愛知学院大学薬学会誌 第 13 巻

＝総説＝

カドミウム毒性発現分子機構とその防御
Molecular mechanism of cadmium toxicity and its protection
佐藤雅彦 a*、李辰竜 a、徳本真紀 a、本田晶子 b、藤原泰之 cMasahiko Satoha*, Jin-Yong Leea, Maki Tokumotoa, Akiko Hondab, Yasuyuki Fujiwaraca

愛知学院大学薬学部衛生薬学講座、b 京都大学大学院工学研究科環境衛生学講座、c
東京薬科大学薬学部公衆衛生学教室

aLaboratory of Pharmaceutical Health Sciences, School of Pharmacy, Aichi Gakuin University, bEnvironmental
Health Division, Department of Environmental Engineering, Graduate School of Engineering, Kyoto University,c
Department of Environmental Health, School of Pharmacy, Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences

Summary
Cadmium (Cd), a harmful metal, causes severe toxicity such as renal toxicity, hepatotoxicity, pulmonary toxicity, osteotoxicity
and anemia. However, the molecular mechanism of these toxicity remains to be unknown. We have been studying theidentification of target molecules involved in Cd toxicity, their molecular mechanisms, and metallothionein, which is a protective
factor against Cd toxicity. In this paper, we present the molecular mechanism of Cd toxicity and its protection, focusing on our
research results. It has been comprehensively investigated which molecules are altered by Cd using DNA microarray analysis,
Protein/DNA binding assay analysis and siRNA method in order to identify the target molecules involved in Cd toxicity. As aresult, we have newly identified YY1, FOXF1, ARNT and MEF2A transcription factors as new Cd-targeted transcription factors,
and found the suppression of gene expression of UBE2D2, UBE2D4, BIRC3 and GLUT4, which are their downstream factors,
causes cytotoxicity. Moreover, it has been newly revealed that Cd causes inhibition of iron absorption from duodenal epithelial
cells through suppression of the expression of iron transport-related genes DMT1, FPN1, DCYTB, HEPH and HCP1. These
results suggested that Cd-induced iron deficiency anemia may result from lack of iron in the body. In addition, althoughmetallothionein-I and metallothionein-II have been strongly involved in protecting Cd toxicity, the relationship between
metallothionein-III and Cd toxicity has not been studied in vivo. We investigated the susceptibility of metallothionein-III nullmice and metallothionein-I/II null mice to Cd-induced hepatotoxicity and testicular toxicity. As a result, it was found that
Cd-induced hepatotoxicity and testicular toxicity were enhanced in metallothionein-I/II null mice and attenuated inmetallothionein-III null mice as compared with wild-type mice. These results suggested that metallothionein-III has opposite
effects to metallothionein-I and metallothionein-II on the acute toxicity of Cd, and provided new findings on the biological roleof metallothionein-III.
Keywords: cadmium, renal toxicity, iron deficiency anemia, metallothionein*Corresponding author:
Masahiko Satoh, Ph.D.
Tel: +81-53-757-6790, Fax: +81-53-757-6799
e-mail address: masahiko@dpc.agu.ac.jp

1. はじめにり発見された。カドミウムは、周期律表において、第カドミウム（cadmium, Cd）は、原子量が 112.41、比12 族元素〔亜鉛、カドミウム、水銀、コペルニシウム〕

重が 8.642、融点が 321℃、沸点が 767℃を示す重金属の 2 番目に位置している。主な用途は、顔料、電池、であり、1817 年にドイツの鉱物学者 F. Strohmeyer によ

合金、メッキなどであり、そのほか自動車部品、電子

1

機器、カメラ部品、合成樹脂の安定剤、原子炉の制御

生薬学講座に赴任して以来、カドミウムの毒性発現に棒など、幅広く利用されている。自然界において、カ関与する標的分子の特定とその分子機構解明という難ドミウムは亜鉛、銅、鉛などと共存しており、これら

題に取り組んできた。本稿では、カドミウム毒性発現の金属の採鉱、製錬の際に副産物として得られる。

分子機構とその防御について、当研究室での研究成果

カドミウムによる健康影響については、精錬工場やを中心に紹介したい。

電池工場などの職場でのカドミウム曝露と、一般環境汚染による飲食物を介したカドミウムの過剰摂取によ

2. カドミウム毒性発現分子機構って腎臓、骨、呼吸器、生殖器および循環器などに障（１）カドミウムによる腎毒性発現分子機構

害が認められている

1-4)。特に、慢性腎毒性は尿細管機① カドミウム腎毒性に関与する標的遺伝子の同定

能障害を主症状とし、カドミウムの安全性を評価する

筆者らは、カドミウムの毒性発現に関与する標的分上で主要な毒性となっている。わが国では、職業曝露子を特定することを目的に、ラットの腎近位尿細管上によるカドミウム中毒のみならず、カドミウムの汚染

