PRESS RELEASE（2023/05/20）

⽣物が陸上⽣活に適応するための分⼦メカニズムを発⾒―海中から陸上へ、進化の謎の⼀端を解明―
ポイント① 陸上では海中の数⼗倍から数千倍の活性酸素が存在する。
② 本研究では、陸上での⾼濃度の活性酸素に適応するための進化のメカニズムを発⾒した。
③ もしこの進化が起こらなければ、動物の陸上⽣活は不可能だったと推測される。
概要
⽣物は進化の過程で海中から陸上へ進出しましたが、陸上での⽣活に適応するために様々な変化が必要であったと推測されています。陸上では⾼濃度の酸素と太陽からの紫外線の影響により、⽣体に有害な活性酸素(※1)が発⽣します。このため陸上⽣物は活性酸素に対する防御機構を⾼める必要がありましたが、どのようなメカニズムでそれを達成したのかは⻑らく不明でした。
九州⼤学⽣体防御医学研究所の中⼭ 敬⼀ 主幹教授、⼸本 佳苗 助教らの研究グループは、動物が陸上の⾼い活性酸素に適応するための進化のメカニズムを新たに発⾒しました。
活性酸素に対する防御機構には転写因⼦ Nrf2 が重要な役割を果たします。Nrf2 の量は Keap1 というユビキチンリガーゼ(※2)による分解によって巧妙に調節されています。本研究グループは、海中⽣物が所有する海型 Keap1（Nrf2 分解活性が強い→Nrf2 が低い→活性酸素に弱い）が進化の過程でゲノム重複によって⼆つになり、そのうち⼀⽅が陸型 Keap1（Nrf2 分解活性が弱い→Nrf2 が⾼い→活性酸素に強い）として残った結果、⾼い活性酸素存在下でも⽣存できるようになったことを突き⽌めました。そこで、本来の Keap1（陸型）を⼈⼯的に Keap1（海型）に置き換えた遺伝⼦改変マウスを作製し、これに太陽光レベルの紫外線を照射したところ、ほとんどが⾼い活性酸素に耐えきれずに死んでしまいました。つまり、もし海型 Keap1 から陸型 Keap1 への遺伝⼦の進化が起こらなければ、ヒトも含めた動物は陸上では⽣きられなかったことを⽰しています。
本研究結果は、どのように⽣物が海から陸への⽣活に適応したかに関して新たな知⾒を加えるものです。また、活性酸素はがんや⽼化・加齢性疾患の原因ともなることより、これらの疾患治療への応⽤が期待できます。本研究成果は⽶国の雑誌「Science Advances」に 2023 年 5 ⽉ 20 ⽇(⼟)午前4 時（⽇本時間）に掲載されました。

Keap1 の遺伝⼦進化が陸上環境への適応に必須だった1

【研究の背景と経緯】
⽣物が⽔⽣環境から陸上環境へ移⾏することは、進化における重要な出来事の１つでした。⽣物の陸上への移⾏の理由の⼀つに、⾼い溶存酸素濃度が挙げられます。酸素を⽤いた好気性呼吸(※3)は酸素を⽤いない嫌気性呼吸(※4)よりもはるかに効率よくエネルギーを⽣産できるため、⽣物はより効率的に酸素を取り込める陸上に進出したと考えられています。しかし、酸素濃度が⾼いということはそれだけ⽣体に有害な活性酸素が発⽣する確率も⾼く、⽣物が陸上に進出する際には活性酸素に対する防御機構の進化が必要であったと考えられます。しかし、活性酸素防御機構の進化には、どのような遺伝⼦の変化が鍵になったのかは不明なままでした。
転写因⼦ Nrf2 は、抗酸化タンパク質(※5)の発現を誘導することにより、細胞を酸化的損傷から守る中⼼的な分⼦です。ユビキチンリガーゼ Keap1 は Nrf2 をユビキチン化して分解に導くことで活性酸素応答を抑制しています。つまり Nrf2 が⾼いと活性酸素に対しての防御⼒が強くなります。Keap1 タンパク質は複合体型のユビキチンリガーゼの構成因⼦の１つであり、Cul3 タンパク質と結合して初めてユビキチン化機能を獲得します（図１）。

