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研 究 亜鉛欠乏時に小胞体ストレスを誘導する分子スイッチとしての SOD1 の新機能
東京大学大学院薬学系研究科細胞情報学

要本間謙吾，一條秀憲

約

亜鉛は生体に必須の微量元素であり，亜鉛欠乏は人体に様々な異常をもたらすことが知られている．しかしながら，亜鉛欠乏時の細胞応答については未解明な点が多く残されており，その一つとして小胞体ストレス応答が挙げられる．著者らはこれまでに，筋萎縮性側索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis：ALS) の原因遺伝子であるCu/Zn Superoxide dismutase（SOD1が遺伝子変異により構造変化し，小胞体ストレス）を誘導する分子メカニズムを明らかにしてきた．これに加えて，今回新たに野生型 SOD1 も亜鉛欠乏時に変異型と同様の構造に変化し，亜鉛欠乏依存的な小胞体ストレスを惹起する分子スイッチと機能していることを見出だした．
さらに，小胞体ストレスを介した翻訳抑制や遺伝子発現は，亜鉛欠乏に対する恒常性維持機構の一端であることが明らかとなった．本稿では，亜鉛欠乏時の小胞体ストレス誘導分子スイッチとしての SOD1 の機能を中心に，著者らのこれまでの研究を紹介したい．

色体優性遺伝形式であること，SOD 活性と病態はじめにに相関がないこと，SOD1 ノックアウトマウスが筋 萎 縮 性 側 索 硬 化 症（amyotrophic lateral

病 態 を 示 さ な い 一 方 で ALS 病 態 関 連 変 異 型sclerosis：ALS）は運動神経が選択的に侵される，SOD1 のトランスジェニックマウスが ALS 様の進行性・晩発性の神経変性疾患である．ALS 全症状を呈することから，SOD 活性の変化ではな

体のおよそ 90 % が家族歴を伴わない孤発性のく遺伝子変異による獲得性の神経細胞毒性がALS（sporadic ALS：SALS）であり，残りの 10ALS に関わっていると考えられている 3-7)．SOD1% 程度が遺伝的な要因が関与する家族性の ALSの獲得性の毒性として，興奮毒性・酸化ストレス・（familial ALS：FALS）である．近年の技術発展

小胞体ストレス・ミトコンドリア機能異常・軸索により 20 種類を超える原因遺伝子が次々と発見

輸送異常・タンパク質の異常凝集・ミクログリアされ，様々な病態発症機構が提唱されているが，による細胞非自律的な運動神経毒性などが報告さ未だに詳細な発症メカニズムは明確になっておられており 7)，これらの要因が複合的に絡み合ってず，それ故に分子メカニズムに基づいた治療方法

ALS 発症に至る．しかし，これまで数多の変異も存在しない．

型 SOD1 が共通に毒性を発揮する分子機構の詳最も初期に発見された ALS 原因遺伝子である

細はわかっていなかった．著者らはその中でも小Cu/Zn Superoxide dismutase （SOD1 ）について胞体ストレスに着目して，細胞毒性を発揮する分はこれまでに多くの研究がなされており，180 種子メカニズムの解析を行ってきた．

1, 2)．SOD1 は一方で，小胞体ストレスは細胞の亜鉛欠乏に対抗酸化酵素として機能することが知られているする細胞応答の一つとしても知られている 8, 9)．

が，SOD1 遺伝子変異による ALS の多くは常染

しかしながら，亜鉛の欠乏が小胞体ストレスを誘類を超える変異が見つかっている28 ―― 亜鉛栄養治療

6巻1号

201529導する詳細な分子メカニズムや生理的な意義につ変異により新たに Derlin-1 との結合面を形成するの結合を介して ERAD を阻害することで小胞体誘導においても PERK が活性化され，翻訳が抑いては未解明な点が多く残されている．とは考えにくい．そこで，SOD1-Derlin-1 結合のストレスを惹起するため，亜鉛欠乏時に Derlin-1制されることが確認された．さらに，この PERK

本稿では，これまでに著者らが明らかにした変詳細な解析を行った結果，野生型 SOD1 では三次に結合した野生型 SOD1 も小胞体ストレス誘導の活性化と翻訳抑制は Derlin-1 の発現抑制により異型 SOD1 に共通の小胞体ストレス誘導メカニズ