皮細胞（NRK-52E 細胞）を用いて、カドミウム曝露に地域（富山県婦中町、兵庫県生野町、石川県梯川流域、

よって変動する遺伝子を DNA マイクロアレイ法で網秋田県小坂町、長崎県対馬など）において慢性腎毒性

羅的に解析した 5)。その結果、50 µM のカドミウムで 4が多発した。1955 年には、富山県神通川下流域で、カ時間処理した NRK-52E 細胞では、カドミウムによっ

ドミウムに汚染されたコメや飲料水を長期間経口摂取て 73 遺伝子が 2 倍以上の発現上昇を示し、その中にはした結果、高齢経産婦を中心に腎毒性と骨軟化症を主ストレス応答遺伝子である Mt1 や Hmox1 などが含まれ症状とするイタイイタイ病が発生している 2)。イタイていた。一方、発現が 2 分の 1 以下に減少した遺伝子

イタイ病は、三井金属鉱業神岡鉱山亜鉛精錬所がカド

は 42 遺伝子が認められ、その中に、選択的タンパク質

ミウムを含む鉱排水を神通川上流に排出した結果、神分解系ユビキチン-プロテアソームシステムで機能す

通川下流域において飲料水や土壌および農作物（特に、るユビキチン転移酵素群 Ube2d ファミリーの構成因子コメ）がカドミウムに汚染されたことによって起こっUbe2d4 が含まれていた。そこで、カドミウムの腎毒性た公害病である。

発現に関与する遺伝子群として Ube2d ファミリーに的

今日、わが国において、産業職場や環境汚染によるを絞って詳細な検討を進めた。

カドミウム中毒はほとんど認められていない。しかし

なお、筆者らは、上記で示した NRK-52E 細胞の他ながら、その一方で、カドミウムはコメをはじめとすに、ヒト腎近位尿細管上皮細胞（HK-2 細胞）6)、ヒトる様々な食品中に微量ながら含まれており、日本人が冠状動脈内皮細胞 7)、マウス肝臓 8)、マウス腎臓 9)、マ

1 日に摂取するカドミウムの約 50%はコメに由来する。

ウス新生仔脳 10)、マウス胎仔肝臓 11)についても DNA

したがって、カドミウムはコメなどの食品を介して生マイクロアレイによる網羅的解析を行って、カドミウ

涯にわたって身体に取り込まれ、しかも体内残留性がムによって変動する遺伝子を数多く見いだしている。

非常に高い（ヒトでの生物学的半減期：15〜30 年）た

特に、HK-2 細胞において、カドミウムによって変動し

め、最近ではカドミウムの微量長期曝露による高齢者

た遺伝子のうち、亜鉛輸送体 ZIP1 をコードする遺伝子の健康影響が問題となっている。

SLC39A1 や熱ショックタンパク質ファミリーの構成因
子 HSPH1 および HSPA8 がカドミウム毒性の防御に関一方、カドミウムの毒性発現機構に関する研究は、与することを明らかにしている 12, 13)。

国内外の様々な研究グループによって長年にわたって進められてきた。特にわが国においては、イタイイタ
イ病を代表とするカドミウム公害により一般地域住民② Ube2d ファミリー遺伝子の発現抑制を介した p53 依が深刻な健康被害を被ったという苦い経験から、カド存的アポトーシス誘導

ミウム毒性に関する研究が活発に行われてきた。しか上記①で示したように、慢性カドミウム中毒の標的しながら、その分子レベルでの毒性発現機構について組織である腎臓由来の NRK-52E 細胞を用いた DNA マ

は、ほとんど解明されていないのが現状である。このイクロアレイ解析により、Ube2d4（ラット、マウス標

ような背景のもと、筆者らは、愛知学院大学薬学部衛記）の遺伝子発現がカドミウム処理によって半減する-2-

ことを見いだした 5)。しかも、カドミウム処理したもに、その同一部位にアポトーシスが検出されること

NRK-52E 細胞において、カドミウムによる細胞毒性がが判明し、カドミウムが腎近位尿細管特異的に p53 依

出現するよりも早い時期に、Ube2d4 だけでなく他の存的アポトーシスを引き起こすことを明らかにした 14,

Ube2d ファミリー遺伝子（Ube2d1， Ube2d2 および15, 17)。

Ube2d3）の発現がすべて顕著に抑制されるとともに、このように、培養腎近位尿細管上皮細胞とマウス腎

アポトーシス誘導因子である p53 タンパク質が顕著に臓において、カドミウムが Ube2d ファミリー遺伝子の増加することを見いだした 14, 15)。この時、カドミウム

発現抑制を介して腎近位尿細管上皮細胞内の p53 タン

による p53 mRNA 量の増加やプロテアソーム活性に対パク質を過剰蓄積させ、p53 依存的なアポトーシスをする直接的な阻害は認められないことを確認している

誘導することにより細胞毒性を引き起こすことを新た

14, 15)

Fig. 1に明らかし、カドミウム毒性の標的因子として
Ube2d。p53 はターンオーバーの速い短命タンパク質であり、その分解の発端となるユビキチン化に Ube2d ファミリーが関与することが知られている

16)