図 1: 海型 Keap1 と陸型 Keap1 の機能の違い【研究の内容と成果】
私たちは、ヒト Keap1 の Cul3 との結合が著しく弱く、そのため Nrf2 の分解活性が弱まり、結果として Nrf2 の量が増加することを⾒出しました（図１右）。この原因として、ヒト Keap1 分⼦の⼀部分が特殊な形状をしているため、Cul3 と結合しにくいことがわかりました。進化的に Keap1 分⼦をたどってみると、脊索動物以前の⽣物の海型 Keap1 は Nrf2 の分解活性が強く、そのため Nrf2 の量も低く抑えられています（図１左）。しかし進化の過程でゲノム重複が起こり、⿂類・両⽣類は海型と陸型の⼆つの Keap1 を保有し、さらに爬⾍類以降の陸棲⽣物は陸型 Keap1 のみを保有していました。このことより、脊椎動物は陸上に進出する段階で海型 Keap1 を捨て、陸型 Keap1 を選択したことがわかります（図 2）。つまり Keap1 は陸上に進出する際に Keap1 遺伝⼦を進化させ、Nrf2 の分解活性を弱めてNrf2 の量を増やし、活性酸素に対して強い防御⼒を獲得したことがわかりました。

図 2: 脊椎動物は陸上進出の際に陸型 Keap1 を選択した
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なぜ脊椎動物は陸型 Keap1 を選択する必要があったのでしょうか？このことを知るために、本来のKeap1（陸型）を⼈⼯的に Keap1（海型）に置き換えた遺伝⼦改変マウスを作製しました。このマウスの新⽣児に太陽光と同レベルの紫外線を照射したところ、陸型 Keap1 を所有する正常マウスはほとんど死ななかったのに対し、海型 Keap1 を所有する遺伝⼦改変マウスは、発⽣した活性酸素を処理しきれずにそのほとんどが死んでしまいました（図３）。以上のことより、動物が太陽光レベルの紫外線に耐えるためには、Keap1 の海型から陸型への遺伝⼦進化が必須であることが⽰されました。

図 3: 海型 Keap1 を持つマウスは太陽光レベルの UV により致死となる【今後の展開】
本研究は、動物の陸上進出に伴う活性酸素適応に焦点を当てて解析をおこないました。Keap1-Nrf2経路は活性酸素に加えて、陸上植物に含まれる多彩な有毒物質に対する防御経路でもあり、今回の発⾒はこれらの毒物に対する対抗策でもある可能性もあります。また Keap1-Nrf2 調節経路は、がん、神経変性疾患、⼼⾎管疾患、急性肺障害、加齢性疾患など様々な病態からの保護に重要な役割を果たしていることも知られており、今回の発⾒がこれらの疾患にどのように影響を与えているかの解明が待たれます。

【⽤語解説】(※1) 活性酸素： ⼤気中の酸素よりも活性化された酸素およびその関連分⼦で、酸素原⼦を含む反応性の⾼い化合物の総称です。適度なレベルの活性酸素は、細胞の正常な機能に必要不可⽋な役割を果たしていますが、過剰の活性酸素は細胞や組織を傷つけ、酸化ストレスを引き起こします。
(※2) ユビキチンリガーゼ：タンパク質の特定の部位にユビキチンと呼ばれる⼩さなタンパク質を付加する酵素を指します。ユビキチンを付加されたタンパク質はプロテアソームという酵素により分解される運命をたどります。
(※3) 好気性呼吸：⽣物が酸素を利⽤して、有機物からエネルギーを産⽣する代謝の⼀種です。空気中の酸素を取り込んで、有機物を⼆酸化炭素と⽔に分解し、その過程で ATP というエネルギー源を産⽣します。
(※4) 嫌気性呼吸：酸素が存在しない、または極めて少ない環境下でエネルギーを産⽣する代謝の⼀種です。微⽣物などの⽣物が⾏っています。
(※5) 抗酸化タンパク質：活性酸素の産⽣を抑制したり、活性酸素により⽣じたダメージの修復・再⽣を促したりする働きを持つ⼀群のタンパク質のことです。

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【謝辞】
本研究は科研費（JP18H05215・JP20K07592・JP19J40055)、JST・創発的研究⽀援事業(JPMJFR216G）の助成を受けたものです。
【論⽂情報】
掲載誌：Science Advances
タイトル：Molecular evolution of Keap1 was essential for adaptation of vertebrates to terrestriallife
著者名：Kanae Yumimoto, Shigeaki Sugiyama, Saori Motomura, Daisuke Takahashi, Keiichi I.
Nakayama
DOI：10.1126/sciadv.adg2379【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学
⽣体防御医学研究所
主幹教授
中⼭敬⼀（ナカヤマケイイチ）
T E L：092-642-6815
FAX：092-642-6819
Mail：nakayak1@bioreg.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞九州⼤学
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FAX：092-802-2139
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