating tumor cells of osimertinib-treated patients with EGFR mutation-positive lung cancer. (2021)
  • 著者名/発表者名: Isobe K, Yoshizawa T, Sekiya M, Miyoshi S, Nakamura Y,Urabe N, Isshiki T, Sakamoto S, Takai Y, Tomida T, Adachi-Akahane S, Iyoda A, Homma S, Kishi K
  • 雑誌名: Respiratory Investigation 巻: 59 ページ: 535-544
  • DOI: 10.1016/j.resinv.2021.03.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Novel Non-Invasive Method for Estimating Elevated Pulmonary Vascular Resistance Based on Echocardiographic Assessment of Pulmonary Artery Wave Reflection (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayama H, Moroi M, Adachi-Akahane S, Uejima T, Hara H, Hiroi Y
  • 雑誌名: Circulation Journal 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-21-0646. Online ahead of print.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A novel mechanism of CaV1.2 degradation by lipotoxicity in pancreatic β-cell line MIN6. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohshima D, Mikami Y, Tomida, T Adachi- Akahane S
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会 年会
• [学会発表] Analysis of the dynamics of insulin secretory granules (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohshima D, Mikami Y, Tomida, T Adachi- Akahane S
  • 学会等名: 第99回日本生理学会大会
• [学会発表] Gene regulation of excitation-contraction coupling initiated by cell-cell fusion of skeletal myogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomida T, Yamaguchi K, Mikami Y, Ohshima D, Adachi-Akahane S
  • 学会等名: 第99回日本生理学会大会
• [学会発表] 糖尿病性心筋症早期ステー ジの心室筋細胞における junctophilin-2の発現と局 在の異常 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三上義礼、伊藤雅方、冨田太一郎 、大島大輔、赤羽悟美
  • 学会等名: 第145回 日本薬理学 会関東部会
• [学会発表] 鄭有人、三上義礼、冨田太一郎 、大島大輔、堀裕一、赤羽悟美 (2021)
  • 著者名/発表者名: ドライアイモデルラットに おける神経障害性疼痛メカ ニズムとプレガバリン治療 効果
  • 学会等名: 第41回日本眼薬理学 会
• [学会発表] 糖尿病性心筋症早期ステー ジの左室拡張機能障害に対 するSGLT2阻害薬 Luseogliflozinの改善作用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三上義礼、伊藤雅方、大島大輔、 窪田哲也、冨田太一郎、諸井雅男†、赤羽 悟美
  • 学会等名: 第31回日本循環薬理学会