。したがっ

ファミリー遺伝子を見いだすことができた（Fig. 1）。
Fig. 1

Cdて、カドミウムによる p53 タンパク質の過剰蓄積は、
Ube2d ファミリー遺伝子の発現抑制を介した p53 の分解阻害に起因しているものと考えられる。さらに、カ
ドミウム処理によって p53 のリン酸化とともに DNA

FOXF1

YY1

UBE2D4

UBE2D2の断片化を確認し、カドミウムが p53 依存的なアポト
ーシスを誘導することを明らかにした 14, 15)。
次に、siRNA の細胞導入が容易である HK-2 細胞を用いて、siRNA による UBE2D（ヒト標記）ファミリー
遺伝子ノックダウン細胞や p53 ノックダウン細胞を作

p53

製し、カドミウムによる p53 タンパク質の細胞内蓄積における UBE2D ファミリー遺伝子の関与、およびカ
APOPTOSIS

ドミウムのアポトーシス誘導における p53 の関与を検討した。その結果、カドミウムによる UBE2D2 およびFig. 1. The new apoptotic pathway of Cd toxicity through the p53
overaccumulation via the downregulation of UBE2D family. Cd
causes inactivation of YY1 and FOXF1
transcription factors and22
induces p53-dependent apoptosis through the suppression of gene
expression of their downstream factors UBE2D2 and UBE2D4 in
proximal tubular cells.

UBE2D4 遺伝子の発現抑制が細胞内 p53 タンパク質の過剰蓄積を引き起こすこと、並びにカドミウムによるアポトーシス誘導に p53 の過剰蓄積が深く関与することを明らかにした 17)。
また、カドミウム長期曝露マウスを用いて、腎臓での Ube2d ファミリー遺伝子の発現と p53 タンパク質の様々な有害化学物質は、細胞死の主要なプロセスで発現を検討した。その結果、カドミウム（300 ppm）含あるネクローシスやアポトーシスを誘発することが知

有固形飼料を用いて、カドミウム長期曝露（6〜12 ヶられている。カドミウムの毒性発現においても、ネク月）したマウスにおいて、腎毒性が僅かに出現していローシスやアポトーシスが関与していることが明らかる状態で、腎臓中 Ube2d1、Ube2d2 および Ube2d3 mRNAにされている。カドミウムの慢性腎毒性発現における量が有意に減少すること、並びに p53 タンパク質量がアポトーシス誘導のメカニズムについては、筆者らが有意に増加することを確認し、in vivo においても in

新たに見いだしたメカニズム以外にもいくつか報告さ

vitro と同様の結果を得ている 14, 15, 17)。さらに、カドミれている。カドミウムの慢性腎毒性発現におけるアポ

ウム長期曝露マウスを用いて、腎臓中 p53 タンパク質

トーシス誘導に関するこれまでの研究については、総およびアポトーシス細胞の局在性について検討した。

説を参照されたい 18)。

その結果、カドミウム長期曝露によって、腎近位尿細管細胞特異的に p53 タンパク質が顕著に増加するとと③ カドミウム腎毒性に関与する転写因子の同定-3-

上記②で示したように、ヒト由来の HK-2 細胞、ラ以上の結果より、カドミウムの UBE2D ファミリーット由来の NRK-52E 細胞およびマウスを用いて、遺伝子の発現抑制を介した毒性発現機構において、

UBE2D/Ube2d ファミリー遺伝子の発現抑制がカドミ

FOXF1 および YY1 転写因子が関与していることが明

ウムの腎毒性発現（アポトーシス誘導）に関与するこらかとなった（Fig. 1）。

14, 15, 17)。細胞内での遺伝子発現

次に、HK-2 細胞を用いて、カドミウムによって転写は転写因子の制御下で調節されており、転写調節機構

活性が低下した 28 種の転写因子のうち、18 種の転写の解明は様々な生命現象の理解に重要である。カドミ

因子の各遺伝子を siRNAでそれぞれノックダウンした

ウム毒性発現にも転写制御機構が関わっていると思わ時の細胞生存率の変化を検討した。その結果、ARNT、れるが、カドミウム毒性の標的転写因子はほとんど明MEF2A および GATA ファミリーの遺伝子をそれぞれらかにされていない。

ノックダウンさせた細胞はコントロール細胞に比べてとを新たに見いだした筆者らは、HK-2 細胞を用いて、カドミウム処理によ顕著な細胞生存率の低下を示した 19, 21, 22)。
これまでに、って DNA 結合活性が変動する転写因子を Protein/DNA

ARNT、
MEF2A および GATA ファミリーとカドミウム

アッセイを利用して網羅的に解析した。その結果、カ

毒性発現との関係を示す報告はほとんどなく、本研究

ドミウムによって DNA 結合活性（転写活性）が上昇で同定された転写因子はカドミウム毒性発現に関わるした転写因子は 345 種のうち 20 種であり、28 種の転新たな標的因子である可能性を強く示唆している。

写活性がカドミウムによって低下した

19)。しかも、カドミウムによる転写活性の低下が認められた FOXF1④ ARNT 転写活性阻害を介した BIRC3 遺伝子の発現の結合配列が、UBE2D4 遺伝子のコーディング領域の抑制によるアポトーシス誘導®