元構造上内部に隠れた Derlin-1 結合領域が遺伝子に関与していると想定された．実際に，亜鉛欠乏

減弱することから，SOD1-Derlin-1 結合を介したムと，近年新たにわかった亜鉛による SOD1 構造変異による構造変化を介して外部に露出すること依存的に上昇する，小胞体ストレスマーカーであ小胞体ストレス誘導が関与していることがわかっ制御機構とその生理的な機能について概説する．

が，変異型 SOD1 と Derlin-1 が結合する分子メカ

る XBP-1 と BiP の mRNA 発 現 が，SOD1 やた 12)．また，亜 鉛 欠 乏 時 の viability の 低 下 がニズムであることがわかった 11)．ここで，野生型

Derlin-1 の発現抑制によって減弱したことから，

Derlin-1 の 発 現 抑 制 に よ り 促 進 す る こ と か ら，

1．変異型 SOD1 による小胞体ストレス誘導機構

SOD1 も Derlin-1 との結合領域を有していること

野生型 SOD1 と Derlin-1 との結合は亜鉛欠乏時SOD1-Derlin-1 結合による小胞体ストレスを介したから，野生型 SOD1 に潜在する Derlin-1 結合領域の小胞体ストレス誘導スイッチとして機能してい翻訳の抑制が，不良タンパク質の蓄積を防ぐことが何らかの条件下で露出することで，SOD1 が生ると考えられる 12)．

で細胞の恒常性維持に関わっていると考えられる．

遺伝子変異や虚血などの原因により小胞体内に構理的な小胞体ストレス誘導スイッチとして機能し造異常なタンパク質が蓄積すると，小胞体ストレスている可能性が考えられた．そこで，小胞体ストが惹起される．小胞体ストレス応答は様々な疾患にレスを惹起する様々な条件下で SOD1 が構造変関与することが知られており，ALS 患者においても化，Derlin-1 と結合するか検討したところ，血清小胞体ストレスの増強が確認されている 7)．しかし飢餓条件で細胞を培養すると，野生型 SOD1 も変亜鉛は 300 種類以上のタンパク質が正常な立体も共通に誘導される亜鉛トランスポーターを探索ながら，変異型 SOD1 による小胞体ストレス誘導

異型 SOD1 と同様の構造に変化し，Derlin-1 と結構造をとるために必要であると予想されており，した．同定された亜鉛トランスポーターの 1 つで

11)さらに，亜鉛欠乏による小胞体ストレス誘導が4．亜鉛欠乏に対する恒常性維持機構としての小胞体ストレス応答より直接的に亜鉛恒常性の回復に関わっている可能性を検討するため，マウス肝臓において小胞体ストレスおよび亜鉛欠乏のどちらの刺激においてが報告されている一方で，主に細胞質に存在する合することが明らかとなった ．さらに，この結亜鉛欠乏時にはこれらのタンパク質が正常な三次ある ZIP14 は小胞体ストレスセンサーの 1 つで変異型 SOD1 が小胞体ストレスを誘導するメカニ合は血清飢餓条件下での培養後，培地中に血清を元構造をとれず，不良タンパク質として蓄積するある ATF6 により顕著に誘導され，亜鉛欠乏依ズムは不明であった．以前著者らは，変異型 SOD1再添加することで解離することから，血清中にと考えられる．実際，亜鉛欠乏依存的な細胞の存的な発現上昇は ATF6 のドミナントネガティが小胞体膜タンパク質 Derlin-1 との特異的な結合SOD1 構造変化を抑制する因子が含まれているこ

viability の低下はタンパク質合成阻害剤の添加にブ体の発現により抑制された 12)．ZIP14 は細胞内を 介 し て 小 胞 体 関 連 分 解（ER-associatedとが想定された．そこで，SOD1 と Derlin-1 の結より回復することから，やはり不良タンパク質のに亜鉛を取り込むトランスポーターである 14)．つdegradation：ERAD）を阻害することで小胞体ス合を指標にこの因子の同定を試みたところ，血清蓄積が亜鉛欠乏時の細胞恒常性の破綻に寄与してまり亜鉛欠乏時の小胞体ストレスは，ATF6 の活

