19研究

閉塞性肺疾患モデル細胞・マウス
における細胞内亜鉛の役割とその調節異常
熊本大学大学院生命科学研究部（薬学系）遺伝子機能応用学分野1）

熊本大学大学院博士課程教育リーディングプログラム「グローカルな健康生命パイオニア養成プログラム HIGO」2）

亀井竣輔1,2）首藤要剛 1）

約

閉塞性肺疾患は，慢性気道炎症や過剰な粘液貯留，およびこれらの症状に伴う気道閉塞を主徴とする難治性の呼吸器疾患の総称である．著者らは，粘液貯留・肺気腫・呼吸機能障害を安定的に呈する閉塞性肺疾患モデルマウスを確立し（C57BL/6J-βENaC-Tgマウス），その遺伝学薬理学的解析から，プロテアーゼ・酸化ストレス経路が，モデルマウスの肺病態の形成に重要であることを明らかにした．また，ヒト閉塞性肺疾患モデル気道上皮細胞やモデルマウス肺組織における亜鉛の細胞内濃度が顕著に減少し，そのことが，閉塞性肺疾患時に特徴的な遺伝子発現変化を惹起することも明らかになった．興味深いことに，閉塞性肺疾患の細胞内亜鉛量の減少には，亜鉛の取り込みトランスポーターの一つである Zrt-Irt -like Protein（ZIP）family の発現調節異常が関与することも明らかになった．本報告は，閉塞性肺疾患における細胞内亜鉛やそのトランスポーターの調節機構の重要性を示す知見である．
KEY WORDS慢 性閉塞性肺疾患（COPD），嚢胞性線維症（CF），ZIP2，スプライシング，気道上皮細胞がどのように調節され，病態に寄与するかは，ほはじめにとんど明らかになっていない．

亜鉛は，生体内の数多くのタンパク質の活性化

そこで，本稿では，まず，閉塞性肺疾患の発症・や細胞内シグナルなどに関与する，多彩な機能を進展において重要な役割を担う上皮型 Na+チャネ持つ必須微量元素の一つである．そのため，生体ル（epithelial sodium channel；ENaC）に着目し，内での亜鉛量の変化による亜鉛ホメオスタシスのENaC を気道上皮特異的に過剰発現することで得破綻は，数多くの疾患の発症や増悪化を引き起こられる閉塞性肺疾患モデルマウス（C57BL/6J-βすことが報告されている．そのような中，近年，ENaC-Tgマウス）に関する本研究室の最近の知見

慢性閉塞性肺疾患（COPD）や嚢胞性線維症（CF）についてご紹介する3）．また，閉塞性肺疾患時のなどの閉塞性肺疾患時における亜鉛の役割が注目

気道上皮における細胞内亜鉛の役割とその調節機されており，病態発症メカニズムの一つに亜鉛が構に着目し，C57BL/6J-βENaC-Tgマウスおよび1,2）関与することが示唆されている ．しかしながら，閉塞性肺疾患モデルヒト気道上皮細胞における細気道上皮を含めた呼吸器において亜鉛の取り込み胞内亜鉛量調節を担う亜鉛トランスポーターの発20 ―― 亜鉛栄養治療8巻1号

201721

現解析や，亜鉛量の変化に伴う各種病態関連因子Tgマウスは，その成因から見てもヒト COPD 病CF患者由来細胞11,12））を用いて，細胞内亜鉛量と亜（16HBE14o-）に対する細胞内の亜鉛量の減少は，の発現変動の結果について，本研究室の結果に基態を模擬する COPD モデルマウスとして活用で鉛トランスポーターの観点から，種々の検討を粘液・炎症等の閉塞性肺疾患病態の増悪因子の発づきご紹介したい．

きる可能性は高い．

行った．その結果，①閉塞性肺疾患モデル細胞に現上昇を惹起すること，④ZIP2, ZIP4, ZIP10 のおける細胞内亜鉛量は，正常気道上皮細胞と比し，発現低下が閉塞性肺疾患モデル細胞内の亜鉛量の共通して低値を示すこと，②閉塞性肺疾患モデル低下や病態増悪因子の発現上昇に寄与し，その中細胞では，細胞内への亜鉛取り込みトランスポー