上流に存在することを TRNASFAC データベース検索によって確認した17)

上記③で示した通り、Protein/DNA アッセイを利用。そこで、HK-2 細胞を用いてした網羅的解析で、カドミウムによって転写活性の阻

UBE2D4 の遺伝子発現に及ぼす FOXF1 転写因子の影害が確認された転写因子のうち、ARNT 転写因子につ響を検討した。その結果、siRNA による FOXF1 遺伝

いて siRNA 法を用いて ARNT 遺伝子をノックダウンし子のノックダウンは UBE2D4 の遺伝子発現を顕著に抑た HK-2 細胞で、顕著な細胞生存率の低下が示された

制するとともに、有意な細胞生存率の低下を引き起こ

19)。そこで、カドミウム毒性発現に関与している ARNT

17)

した 。
なお、
FOXF1 遺伝子のノックダウンは UBE2D2

転写因子の下流因子を同定するため、ARNT 遺伝子をの遺伝子発現には影響を与えなかった 17)。

siRNA 法によりノックダウンさせた細胞を用いてカドミウムが FOXF1 転写因子の転写活性を抑制す

DNA マイクロアレイを行った。その結果、ARNT ノッることで、UBE2D4 遺伝子の発現を抑制していること

クダウンにより 27 遺伝子が発現低下を示した 19)。

を見いだしたが、カドミウムによる UBE2D2 遺伝子の

ARNT 遺伝子のノックダウンにより遺伝子発現が抑制

発現抑制に関わっている転写因子は不明である。筆者された因子のうち、BIRC3 遺伝子に着目して、BIRC3

らは、NRK-52E 細胞においても、カドミウム処理によ遺伝子を siRNA 法によりノックダウンしたところ、って DNA 結合活性が変動する転写因子を Protein/DNA

HK-2 細胞の生存率が顕著に減少した 19)。
BIRC3 は IAP

アッセイ解析しており、YY1 転写因子の転写活性がカ（inhibitor of apoptosis protein）ファミリーに属するタ

ドミウムによって低下することを見いだしている 20)。

ンパク質であり、アポトーシス抑制因子（カスパーゼ

なお、YY1 の転写活性は HK-2 細胞においてもカドミ活性阻害によるアポトーシス抑制作用）として知られウムにより約 40%低下した

19)®

。さらに、TRNASFACている。

データベース検索によって、UBE2D2 の遺伝子領域のそこで、ARNT 転写因子の活性阻害および BIRC3 遺上流側に YY1 の結合配列が存在することを確認した。

伝子の発現抑制とカドミウム毒性発現との関係をそこで、siRNA 法を用いて YY1 転写因子の細胞内量をHK-2 細胞を用いて検討した。その結果、カドミウムは低下させたところ、UBE2D2 の遺伝子発現が有意に減BIRC3 の遺伝子発現のみならずタンパク質量も著しく

少した

17)

減少させた 19)。さらに、カドミウムによる BIRC3 遺伝。なお、YY1 遺伝子のノックダウンは UBE2D4の遺伝子発現には影響を与えなかった 17)。

子の発現抑制における ARNT 転写因子の関与を調べた-4-

ところ、その経路には ARNT が関与していることを見害し、その結果として BIRC3 の遺伝子発現が抑制されいだした 19)。なお、8 種類の BIRC 遺伝子ファミリーるとともに、細胞内 BIRC3 量の低下を引き起こすことのうち、BIRC3 遺伝子のみがカドミウムによって発現

で、カスパーゼ 3 の活性化を介したアポトーシスを誘抑制されることを確認した

19)。また、細胞内 BIRC3

導することが新たに明らかとなった（Fig. 2）。

量の減少は、細胞生存率を有意に低下させるとともにアポトーシスも誘導させ、HK-2 細胞におけるカドミウ
ム毒性も増強させることを明らかにした⑤ MEF2A 転写活性阻害を介した GLUT4 遺伝子の発現

19)

。しかも、

抑制による細胞内グルコースの低下作用

カドミウムは細胞内 ARNT タンパク質量を減少させる
ことにより転写活性を阻害させることも確認した

上記③で示した通り、Protein/DNA アッセイを利用

19)。

した網羅的解析で、カドミウムによって転写活性の阻

BIRC3 はアポトーシス誘導因子であるカスパーゼ 3 の害が確認された転写因子のうち、ARNT 転写因子以外活性を阻害してアポトーシスを抑制することが知られに、MEF2A 転写因子についても検討を行った結果、ている。そこで、次に、HK-2 細胞におけるカスパーゼ

siRNA 法により MEF2A 遺伝子をノックダウンした

3 活性化に及ぼすカドミウムおよび BIRC3 遺伝子ノッHK-2 細胞で、顕著な細胞生存率の減少が示された 22)。

クダウンの影響を調べたところ、BIRC3 遺伝子のノッ

MEF2A は細胞内グルコーストランスポーターの一種

クダウンは、カドミウムと同様に HK-2 細胞内のカスである GLUT4 の転写制御に関与していることが報告19)。

されている 24, 25)。そこで、筆者らは、HK-2 細胞を用

パーゼ 3 を活性化させたカドミウム長期曝露マウスを用いて、腎臓での Birc3

いて GLUT4 の遺伝子発現に及ぼすカドミウムおよび遺伝子の発現を検討したところ、カドミウム長期曝露

MEF2A ノックダウンの影響を検討した。その結果、したマウスの腎臓中 Birc3 mRNA 量が有意に減少する

siRNA 法による MEF2A 遺伝子のノックダウンはFig. 2

ことを確認し、in vivo においても in vitro と同様の結果を得ている

GLUT4 の遺伝子発現を有意に減少させ、カドミウムも23)

