不知火海・球磨川流域圏学会誌
J. Jpn. Soc. Shiranuikai & Kumagawa Reg. Stud.
Vol. 13/14, No. 1, 2020, pp. 49-54.

不知火海・球磨川流域圏学会誌

第 13/14 巻

第 1 号（2020）【研究ノート】

環境汚染物質に対する動物の感受性の種間の差平野将司 1) ＊1 熊本高等専門学校生物化学システム工学科 〒 866-8501 八代市平山新町 2627

要旨

鳥類は，ダイオキシン類に対して，種によって異なる感受性を有することが知られている．ダイオキシン類は主にアリル炭化水素受容体（AHR）を介して毒性を発現するが，ダイオキシンに対する生物の感受性を規定する分子機序については不明な点が未だに多い．これまでの研究から，鳥類 AHR はリガンド結合能を決定する 2 つのアミノ酸によって，高感受性型（I324 と S380），中間型（I324 と A380），低感受性型（V324 と A380）の 3 種類に分類されることが明らかにされている．しかしながら，これらのダイオキシン結合における役割やその構造的相違については不明なままである．そこで，本研究では，それぞれ高感受性型，中間型，低感受性型を示すニワトリ，アホウドリ，カワウの AHR について，コンピューターシミュレーションの技法を用いてそれらの立体構造を構築し，鳥類間における比較を行った．TCDD- 各鳥類 AHR の結合状態について，分子動力学計算により溶媒効果を調べ，鳥類間で比較したところ，ニワトリの高感受性型 AhR（I324 と S380）の Ser380 では，他の Ala380 と比較して良好な溶媒効果が期待できることが判明した．つまり，TCDD との相互作用が強固になるため，高感受性を示すことが明らかになった．
キーワード：AHR，鳥類，ダイオキシン，遺伝子型，感受性

I はじめに核内受容体と結合することによって，恒常性維持に悪影響をもたらすことがある．そのため，環境筆者はこれまで環境中に存在する化学物質の汚染物質と細胞の核内受容体との相互作用の理

生物に対する安全性・有害性について，細胞の核解は，化学物質の生物界に及ぼす脅威という観点

内受容体タンパク質との相互作用を中心に研究から，環境化学を志向する研究者には重要な研究を行ってきた．核内受容体タンパク質とは，ステ課題の 1 つとなってきた．

ロイドホルモンや甲状腺ホルモンなど生理活性

本学会の活動の対象地域である不知火海・球磨

物質と結合して，細胞の核で新たな遺伝子合成を川流域圏には，他種多様な生物が生息し，豊かな仲介する機能をもつ，発生・分化・恒常性・代謝生態系を形成している．これらの生物の安定したなどの生命現象に必須のタンパク質である．環境生活の営みを長期的に保全し，我々もその恵みを汚染物質が細胞内に取り込まれると，誤ってこの享受していくという観点からも，また，我々自身*Corresponding author: e-mail: hirano@kumamoto-nct.ac.jpの健康な生活を維持していく観点からも，環境中
49

J. Jpn. Soc. Shiranuikai & Kumagawa Reg. Stud. Vol. 13/14, No. 1, 2020に存在する化学物質と自然環境・生態系の保全の物では「アリル炭化水素受容体（AHR）」が受容関係について考える必要性が十分に認められる． 体タンパク質となる．このタンパク質は，低次そこで，今回寄稿した「研究ノート」では，環境生物からヒトまで生物界に広く保存されている．

問題の 1 つである環境汚染物質と生物の遺伝的細胞内ではダイオキシンと強力に結合し，シトク背景の関わりを取り上げることとする．

ロム P450 1（CYP1）等の薬物代謝酵素の発現遺伝子を構成する DNA 配列の種差（種によるを誘導することで，ダイオキシン様化合物の毒性差，遺伝子型）は，ある因子に対する動物の種類反応を媒介する（図 1）．その他，サイトカインによる感受性の違いを付与する．代表的な例としやシグナル伝達分子など多くの遺伝子の発現をて，アルコール感受性遺伝子（アルデヒドデヒド活性化させることが知られている．近年では，自ロゲナーゼ ）が挙げられる．いわゆる，お酒に己免疫疾患との関連性も示唆されている 2)．ちな

