2022 年 8 ⽉ 24 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴⼤学法⼈東北⼤学

新規ミトコンドリア病モデルマウスの作製に成功〜基礎研究と創薬研究への応⽤に期待〜
ミトコンドリアは、細胞内のエネルギー⼯場として知られる細胞⼩器官です。⽣物の遺伝情報である DNA のほとんどは細胞内の核に存在していますが、ミトコンドリアにも独⾃のゲノムであるミトコンドリア DNA が存在しています。このミトコンドリア DNA に突然変異が⽣じると、ミトコンドリア病と呼ばれる代謝性疾患の原因となることや、さらに最近では、糖尿病、がん、⽼化などの原因になる可能性が⽰唆されています。ミトコンドリア病の症例が報告されてから 50 年以上の年⽉が経ちますが、ミトコンドリア DNA に病原性変異を有するモデル動物の作出例はごくわずかしかありません。そのため、ミトコンドリア病やミトコンドリア DNA の突然変異が関与するとされるさまざまな疾患の発症機構の解明はもとより、治療法の探索や創薬開発は進んでいないのが現状です。
本研究では、ミトコンドリア DNA の中の tRNALeu(UUR)遺伝⼦領域に病原性点突然変異を有するモデルマウスを、世界に先駆けて樹⽴することに成功しました。このモデルマウスでは、ミトコンドリア病の症例と類似した病態だけでなく、ミトコンドリア DNA の変異で⽣じるとされる糖尿病や肝機能障害が再現されていました。このようなモデルマウスは、ミトコンドリア DNA 変異に関する研究に資する貴重な動物資源であり、将来的には、ミトコンドリア病や多様なミトコンドリア関連疾患の治療法の探索や治療薬開発に役⽴つことが期待されます。

研究代表者
筑波⼤学 ⽣命環境系
中⽥ 和⼈ 教授
東北⼤学加齢医学研究所 モドミクス医学分野
⾕ 春菜 研究員（研究当時：筑波⼤学）!
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研究の背景ミトコンドリアは、⽣体エネルギー産⽣を担う細胞⼩器官であり、細胞核にある DNA（核 DNA）とは異なる独⾃のゲノムであるミトコンドリア DNA (mtDNA) (注１) を持っています。この mtDNA にはエネルギー産⽣に必要な遺伝⼦群がコードされています。mtDNA になんらかの突然変異が⽣じ、それらが⽣体内に蓄積すると、エネルギー産⽣不全によって、さまざまな疾患がもたらされます。これらを総称してミトコンドリア病 (注２) と⾔います。また、mtDNA の突然変異は、糖尿病、神経変性疾患、不妊症、がん、さらには、⽼化の原因にもなると考えられています。このような疾患群の詳細な発症機構を解明し、有効な治療法を開発するためには、突然変異型 mtDNA を導⼊したモデル動物の作出と活⽤が必須です。しかしながら、核 DNA の遺伝⼦改変技術は mtDNA に対しては適⽤できないため、これまで、変異型 mtDNA を持つミトコンドリア病モデル動物の作出例はごくわずかしかありませんでした。このことは、これらの疾患群に対する理解の遅れにつながり、創薬や治療戦略の探索においても⼤きな障壁となっています。
研究内容と成果
本研究グループは、mtDNA にコードされた tRNALeu(UUR)遺伝⼦に病原性突然変異を持つモデルマウスを、世界で初めて樹⽴することに成功しました。ミトコンドリア tRNALeu(UUR)遺伝⼦は、ミトコンドリア病患者や糖尿病患者において病原性の突然変異が⽣じやすいことから、ミトコンドリア関連疾患のホットスポットと⾔われています。
まず、薬剤処理により mtDNA にランダムな突然変異を誘導したマウス培養細胞株を出発材料として、それらのクローニングを繰り返すことで、tRNALeu(UUR)遺伝⼦領域に点突然変異(注３)を有する mtDNA を⾼い割合で含有する細胞を単離しました。こうして得た細胞の細胞質をマウス ES 細胞 (注４) に移植して、tRNALeu(UUR)遺伝⼦領域に点突然変異を有する mtDNA を導⼊したマウス ES 細胞を樹⽴し、キメラマウス (注５) を作製しました。このキメラマウスの交配による⽣殖系列移⾏ (注６) を利⽤して、最終的に、全⾝の細胞に tRNALeu(UUR)遺伝⼦領域に点突然変異を有する mtDNA を導⼊したモデルマウスを樹⽴させました。このモデルマウスが有する tRNALeu(UUR)遺伝⼦の A2748G 点突然変異(注７)は、ヒト
A3302G 点突然変異(注８)と相同であり、この変異を有する家系では、ミトコンドリア病や糖尿病の発症が報告されています。
こうして得たモデルマウスは、体内に野⽣型 mtDNA と変異型 mtDNA が混在しており（ヘテロプラスミー）、その割合はさまざまな組織間においておおよそ同程度で、加齢依存的な変化も確認されませんでした。変異型 mtDNA を⾼い割合で有するモデルマウス（10 ヶ⽉齢）を解析したところ、⾎糖値および乳酸値の上昇、インスリン抵抗性といった代謝異常の特徴が確認され、肝肥⼤や⾎中の肝機能不全マーカーの上昇などから肝機能障害を併発していることが分かりました。また、ミトコンドリアの機能については、ミトコンドリアの形態異常やミトコンドリアの内膜に存在する呼吸酵素複合体 (注９) のうち特に複合体 I の著しい活性低下がみられました。マウス肝臓を⽤いた分⼦病理学的解析により、変異型 mtDNAを⾼い割合で有する組織においては、ミトコンドリア内の RNA プロセシング (注 10) が阻害され、複合体 I を構成するタンパク質である MT-ND1 の発現量の低下が引き起こされていました。
以上のことから、
このモデルマウスでは、ミトコンドリア呼吸酵素複合体 I の活性低下に起因するミトコンドリア機能不全を介して、肝機能不全を伴う代謝異常が誘導されていると考えられます（参考図）。これらの知⾒は、tRNALeu(UUR)変異によって誘導されるミトコンドリア機能障害とミトコンドリア関連疾患の発症機序を理解するための分⼦基盤を提供するものです。