GLUT4 遺伝子発現を顕著に減少させた 21)。しかも、カ。

Fig. 2

ドミウムによって GLUT4 タンパク質量も低下した 21)。

Cd

さらに、siRNA 法による GLUT4 遺伝子のノックダウ
ンは、HK-2 細胞に顕著な細胞毒性を与えた 21)。
一方、腎臓には GLUT2 も多く発現していることが知られている 26)が、siRNA 法による GLUT2 遺伝子のARNT

ノックダウンは細胞毒性を示さなかった 21)。さらに、
siRNA 法による MEF2A 遺伝子のノックダウンは、
GLUT2 遺伝子の発現を抑制せず、GLUT4 遺伝子の発現のみを有意に抑制した 21) 。これらの結果より、

BIRC3

MEF2A の転写活性阻害を介したカドミウム腎毒性発

Caspase-3
activation

現機構には GLUT4 が深く関与していることが示唆された。
次に、GLUT4 がグルコーストランスポーターである

APOPTOSISAPOPTOSISことから、カドミウムおよび GLUT4 遺伝子ノックダ
ウンによる細胞内グルコース濃度の変動について調べ

Fig. 2. The new apoptotic pathway of Cd toxicity through the
inhibition of ARNT transcription factor activity. Cd causes
inactivation of ARNT transcription factor and induces
caspase-3-dependent apoptosis through the suppression of gene
expression of its downstream factor BIRC3 in proximal tubular cells.

たところ、GLUT4 遺伝子に対する siRNA 処理およびカドミウム処理は、ともに有意な HK-2 細胞内グルコース量の低下を引き起こした 21)。したがって、カドミ
ウムによる GLUT4 遺伝子の発現抑制は、細胞内グル23

コース量を低下させて毒性を発現していることを示唆

以上の結果より、カドミウムは、ARNT 転写因子のしている。さらに、グルコース不含培地で HK-2 細胞

細胞内量を減少させることによってその転写活性を阻-5-を培養し、細胞内グルコース量を減少させることによ（２）カドミウムによる鉄欠乏性貧血発現分子機構って、細胞生存率が抑制されることを見いだした 21)。

カドミウムの慢性毒性として、腎機能障害のほかにこれらの結果より、カドミウムは MEF2A 転写活性阻

鉄欠乏性貧血が挙げられる 28, 29)。カドミウムは鉄の体害を介して GLUT4 の細胞内量を低下させ、細胞内へ

内貯蔵量を低下させることによって鉄欠乏性貧血を誘Fig. 3のグルコースの取り込みを抑制し細胞毒性を示してい発することが国内外の研究グループによって報告されることが示唆された（Fig. 3）。

ている 28, 29)。カドミウムの腸管吸収には、鉄の輸送体として知られる DMT1 が関与することが報告されていFig. 3る 30, 31)。したがって、カドミウムが DMT1 を介した腸Cd

管からの鉄吸収を競合的に阻害する可能性が考えられるが、この競合阻害作用については否定的な報告や矛盾する報告が多く、結論を得るに至っていない。この
MEF2A

ように、カドミウムによる鉄欠乏性貧血の発症機構は
ほとんど明らかにされていないのが現状である。そこで、筆者らは、カドミウムが引き起こす鉄欠乏性貧血

GLUT4の発症機構を解明することを目的に、カドミウムによる腸管での鉄輸送関連遺伝子の発現変動と鉄の体内貯蔵量との関係をマウスおよび培養細胞を用いて検討しglucoseた。
① カドミウムによるマウス小腸での鉄輸送関連分子

Cell Toxicityの発現変動（in vivo 検討）
マウスの十二指腸における鉄輸送関連遺伝子の発現

Fig. 3. The new pathway of Cd toxicity through the inhibition ofや血清鉄に及ぼすカドミウム単回経口投与の影響につMEF2A transcription factor activity. Cd suppresses GLUT4 gene

いて検討した。なお、鉄輸送関連遺伝子として、非ヘ

expression through the inhibition of MEF2A transcriptional activity,
resulting in reduced glucose uptake into cells, causing cytotoxicity in

ム鉄 の輸送に関 わる二価金属 輸送体 DMT1（ geneproximal tubule cells.

name Slc11a2）、鉄還元酵素 DCYTB（gene name Cybrd1）、

24

鉄排出輸送体 FPN1（gene name Slc40a1）および鉄酸化
酵素 HEPH（gene name Heph）、並びにヘムの輸送体⑥ その他の転写因子についてカドミウムによる活性低下が認められた転写因子のである HCP（gene name Slc46a1）の mRNA 量をリアル