強い・弱いといった体質を決定する遺伝子型としみに，脊椎動物などの高等生物の AHR はダイオて広く知られている．これはヒトの疾病・健康にキシン結合能を有するが，下等な無脊椎動物（節限ったものではない．環境中に生息する生物でも足動物，線虫など）の AHR はダイオキシンと結同様なことが規定されており，環境汚染物質に対合しないことから，AHR のダイオキシン結合能する感受性も異なってくる．つまり，遺伝子型のは進化の過程で獲得された細胞内の機能の 1 つ2）変異がタンパク質の立体構造を変化させるため， と考えられている 3)．
ある環境汚染物質に対する受容体タンパク質の親和性が強くなったり弱くなったりすることで，III 鳥類におけるダイオキシン感受性の種間差毒性に差が生じてくることを意味する．本稿では，鳥類を題材として，環境汚染物質の代表例でダイオキシンの生物毒性には種間差がある．鳥あるダイオキシンに対する感受性の種間の差に類ではニワトリ＞アホウドリ＞カワウの順でダついて概説する．

イオキシンに対して感受性が高い．すなわち，ダイオキシンに対する抵抗性が低いことを意味す

II ダイオキシンによる AHR 活性化る．ニワトリは微量で細胞影響・致死がみられるため敏感種，カワウは鈍感種と位置づけられ．そダイオキシンは工業的に製造される化合物での毒性をもたらす濃度には両者で約 100 倍の差はなく，焼却の過程などで非意図的に生成されるがある 4)．そこで，筆者はこの毒性の違いを引きため，環境中に広く微量に存在するという特徴が起こす要因として AHR の遺伝子型に着目し，毒ある．毒性の強い化学物質であるが，塩素の数性の種間差という観点から AHR のダイオキシンと位置により 210 個の異性体が存在し，その異との相互作用を解析する研究を行ってきた．

性体の種類によって毒性の強さが大きく異なるため，毒性がもっとも強い 2,3,7,8-TCDD（以注１)

下 TCDD と略す）を毒性評価の基準としている ．

高等生物における AHR は，哺乳類では一種の AHR のみ保持しているのに対し，鳥類は 3 種

1)ダイオキシンは脂溶性が高く，生物の体内に蓄積されやすい．細胞中に取り込まれると，脊椎動50注１) 2,3,7,8-TCDD：2,3,7,8,- テトラクロロジベンゾ -1,4ジオキシンの略．塩素を 4 つもつダイオキシン異性体の 1つで，もっとも生物に対する毒性が強い．

不知火海・球磨川流域圏学会誌

第 13/14 巻

第 1 号（2020）

図 1 環境汚染物質であるダイオキシンが細胞に取り込まれて，AHR を介して核内の遺伝子と反応し，シトクロム P450 1（CYP1）等の薬物代謝酵素の発現を誘導する経路．この酵素群を含む複数のタンパク質が，ダイオキシンの毒性影響を引き起こしている．の AHR ア イ ソ フ ォ ー ム 注 2)（AHR1・AHR1b・

約 10 倍 感 受 性 が 低 い ア ホ ウ ド リ は「Ile325 -AHR2）を有する．近年，鳥類 AHR1 の TCDD

Ala 381 型」，もっとも感受性が低い鈍感種であに対する感受性（CYP1A5 転写活性化能）はリるカワウの AHR1 は「Val325 - Ala381 型」となっガンド結合領域のたった 2 ヶ所のアミノ酸残基ている．

注 3)の組み合わせに大きく依存することを報告した（図 2）5)．具体的には，鳥類 AHR1 のアミノIV ダイオキシン感受性を解明するため in silico
アプローチ