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今後の展開本研究グループは、今回樹⽴したモデルマウスを加齢させ、⻑期的な病態の追跡を⾏っています。ミトコンドリア病は体内でエネルギー消費量の多い筋⾁や中枢神経系に症状が出やすいことから、⼤規模な⾏動解析等を含む病理学的解析により、⽼化に伴って病態の悪化が⾒られるか、あるいは新規の病態が出現するかなどを確かめています。
このモデルマウスは、ミトコンドリア関連疾患の基礎研究や創薬研究のための新たな⽣体モデルであり、今後、mtDNA のホットスポット変異に関わる基礎研究および臨床研究に⼤きな前進をもたらすことが期待されます。
参考図

図 本研究の概略図
mtDNA の tRNALeu(UUR)領域に A2748G 変異を有するモデルマウスを作出した。A2748G 変異はヒトA3302G 変異と相同であり、ヒト患者ではミオパチー（筋疾患）や⾼乳酸⾎症などが主な臨床症状である。
A2748G 変異は 1) RNA プロセシングを阻害することで、2）ミトコンドリア内に未成熟な RNA 前駆体を蓄積させ、3) MT-ND1 遺伝⼦の発現量が低下し、4）呼吸酵素複合体 I の顕著な活性低下を引き起こす。
こうした分⼦機序により誘導されるミトコンドリア機能不全を介し、10 ヶ⽉齢のモデルマウスでは、⾼⾎糖、⾼乳酸⾎症、インスリン抵抗性、肝機能障害を伴う代謝疾患を呈する。
⽤語解説
注１）

ミトコンドリア DNA（mtDNA）

ミトコンドリアが保有する独⾃のゲノム。およそ 16kbp の環状⼆本鎖構造を持ち、1 細胞内に数百〜数万コピー含まれている。⽣体内でのエネルギー産⽣（ミトコンドリアでの ATP 産⽣）に必要な 13 種類の構造遺伝⼦とそれらの翻訳に関わる 22 種類の tRNA 遺伝⼦および 2 種類の rRNA 遺伝⼦がコードされている。
3注２）

ミトコンドリア病

ミトコンドリアの機能低下を特徴とする全⾝性の症状を呈する代謝疾患の総称。発症頻度は数千⼈から数万⼈に１⼈程度と⾔われ、我が国では指定難病として認定されている。核 DNA にコードされたミトコンドリア関連遺伝⼦に⽣じる突然変異によって発症する場合と、mtDNA に⽣じる突然変異によって発症する場合がある。
注３）

点突然変異

DNA や RNA の塩基であるグアニン（G）、アデニン（A）、チミン（T）、シトシン（C）のうち１つの塩基が別の塩基に置き換わってしまう突然変異のこと。
注４）