中には、ARNT 転写因子以外に、GATA ファミリーのタイム RT-PCR 法により測定した。その結果、カドミ

転写因子もカドミウム毒性発現に関与している可能性

ウムを経口投与して 3 時間後のマウスの十二指腸にお22)。ほ乳類の GATA ファミリーは、主ける DMT1、DCYTB、FPN1 および HEPH の mRNA 量に二つのグループに分類され（GATA-1/-2/-3 またはは、いずれもコントロール群に比べて有意に低下した

GATA-4/-5/-6）、様々な遺伝子の発現を調節すること

32)が示されている27)。さらに、十二指腸におけるヘムの輸送体である。しかしながら、カドミウムの腎HCP1 の mRNA 量も非ヘム鉄輸送関連遺伝子と同様毒性発現における GATAファミリーの役割についてはにカドミウム投与 3 時間後にコントロール群と比較しこれまで全く検討されていない。したがって、今後、て顕著に減少した 32)。また、カドミウムが十二指腸に

GATA ファミリーの転写因子とカドミウム毒性発現とおける DMT1 および FPN1 タンパク質の発現も顕著にの関係について研究を進めていくことによって、転写抑制することが示された 32)。一方、カドミウム投与 24因子の活性阻害を介した新たなカドミウム毒性発現分

時間後の血清鉄はコントロール群と比較して有意な減子機構が解明されるものと期待される。

少が認められた 32)。

が報告されている-6-

これらの結果より、マウスにおいて十二指腸中の非子である DMT1、FPN1、DCYTB、HEPH および HCP1

ヘム鉄およびヘム鉄の輸送関連遺伝子の発現がカドミの発現を抑制し、それらの分子のタンパク質量を減少

ウムの経口摂取によって速やかに抑制されることが明させることを通じて、消化管からの鉄吸収阻害を引きらかとなった。したがって、カドミウムの経口曝露は起こすことが新たに明らかとなった（Fig. 4）。

十二指腸で鉄輸送関連分子の発現を抑制することを通じて、消化管からの鉄吸収を阻害し、その結果、体内

3. カドミウム毒性とメタロチオネインの鉄が不足することによって鉄欠乏性貧血を引き起こ（１）メタロチオネインについて
メタロチオネイン (metallothionein, MT) は、1957 年している可能性が示唆された。

に Margoshes と Vallee によってウマの腎皮質からカド

Fig. 3② カドミウムによるヒト小腸上皮細胞での鉄輸送関ミウム結合タンパク質として単離された 33)。メタロチ

連分子の発現変動（in vitro 検討）

オネインはヒトやマウスおよびラットなどにおいて、4

ヒト小腸上皮細胞モデルである Caco-2 細胞におけ種の亜型が存在し、これらの亜型はいずれも構成アミ

る鉄輸送関連遺伝子の発現に及ぼすカドミウム曝露のノ酸（メタロチオネイン-I/II：61 個、メタロチオネイ

影響について検討した。その結果、カドミウム（10 µM）

ン-III：68 個、メタロチオネイン-IV：62 個）のうち 20処理した Caco-2 細胞内の DMT1、DCYTB、FPN1 およ

個をシステインが占め、しかも芳香族アミノ酸を含ま

び HEPHの mRNA 量はいずれもコントロールに比べてない特徴を持っている 34-36)。1957 年に発見されたメタ

有意に減少した 32)。また、カドミウムが DMT1 およびロチオネインは、メタロチオネイン-I にあたり、そのFPN1 タンパク質の発現も抑制することが示された 32)。

後、メタロチオネイン-II が確認され、両者ともに、す

これらの結果より、小腸上皮細胞モデルである

べての組織に存在することが確認されている。また、

Caco-2 細胞においても、マウス十二指腸と同様にカド

メタロチオネイン-III は、1989 年に Uchida らによって

ミウムは DMT1、DCYTB、FPN1 および HEPH の遺伝

ラ ッ ト の 脳 か ら 神 経 細 胞 成 長 抑 制 因 子 （ growth

子発現を抑制することが示された。したがって、細胞

inhibitory factor, GIF）として単離され 37, 38)、当初、脳レベルにおいてもカドミウムが鉄輸送関連分子の発現に発現が限局するとされていたが、後に精巣や卵巣なFig. 4抑制を引き起こすことを通じて、鉄輸送に影響を及ぼ