でも，特にZIP2 の寄与が大きいこと，⑤閉塞性

１．閉塞性肺疾患モデルマウス
C57BL/6J-βENaC-Tgマウスの創出

２．C57BL/6J-βENaC-Tg マウスの薬効解析，分子病態解析

閉塞性肺疾患は，慢性気道炎症や過剰な粘液貯

著者らは，低致死率化した C57BL/6J-βENaC-（ZIP2, ZIP4, ZIP8, ZIP10, ZIP14）の発現量の減少

ZIP2遺伝子の intron 1 が exon に変化し，C末端留，およびこれらの症状に伴う気道閉塞を主徴とTgマウスの肺組織 RNAを用いた網羅的遺伝子発が 認 め ら れ る こ と， ③ 正 常 気 道 上 皮 細 胞を大幅に欠損した ZIP2蛋白質を産生する新規アする難治性の呼吸器疾患の総称である．慢性気管現解析を行い，COPD 病態の典型である酸化ス支炎や肺気腫を主徴とする COPD4），粘液の貯留

トレス・抗酸化ストレス不均衡及びプロテアーゼ・や慢性細菌感染が認められる難治性遺伝性疾患のアンチプロテアーゼ不均衡が本マウスの分子病態

5）CF などの疾患が，閉塞性肺疾患として知られにも反映されていることを見出し，本マウスが，ている．本疾患群に対しては，去痰薬による貯留

分子レベルで COPD 肺病態を模擬したモデルで粘液の除去が望ましいが，現在，臨床において用あることを示した3）．また，C57BL/6J-βENaC-いられる去痰薬の多くは，その有効性に関する科

Tgマウスに対するセリンプロテアーゼ阻害剤

学的根拠に乏しい．一方，自力で痰を喀出できな

ONO3405， 抗 酸 化 剤 N- ア セ チ ル シ ス テ イ ン

い患者に対して行われる物理的吸引は，患者の（NAC）及びビタミン C（VC）の影響について検討

QOL の低下や感染リスクの向上，さらには，吸し，これらの薬物・成分が病態保護作用を有する引を実施する介護者の負担を増加させるなど多くことを見出した3）．これらは，COPD において，の問題点を有する．したがって，粘液貯留を伴うNACなどの抗酸化物質が有用であるという一部肺症状を有する疾患の重篤化の抑制，あるいは喀の臨床報告を支持するものである．

タ ー で あ る Zrt-Irt -like Protein（ZIP）family群

13）

肺疾患モデル細胞における ZIP2 の発現低下には，痰除去の補助に繋がる新規薬物の開発は急務であり，適切な動物モデルを用いた評価が重要である．
ENaC は，上皮細胞の管腔側形質膜上に発現す

3．亜鉛と閉塞性肺疾患

るアミロライド感受性の Na+チャネルであり，α，近年，閉塞性肺疾患時に血清中及び喀痰中の亜β，γの３つの相同性のあるサブユニットから構鉛量が変化し，その変化と病態進行度に相関があ成され，それぞれのサブユニットはヘテロ多量体ることが報告された1,2）．肺や気道における亜鉛量を形成し，最終的に形質膜上で Na+イオンチャネの変化は，Superoxide dismutase（SOD）の活性低6）ルとして機能する ．Mall らは，ENaCのβサブ下等を介して酸化ストレスを誘導することで，肺ユニットをマウス気道上皮特異的に過剰発現させ胞や気道の上皮細胞を傷害し，それに続いた炎症ると（βENaC-Tg マウス）
，Na+の過吸収に伴いが惹起されることで肺器質全体へと傷害が拡大すマウス気道の水分量が減少し，粘液繊毛輸送が滞る8,9）．肺器質の傷害は，最終的に肺の気腫化やそり，粘液（喀痰）が蓄積することを見出した7）．著れに伴う呼吸機能低下，粘液貯留へつながると考者らも，βENaC-Tg マウスをC57BL/6Jマウスにえられているが，これはあくまでも仮説の域に過戻し交配を繰り返し，低致死率の COPD 様マウ

ぎず，亜鉛量の変化が呼吸器に及ぼす影響は不明

スを確立することに成功した（C57BL/6J-βな点が多い．また，閉塞性肺疾患時に亜鉛の体内

3）ENaC-Tgマ ウ ス ） ．ENaC は，COPD の 主 要 因

動態が変化する理由についても未だ明らかになっである喫煙により活性化が誘導されること，また，ていない．

COPD 患者の肺機能と ENaC の発現量に負の相このような背景を受け，著者らは，閉塞性肺疾関が認められることなどに鑑みると，βENaC-患モデルヒト気道上皮細胞（ENaC 過剰発現細胞10），