酸配列はほとんど同じであるものの，リガンドと結合するタンパク質の領域に遺伝子型の変異が起こり，これに伴って遺伝子型がコードする 2 ヶ筆者は，鳥類（ニワトリ・アホウドリ・カワウ）所のアミノ酸がニワトリ，アホウドリ，カワウでAHR の構造的特徴とリガンド注 4 選択性（感受性）異なっている（図 2）．TCDD に対して高感受性を関連付けるために，コンピューターシミュレーであるニワトリの AHR1 では，これらアミノ酸ションによる計算科学的解析によるアプローチ残基は「Ile324 - Ser380 型」であるのに対して， を選択した．この手法は計算科学の進展によってコンピュータ上でタンパク質と薬剤の相互作用
注 2)

アイソフォーム：異なる分子構造を有しているが，同じはたらきを有するタンパク質を指す．

を可視化することができ，さらに分子間力を調べる強力なツールとして，近年注目されている研究

アミノ酸：タンパク質の材料となる天然アミノ酸は手法である．具体的には，タンパク質の立体構造20 種類に限られる．セリン（Ser, S）は水酸基をもつ親水として X 線結晶構造が明らかにされているヒト

注 3)性アミノ酸で，側鎖は短い．アラニン（Ala, A）は疎水性アミノ酸で，側鎖がもっとも短い．バリン（Val, V）とイソロイシン（Ile, I）は疎水性アミノ酸で，側鎖に枝分かれをもつ．イソロイシンはバリンよりも側鎖が長い．のホロ型 HIF-2a（低酸素誘導因子）の三次元立
注 4)

リガンド：特定の受容体とだけ結合する物質の呼称．

本稿では，ダイオキシンを指している．

51

J. Jpn. Soc. Shiranuikai & Kumagawa Reg. Stud. Vol. 13/14, No. 1, 2020＞

ダイオキシン感受性 :＞図 2 鳥類におけるダイオキシンに対する感受性の違い
上段：各鳥類 AHR1 のアミノ酸配列（一文字表記）を比較した結果を示す．アミノ酸配列で変異が起きている箇所には逆黒三角を付す．Ile，Val，Ser，Ala は，それぞれアミノ酸のイソロイシン，バリン，セリン，アラニンを示す．
EC50 値 (nM) ：ショ糖密度勾配沈降法を用いた [3H]TCDD に対する結合能から得られた半数影響濃度aを示す．低い値ほど，結合能が高いことを表す．
体構造を鋳型として，鳥類 AHR リガンド結合ド化合物の置換塩素原子数とともに増加する傾向

メインのホモロジーモデル注 5) を構築した．さらを示し，各化合物の in vitro AHR 転写活性化能に，構築した鳥類 AHR に対して，ダイオキシンと有意な相関関係を示した．このことは，分子様化合物との結合様式を in silico ドッキングシ

シミュレーションからダイオキシン毒性（AHRミュレーションにて解析した．

へ の 作 用 の 強 さ ） を 予 測 可 能 と し た． ま た，

解析の結果，鳥類 AHR1 とダイオキシン様化

TCDD—AHR 相互作用の分子動力学シミュレー

合物の相互作用エネルギーは，ダイオキシン様ションを行うことで，この 2 ヶ所のアミノ酸に

注 5)

注 6)

注 6)

ホモロジーモデリング：実験により解明されたタンパ

ドッキングシミュレーション：薬剤，ホルモン，栄養ク質の立体構造を鋳型として，構造が未解明なタンパク質素といった化合物とタンパク質の相互作用における安定しの立体構造をコンピュータ上で予測する手法のこと．生物た構造をコンピュータ上で計算的に推定する手法のこと．

進化において類縁関係のあるタンパク質はアミノ酸配列が膨大な化合物データベースの中から特定のタンパク質に類似しているため，その立体構造も似てくるという経験則結合すると予測される薬剤を効率的に探索することもできに基づいている．

る．

52

不知火海・球磨川流域圏学会誌

第 13/14 巻

第 1 号（2020）

ついて，ダイオキシンとの結合状態における側鎖て良好な溶媒効果が期待できることが判明した．

原子の動きを追跡した．重要アミノ酸の動きを観

また，Ser は側鎖も短いことから，TCDD が入り察することで，ダイオキシンとの結合に対する関込む十分なスペースをもたらしていることも要連性の強さを明らかにすることを試みた．