どの生殖器および腎臓などにも発現していることが確す可能性が示唆された。

認されている。メタロチオネイン-IV は、1994 年に<Non-heme>
Fe3＋

DCYTB

Quaife らによってマウスの舌より単離され、舌から食<Heme>Fe2＋

Heme

道、胃上部までの扁平上皮と皮膚で存在が確認されている 39)。メタロチオネイン-I およびメタロチオネイン

DMT1

HCP1

-II の主な機能は、金属に対する親和性が高いこと、並びにフリーラジカル消去作用を有することである。しFe2＋

たがって、メタロチオネイン-I およびメタロチオネイ

Cd
HO-1

ン-II は、カドミウムをはじめ金属の毒性軽減や蓄積、並びに銅や亜鉛などの必須金属の恒常性の維持に関与
FPN1

Fe2＋

HEPH

していると考えられている。また、メタロチオネイン
Fe3＋-I およびメタロチオネイン-II は、種々の活性酸素種

Blood
flow

（O2-、H2O2、・OH）や活性窒素種（NO、ONOO-）をTransferrin

Fig. 4. Model of the inhibitory effect of Cd on Fe transport. Cd

消去できることから、酸化ストレスに対する生体内防

DCYTB:
cytochromeb, DMT1: divalent
metal transporter
causesduodenal
inhibitionof iron absorption
from duodenal
epithelial 1,
cells
FPN1: ferroportin 1, HEPH: hephaestin, HCP1: heme carrier protein 1
throughof the expression of iron transport-related genes
HO-1:
hemesuppression
oxygenase-1

御因子としても極めて重要な役割を果たしている 40, 41)。
さらに、メタロチオネイン-I およびメタロチオネイン

DMT1, FPN1, DCYTB, HEPH and HCP1.

-II は、カドミウムなどの金属をはじめ様々な要因によ
以上の結果より、経口摂取されたカドミウムは、十ってその発現が誘導されることもユニークな特徴の 1二指腸上皮細胞に直接的に作用して、鉄輸送関連遺伝つである 34, 35)。カドミウム毒性に対するメタロチオネ

25

-7-

イン-I およびメタロチオネイン-II の防御効果について欠損マウスでは減弱されることを明らかにした 47, 48)。

は、遺伝子改変マウスや遺伝子改変培養細胞を用いた

一方、カドミウムによる精巣毒性については、メタロ研究が数多く報告されている。それらの結果をまとめ

チオネイン-I/II 欠損マウスは野生型マウスと同程度でると、メタロチオネイン-I およびメタロチオネイン-II

あったが、メタロチオネイン-III 欠損マウスは野生型

はカドミウムの急性毒性（肝毒性）や慢性毒性（腎毒

マウスに比べてその毒性は減弱した 49)。さらに、Somji

性、肝毒性、骨毒性、血液毒性、免疫毒性並びに肝臓らはヒト近位尿細管細胞にメタロチオネイン-III を過発がん）の防御に重要な役割を果たしていることが明剰発現させると、カドミウムによる感受性が増大する

らかにされている。また、メタロチオネイン-I およびことを報告している 50)。

メタロチオネイン-II がカドミウムの体内動態に対し

このように、メタロチオネイン-III は、カドミウムのても深く関与することが示されている。上記も含めて、急性毒性に対してメタロチオネイン-I やメタロチオネ

カドミウムの毒性や体内動態と、メタロチオネイン-I

イン-II とは相反する効果を示すことが示唆されていおよびメタロチオネイン-II との関係については、優れる。しかしながら、何れもそのメカニズムについては

35,

明らかにされておらず、カドミウム急性毒性に対する

42-44)。一方、メタロチオネイン-III に関する研究は脳にメタロチオネイン-III の新たな機能解明のために、詳主眼が置かれており、メタロチオネイン-III が強い抗細な検討が必要である（Table 1）。

た総説が発表されているので、総説を参照されたい

酸化作用を有し、種々の脳疾患（カイニン酸による痙
Table 1. Susceptibility of metallothionein-I/II null mice andmetallothionein-III null mice to Cd toxicity.

攣発作、脳虚血による脳梗塞、家族性筋萎縮性側索硬化症など）に対して保護作用を有することが明らかにComparison with wild-type mice (susceptibility)

されている 45, 46)が、脳以外の組織におけるメタロチオ

Cd toxicity

ネイン-III の生理的役割についてはほとんど不明であSingle injection

る。また、メタロチオネイン-IV は、1994 年にその存在が確認されて以降、全く研究が進められていないのが現状である。

Long-term exposure

なお、当研究室では、ジーンターゲティング法によりメタロチオネイン-I とメタロチオネイン-II の発現をMT-I/II null mice

MT-III null miceHepatoxicity◯△

Testicular toxicity−△

Lethal toxicity◯−

Hepatoxicity◯−◯: High sensitivity, △: Resistance, −: No change.