図１

正常及び閉塞性肺疾患気道上皮細胞における細胞内亜鉛の役割とその調節異常

22 ―― 亜鉛栄養治療8巻1号

201723イソフォーム（ △C-ZIP2）の産生促進を介してい肺疾患における細胞内亜鉛やそのトランスポーることを明らかにした（図１）．要約すると，閉ターの調節機構の重要性を示唆するものである．

塞性肺疾患時には，気道上皮細胞レベルでの細このことは，閉塞性肺疾患の患者血清中の亜鉛量胞内亜鉛量の低下が粘液・炎症等の病態増悪因は低値を認めることや，CF患者に対する亜鉛補子の発現上昇に寄与すること，さらに，その細充は積極的に推進されていることなどからも支持２）El-Attar M, et al：Serum trace element levels in10）Caldwell RA, et al：Neutrophil elastase activates

胞内亜鉛量の低下には，ZIP2 転写産物のスプされるものである1,2,14）．今後，閉塞性肺疾患患者

COPD patient：the relation between trace element

near-silent epithelial Na+ channels and increases

ライシングの変化いわゆる「スプライシングスに対する亜鉛補充療法の是非の検討，また，亜鉛

supplementation and period of mechanicalairway epithelial Na+ transport. Am J Physiol

イッチ」による完全型 ZIP2 発現量の減少が寄トランスポーターの発現量に基づいた治療アプ与することが明らかになった．このとき，「スローチの開発などが必要であり，基礎研究から臨プライシングスイッチ」により生成された不完床への橋渡しを期待するところである．

全型 ZIP2（ △C-ZIP2）は，閉塞性肺疾患の原因タンパク質の一つであるβENaC の発現量を増大させ，ENaC チャネル活性を上昇させることも謝辞明らかになり，「閉塞性肺疾患気道上皮（ENaC

本研究を遂行するにあたり，多大なる支援と活性高値）→ ZIP2スプライシングスイッチ・細助 言 を 頂 い た 本 分 野 の 甲 斐 広 文 教 授，Mary

胞内亜鉛量の低下→ ENaC 活性上昇」という負Ann Suico 助 教， 本 学 動 物 資 源 開 発 研 究 施 設のフィードフォワードループが存在することも明（CARD）の中潟直己教授，竹尾透講師，崇城大らかになり，閉塞性肺疾患と細胞内亜鉛は，極め学薬学部の首藤恵子助教に心から感謝申し上げて密接な関わりがあることが明らかとなっている

ま す． ま た，C57BL/6-βENaC-Tg マ ウ ス の 作（図１）．

製および実験に際しご協力頂いた，本分野の菅
原卓哉博士，小野智美修士，松本千鶴修士，坂おわりに

口由起修士，野原寛文修士，藤川春花学士，丸◆文

献 ― ――――――――

１）Gray RD, et al：Sputum trace metals are９）Wu W, et al：Zinc ions as effectors of environmental

biomarkers of inflammatory and suppurative lungoxidative lung injury. Free Radic Biol Med 65：57-69,

disease. Chest 137：635-641, 2010

ventilation in a randomized controlled trial.
Respirology. 14：1180-1187, 2009

Lung Cell Mol Physiol 288：L813-819, 200511）Shuto T, et al：Promoter hypomethylation of３）Shuto T, et al：Pharmacological and genetic

Toll-like receptor-2 gene is associated withreappraisals of protease and oxidative stressincreased proinflammatory response toward

pathways in a mouse model of obstructive lungbacterial peptidoglycan in cystic fibrosis bronchialdiseases. Sci Rep 6：39305, 2016

epithelial cells. FASEB J 20：782-784, 2006

４）Global Strategy for the Diagnosis, Management12） M i z u n o e S , e t a l ： S y n e r g i s m B e t w e e nand Prevention of COPD：Global Initiative forInterleukin（IL）-17 and Toll-like Receptor 2 andChronic Obstructive Lung Disease（GOLD）, 2016