10)トレスを惹起することを報告した ．ERAD は小中に含まれる亜鉛が SOD1 の構造制御因子である12)12)いることがわかった ．一方で，小胞体ストレス性化により亜鉛トランスポーター ZIP14 の誘導胞体内の不良タンパク質を細胞質へと逆輸送し分ことがわかった ．実際に亜鉛キレーターを用いセンサーの 1 つである PERK の下流では eIF2αを介して亜鉛取り込みを促進し，亜鉛恒常性の回解する機構であるが，変異型 SOD1 が ERAD 複合て亜鉛欠乏状態にすると，血清存在下であってものリン酸化を介して翻訳が抑制されることがよく復に貢献していると考えられる．

体構成因子である Derlin-1 と結合すると不良タンパ

SOD1 が構造変化し，Derlin-1 と結合した．さらに，知られている 13)．亜鉛欠乏による小胞体ストレスク質の逆輸送が阻害され，小胞体内に不良タンパ亜鉛配位部位に変異を導入した SOD1 や in vitro

ク質が蓄積することで小胞体ストレスが惹起されで の 構 造 変 化 の 解 析 結 果 か ら， 亜 鉛 欠 乏 時 のることがわかった．検討した 100 種類以上の変異

SOD1 構造変化は SOD1 に配位した亜鉛が解離す型 SOD1 のほぼ全てが Derlin-1 と結合する一方でることで可逆的に起こることが明らかになった 12)．

野生型 SOD1 は結合しないことから，Derlin-1 とのつまり SOD1 は，亜鉛欠乏時には配位した亜鉛を結合は ALS 病態関連変異型 SOD1 に共通する小胞失うことによる構造変化を介して Derlin-1 と結合11)体ストレス誘導メカニズムであると考えられる ．

し，細胞内に亜鉛が十分に補給され亜鉛を再び配位すると，構造が戻ることで Derlin-1 から解離す

2．亜鉛欠乏による野生型 SOD1
構造変化
では，100 種類を超える変異型 SOD1 はどのようにして共通に Derlin-1 と結合するのだろうか．
Derlin-1 との結合を引き起こす ALS 関連変異は，SOD1 構造上の至るところに存在することから，る，亜鉛欠乏センサーとしての機能を有することが示唆された．

3．亜鉛欠乏時の野生型 SOD1-Derlin-1結合を介した小胞体ストレス
前述したように，変異型 SOD1 は Derlin-1 と

図１亜鉛欠乏による SOD1 構造変化と小胞体ストレス反応

亜鉛が欠乏すると SOD1 は配位した亜鉛を失うことで変異型構造に変化し，Derlin-1 と結合する．この結合により，ERAD が阻害され，小胞体ストレスが惹起される．小胞体ストレス下流で起こる翻訳の抑制や遺伝子発現誘導は，亜鉛欠乏時の不良タンパク質蓄積の阻害や亜鉛取り込みを促進することでの細胞の恒常性維持に関与している．

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2015

おわりに

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わっている可能性が示唆されている15, 16)．今回，

PLoS ONE 6：e18059, 20111396-1403, 2010

亜鉛欠乏という環境要因が SOD1 構造変化の原15）Bosco DA, et al：Wild-type and mutant SOD116）Haidet-Phillips AM, et al：Astrocytes from

本研究結果は，SOD1 が従来の抗酸化酵素とし因であることが明らかになったことで，亜鉛恒常share an aberrant conformation and a common

familial and sporadic ALS patients are toxic toての機能の他に亜鉛欠乏をセンスして，小胞体ス性の破綻が SOD1 構造変化を介した ALS 発症に

pathogenic pathway in ALS. Nat Neurosci 13：

motor neurons. Nat Biotechnol 29：824-828, 2011

トレスを惹起する分子スイッチとして機能してい関わっている可能性が推測される．亜鉛欠乏がること示している．さらに，SOD1 は亜鉛欠乏時

SOD1 構造変化を介して小胞体ストレスを惹起すに ALS の原因となる変異型 SOD1 と同様の構造る一方で，SOD1 構造変化による小胞体ストレスに変化することから，SOD1 遺伝子変異によるは亜鉛に取り込みを促進することから，ALS 病