因の 1 つと考えられた．すなわち，TCDD との重要アミノ酸の動きを追跡したところ，ダイオキシンに対してもっとも敏感であるニワトリ
AHR1 の Ile324 と Ser380 の平均二乗変位

注 7)相互作用を強固にできることが分かり，高感受性を規定する分子機序が明らかとなった．

は，他の AHR1/2 の該当アミノ酸残基の値より低い

V まとめと推定され，アミノ酸配列の変異によって高感受性になっていることを示した（図 3）．さらに，

以上のように，鳥類におけるダイオキシン感受3D-RISM 法で溶媒（水）分子の確率密度を解析性の研究から，ヒトの疾病や健康に関わる遺伝的することにより，鳥類 AHR に結合する TCDD の背景だけではなく，生物全般において感受性は非分子的安定性（感受性）は，ニワトリ AHR1 の常に重要な研究課題であることがわかる．このよIle324 ・Ser380 に相当する 2 ヶ所のアミノ酸残うな遺伝的背景は生物の淘汰にも関っている．環基の溶媒和効果に起因すると予想された．ニワト

境汚染に関して考えると，汚染物質に対して鈍感リの高感受性型 AHR（I324 と S380）の Ser380

な種は生き残り，敏感な種は早期に絶滅危惧となは親水性アミノ酸であり，他の Ala381 と比較しる可能性も含んでいる．環境汚染物質の問題につ

注 7)

平均二乗変位：Mean Square Displacement（MSD）．

いては，その使用・排出・分布・挙動などについ側鎖原子について動きやすさの指標となる．MSD が高いて適切な把握と管理が必要であるが，それ加えて，と動きが大きいため，結合においては不安定である．逆に環境汚染物質を蓄積する生物の遺伝的背景の理解

MSD が低い場合，結合によって自由な運動が束縛されているため，結合に関係していることを示す．

も不可欠である．近年のテクノロジー発展によっ

図 3 鳥類 AHR1 と TCDD の結合状態における重要アミノ酸の側鎖原子の挙動．化合物：ダイオキシンの炭素（水色），塩素（緑色），酸素（赤色）を示す．アミノ酸：グリーン，マゼンタは，それぞれのアミノ酸の軌跡を示す．
53

J. Jpn. Soc. Shiranuikai & Kumagawa Reg. Stud. Vol. 13/14, No. 1, 2020て様々な生物種のゲノム解読が進んでおり，このような環境問題と遺伝子型の関わりについても，さらに理解が深まっていくものと期待される．
VI 引用文献
1) Van den Berg M, Birnbaum L, Bosveld AT,Brunström B, Cook P, Feeley M, Giesy JP,Hanberg A, Hasegawa R, Kennedy SW, etal. 1998. Toxic equivalency factors (TEFs)
for PCBs, PCDDs, PCDFs for humans andwildlife. Environtal Health Perspectives
106: 775–792.
2) Quintana FJ, Basso AS, Iglesias AH, KornT, Farez MF, Betelli E, Caccamo M, Oukka
M, Weiner HL 2008. Control of T(reg)and T(H)17 cell differentiation by the arylhydrocarbon receptor. Nature 453: 65–71.
3) H a r n M E 2 0 0 2 . A r y l h y d r o c a r b o n
receptors: diversity and evolution.
Chemico-Biological Interacttions 141: 131–160.
4) Head JA, Kennedy SW 2010. Correlation
between an in vitro and an in vivo measureof dioxin sensitivity in birds. Ecotoxicology
19: 377–382.
5) Hirano M, Hwang JH, Park HJ, Bak SM,
Iwata H, Kim EY 2015. In silico analysis of
the interaction of avian aryl hydrocarbon
receptors and dioxins to decipher isoform-,
ligand-, and species-specific activations.
Environmental Science and Technology
49: 3795–3804.

54