ES 細胞

動物の初期発⽣段階である胚盤胞の⼀部の細胞塊から作られる幹細胞のこと。⾃ら細胞分裂する⾃⼰増殖能とさまざまな種類の細胞に分化する能⼒ (多能性) を持っている。
注５）

キメラマウス

マウス初期胚に ES 細胞や iPS 細胞などの幹細胞をマウス初期胚に移植することで⼈⼯的に作製されるマウスのこと。
注６）

⽣殖系列移⾏ES 細胞などの幹細胞がキメラマウスの体内で⽣殖細胞に分化し、ES 細胞由来の遺伝⼦がキメラマウスの交配を介して⼦に遺伝すること。遺伝⼦改変マウスを作製するためによく使われる⼿法である。
注７）

A2748G 点突然変異

マウス mtDNA の塩基番号 2748 位の塩基がアデニン（A）からグアニン（G）に置換されている（変異している）。
注８）

A3302G 点突然変異

ヒト mtDNA の塩基番号 3302 位の塩基がアデニン（A）からグアニン（G）に置換されている（変異している）。
注９）

呼吸酵素複合体

ミトコンドリア内膜に存在しており、酸化還元反応を利⽤して⽣体エネルギー産⽣に関与している。
呼吸酵素複合体のうち I, III, IV, V は核 DNA 由来のタンパク質とミトコンドリア DNA 由来のタンパク質の両⽅により構成されている。
注１０） RNA プロセシング
DNA より転写された RNA 前駆体を切断したり、修飾したりすること。適切な機能を発揮できる成熟型の RNA になるために必要な過程である。
研究資⾦
本研究は、⽇本医療研究開発機構が助成する⾰新的先端研究開発⽀援事業 (AMED-CREST) (研究費番号：JP22gm1110006) および⽇本学術振興会が助成する特別研究員奨励費 (研究費番号：18J20289,21J00143)、科学研究費基盤 B (研究費番号：16H04678, 19H03141, 21H02659, 22H02536)、科学研究費基盤 C (研究費番号：18K06203)、科学研究費若⼿ B (研究費番号：16K18535) 、新学術領域研究 (研究費番号：21H00225)、学術変⾰領域研究(A) (研究費番号：21H05265) および科学技術振興機構 (JST) が助成する JST 創発的研究⽀援事業 (研究費番号：JPMJFR204M, JPMJFR205Y)、JST 戦略的創造研究推進事 (ERATO) (研究費番号：JPMJER2002) の⽀援により実施されました。

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掲載論⽂
【題 名】 Aberrant RNA processing contributes to the pathogenesis of mitochondrial diseases intrans-mitochondrial mouse model carrying mitochondrial tRNALeu(UUR) with a pathogenic
A2748G mutation.
（新たに樹⽴したミトコンドリア tRNALeu(UUR)に A2748G 変異を有するモデルマウスではRNA プロセシングの異常を介してミトコンドリア関連疾患を発症する）【著者名】 ⾕春菜 1,2, ⽯川⾹ 1,3, ⽟城⼤敬 1, ⼩笠原絵美 4, 安川武宏 5,6, 松⽥盛 2,5, 清⽔章⽂ 7,康東天 5,8, 林純⼀ 9, 魏范研 2, 中⽥和⼈ 1,3
1, 筑波⼤学⼤学院 ⽣命環境科学研究科
2, 東北⼤学 加齢医学研究所 モドミクス医学分野
3, 筑波⼤学 ⽣命環境系
4, ⼤阪⼤学 理学研究科
5, 九州⼤学 ⼤学院医学研究院
6, 順天堂⼤学 医学部 病理・腫瘍学講座
7, 福岡⼤学 医学部 微⽣物・免疫学講座
8, ⾹椎丘リハビリテーション病院
9, 筑波⼤学 ⽣存ダイナミクス研究センター【掲載誌】 Nucleic Acids Research【掲載⽇】 2022 年 8 ⽉ 24 ⽇
【DOI】

10.1093/nar/gkac699

問合わせ先【研究に関すること】
中⽥ 和⼈（なかだ かずと）
筑波⼤学 ⽣命環境系 教授
URL: https://www.biol.tsukuba.ac.jp/nakada_ishikawa/【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報局
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp
東北⼤学 加齢医学研究所 広報情報室
E-mail: ida-pr-office@grp.tohoku.ac.jp

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