ALS では，変異により SOD1 の小胞体ストレス態に亜鉛の欠乏と過剰のどちらも関与しえると考誘導スイッチとしての機能が破綻し，常に小胞体え ら れ る た め， 今 後 の さ ら な る 研 究 に よ り，ストレスを誘導する構造になっていることが，運SOD1 が構造変化する詳細な分子機構が解明さ動神経細胞死を引き起こす原因であると考えられれ，ALS 病態と亜鉛恒常性破綻がどのように関る．一方で，近年の研究から SOD1 の構造変化与しているか解明されることが望まれる．

が 非 SOD1 遺 伝 子 変 異 に よ る ALS の 発 症 に 関

Noncanonical role of SOD1 as an ER stress-inducing switch during zinc deficiency
Kengo Homma, Hidenori Ichijo
Laboratory of Cell Signaling, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo
Laboratory of Cell Signaling, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo,
7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan.

◆文

献 ― ――――――――

Tel: 03-5841-4858

１）Rosen DR, et al：Mutations in Cu/Zntransporter protein are required for endoplasmic

Zinc is an essential micronutrient and the shortage of zinc causes various defects. Cells deal withsuperoxide dismutase gene are associated withreticulum function. J Cell Biol 166：325-335, 2004

zinc deficiency through the various cell responses, one of which is the activation of endoplasmic

familial amyotrophic lateral sclerosis. Nature 362：９）Ishihara K, et al：Zinc transport complexes

59-62, 1993
２）ALSoD：Amyotrophic Lateral Sclerosis Online
genetics Database. http://alsod.iop.kcl.ac.uk/

contribute to the homeostatic maintenance ofsecretory pathway function in vertebrate cells. J
Biol Chem 281：17743-17750, 2006３）Cleveland DW, Laing N, Hurse PV, et al：Toxic10）Nishitoh H, et al：ALS-linked mutant SOD1

mutants in Charcot’s sclerosis. Nature 378：343-

induces ER stress-and ASK1-dependent motor343, 1995

neuron death by targeting Derlin-1. Genes Dev４）Reaume AG, et al：Motor neurons in Cu/Zn22：1451-1464, 2008

superoxide dismutase-deficient mice develop11）Fujisawa T, et al：A novel monoclonal antibody

normally but exhibit enhanced cell death after

reveals a conformational alteration shared byaxonal injury. Nat Genet 13：43-47, 1996

amyotrophic lateral sclerosis-linked SOD1 mutants.

５）Gurney ME, et al：Motor neuron degeneration

12）Homma K, et al：SOD1 as a molecular switch

dismutase mutation. Science 264：1772-1775, 1994

for initiating the homeostatic ER stress response

６）Pasinelli P, Brown RH：Molecular biology ofunder zinc deficiency. Mol Cell 52：75-86, 2013

amyotrophic lateral sclerosis：insights from13）Malhotra JD, Kaufman RJ：The endoplasmic７）Ilieva H, Polymenidou M：Non-cell autonomous
toxicity in neurodegenerative disorders：ALS andbeyond. J Cell Biol 187：761-772, 2009８）Ellis CD, et al：Zinc and the Msc2 zinc

the physiological role of the ER stress response during zinc deficiency remained poorly understood.
We previously revealed the common mechanism by which most of amyotrophic lateral sclerosis (ALS)pathogenic Cu/Zn Superoxide dismutase (SOD1) mutants cause ER stress. Recently, we also foundthat during zinc deficiency, wild-type SOD1 adopts the same conformation as mutants, and functions
as switch to activate ER stress signaling. Moreover, the translational attenuation and gene induction
through the activation of the ER stress response were shown to contribute to save cell homeostasis
during zinc deficiency. Here, we introduce our recent studies focusing on the noncanonical function ofSOD1 as a molecular switch for initiating the ER stress response under zinc deficiency.

Ann Neurol 72：739-749, 2012

in mice that express a human Cu, Zn superoxide

genetics. Nat Rev Neurosci 7：710-723, 2006

reticulum (ER) stress signaling. However, the precise mechanism to induce ER stress signaling andreticulum and the unfolded protein response.
Semin Cell Dev Biol 18：716-731, 200714）Hojyo S, et al：The zinc transporter SLC39A14/◆本間謙吾略歴

2008年

東京大学薬学部薬化学科卒業

2013年

同大学薬学系研究科博士課程修了
同研究科細胞情報学教室特任研究員

ZIP14 controls G-protein coupled receptormediated signaling required for systemic growth.

2014年

同研究科細胞情報学教室特任助教

薬学博士