抑えたメタロチオネイン-I/II 欠損マウスおよびメタロ
チオネイン-III の発現を抑えたメタロチオネイン-III 欠（３）カドミウム慢性毒性に及ぼすメタロチオネイン

損マウスを保有しており、メタロチオネイン研究に活-III の影響用している。

筆者らは、カドミウムの慢性毒性に対するメタロチ
オネイン-I/II 欠損マウスおよびメタロチオネイン-III（２）カドミウム急性毒性に及ぼすメタロチオネイン

欠損マウスの感受性を比較検討した。300 ppm のカド-III の影響

ミウムを含む飼料で飼育したところ、メタロチオネイ

上記のように、メタロチオネイン-I およびメタロチ

ン-I/II 欠損マウスでは 18 週目にすべて死亡したが、野オネイン-II はカドミウムの毒性軽減に深く関与する

生型マウスおよびメタロチオネイン-III 欠損マウスはことが明らかにされているが、メタロチオネイン-III

67 週間生存し、両マウスともに軽微な肝毒性を示したとカドミウム毒性との関係については、ほとんど検討

51)。したがって、メタロチオネイン-I/II 欠損マウスはされていない。そこで、筆者らは、カドミウムの急性カドミウムの長期曝露に対して高感受性であったが、肝毒性並びに精巣毒性に対するメタロチオネイン-I/II

メタロチオネイン-III 欠損マウスは野生型マウスと同欠損マウスおよびメタロチオネイン-III 欠損マウスの程度であった。メタロチオネイン-III 欠損マウスは、感受性を比較検討した。その結果、カドミウムによるカドミウムによる急性肝毒性に対して抵抗性であった

急性肝毒性が、野生型マウスに比べてメタロチオネイ

が、慢性肝毒性に対しては抵抗性も高感受性も示さな

ン-I/II 欠損マウスでは増強され、メタロチオネイン-III

かった（Table 1）。その理由として、メタロチオネイ-8-ン-III 欠損マウスは、野生型マウスと同様にメタロチ

ウム感受性因子の特定については、興味深い知見が出

オネイン-I やメタロチオネイン-II が発現しているため始めている。

と考えられる。

最後に、愛知学院大学薬学部衛生薬学講座が開設されて、本年度で 15 年目になる。本稿では、当研究室で4. おわりに進めてきた研究活動のうち、「カドミウム」に焦点をDNA マイクロアレイ解析、Protein/DNA アッセイ解

当てて紹介させていただいた。当研究室では、今後も析および siRNA 法を駆使して、カドミウムの毒性発現

環境毒性学、特に金属毒性学の歴史にしっかりとしたに関与する標的分子の特定とその分子機構解明に取り足跡を残せるよう、研究室一丸となって引き続き研究組んだ結果、新たなカドミウム標的転写因子として活動を進めていく所存である。

YY1、FOXF1、ARNT および MEF2A 転写因子を同定

謝辞

し、それらの下流因子である UBE2D2、UBE2D4、BIRC3
並びに GLUT4 の遺伝子発現抑制が細胞毒性を引き起

本稿で紹介した研究の一部は、環境省「重金属等のこすことを新たに明らかにすることができた。このよ

健康影響に関する総合研究（イタイイタイ病及び慢性

うに、これまで必ずしも明確にされていなかった分子

カドミウム中毒に関する総合的研究）」（主任研究者：

レベルでのカドミウム毒性発現機構について、種々の佐藤雅彦、2006 年度〜2021 年度）、文部科学省（日本

転写因子を標的とする新たなカドミウム腎毒性発現機

学術振興会）科学研究費補助金「基盤研究（B）（一構を明らかにすることができ、これらの研究成果はカ

般）」（研究代表者：佐藤雅彦、2008 年度〜2010 年度、

ドミウム毒性研究に大きく貢献できたものと考える。

2018 年度〜2020 年度）、
文部科学省（日本学術振興会）

さらに、カドミウムによる鉄欠乏性貧血の発症機構

科学研究費補助金「基盤研究（C）（一般）」（研究がほとんど明らかにされていない状況の中、経口摂取

代表者：李 辰竜、2016 年度〜2018 年度）、公益財団されたカドミウムが、十二指腸上皮細胞に直接的に作

法人住友財団「環境研究助成」（佐藤雅彦、2006 年度）、

用して、鉄輸送関連分子（DMT1、FPN1、DCYTB、公益財団法人大幸財団「自然科学系学術研究助成」（李HEPH および HCP1）の発現を抑制することで、消化辰竜、2016 年度）、公益財団法人薬学研究奨励財団「研管からの鉄吸収阻害を引き起こすことを新たに明らか

究助成金」（徳本真紀、2017 年度）、一般財団法人愛にすることができた。

知健康増進財団「医学研究・健康増進活動等の助成」

また、メタロチオネインはカドミウム毒性に対する（徳本真紀、2018 年度）および公益財団法人武田科学

生体内防御因子として知られているものの、防御効果振興財団「薬学系研究助成」（李 辰竜、2020 年度）を有するのは 4 つの分子種のうち、メタロチオネインの助成を受けて実施された。

-I とメタロチオネイン-II である。カドミウム毒性との本研究にご協力いただいた当研究室配属の大学院生関係について、ほとんど検討されていなかったメタロ（坂野博紀氏、小室広明氏、森 稚景氏）、卒業研究

チオネイン-III がカドミウムの急性毒性に対してメタ

生並びに講座研究員（2006 年 6 月〜2008 年 3 月）であロチオネイン-I やメタロチオネイン-II とは相反する効った今井峻司先生（現・日本新薬株式会社）に心より果を示すことを明らかにし、メタロチオネインの生体感謝申し上げます。

内での役割について新たな知見を提供した。

引用文献

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カニズムに関する研究も新たに着手しており、カドミ[6]

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