4 Signals to Induce IL-8 Expression in Cystic（Available from：http://goldcopd.org/）

Fibrosis Airway Epithelial Cells. J Pharmacol Sci５）Ratjen F, et al：Cystic fibrosis. Lancet 361：681689, 2003

118：512–520, 201213）Fukada T, et al：Zinc homeostasis and signaling６）Firsov D, et al：The heterotetrameric architectureof the epithelial sodium channel（ENaC）. EMBO J
17：344-352, 1998

in health and diseases. J Biol Inorg Chem 16：1123-1134, 201114）Van Biervliet S, et al：Serum zinc concentrations

７）Mall M, et al：Increased airway epithelial Na+

in cystic fibrosis patients aged above 4 years：Aabsorption produces cystic fibrosis-like lung diseasecross-sectional evaluation. Biol Trace Elem Res

in mice. Nat Med 10：487-493, 2004

119：19-26, 2007

田かすみ学士，中嶋竜之介氏，川上太聖氏，江８）Zalewski PD, et al：Zinc metabolism in the

本稿でご紹介した閉塞性肺疾患気道上皮細胞に藤結花氏に対しても，この場を借りて深謝いた

airway：basic mechanisms and drug targets. Curr

おけるZIP2 スプライシングスイッチの変化は，します．なお，本研究は，著者らに対する日本これまで前例のないユニークな分子機序に基づく学 術 振 興 会 の 科 学 研 究 費 補 助 金（首藤：ものである．一方，興味深いことに，不完全型アJP25460102，JP21790083，亀井：JP15J09420）

イソフォーム ZIP2 の発現は，C57BL/6-βENaC-及び著者が担当研究者であった日本学術振興会

Tgマウスの気道上皮細胞やCF患者由来初代培養の「頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外細胞においても認められており，ZIP2 発現異常派遣プログラム（S2510）」の研究推進費により実の肺疾患病態における普遍性が示唆されている．

施された．

いずれにせよ，著者らの見出した知見は，閉塞性2013

Opin Pharmacol 6：237-243, 2006

◆首藤剛略歴1999 年				
2001 年

熊本大学薬学部 卒業
米国ハウスイヤ研究所（HEI）実験助手
熊本大学大学院薬学研究科博士前期課程修了	熊本大学大学院薬学研究科遺伝子機能応用学分野助手
2004 年		米国カリフォルニア太平洋医療センター研究所（CPMCRI）		
研究員
2006 年		
薬学博士号取得		熊本大学大学院医学薬学研究部遺伝子機能応用学分野講師
2013 年		熊本大学大学院生命科学研究部（薬学系）遺伝子機能応用学分野准教授

24 ―― 亜鉛栄養治療

8巻1号

2017

Role of intracellular zinc and its dysregulation in murine and cellular models of obstructive lungdiseases
Shunsuke Kamei1,2）, Tsuyoshi Shuto1）
１）Department of Molecular Medicine, Graduate School of Pharmaceutical Sciences２）Program for Leading Graduate Schools“HIGO（Health life science: Interdisciplinary and GlocalOriented）
Program”, Kumamoto University

Ion transport across the cell membrane is essential for many biological processes in airway
epithelial cells; however, its dysregulation causes intractable lung diseases such as cystic fibrosis（CF）and chronic obstructive pulmonary disease（COPD）. We have recently established airway-specificoverexpression of the epithelial Na+ channel β subunit in mice with C57BL/6J background（C57BL/6J-βENaC-Tg mice）
as a pathophysiologically highly useful COPD/CF mouse models. Themice showed key pulmonary abnormalities of COPD/CF, including mucus hypersecretion,
inflammatory and emphysematous phenotypes and pulmonary dysfunction. Pharmacological andgenetic approaches further revealed that protease-antiprotease imbalance and oxidative stress are
critical pathways that exacerbate the pulmonary phenotypes of C57/BL6J-βENaC-Tg mice, consistent
with the characteristics of human COPD/CF. Interestingly, intracellular Zn2+ level was decreased inmurine and cellular models of obstructive lung diseases, which contributes up-regulation of the gene
expression of mucus and inflammatory cytokines. Moreover, dysregulation of zinc importer ZIP/SLC39A family was associated with reduction of intracellular zinc concentration in human CF/COPD
airway epithelial cells. The study emphasizes the importance of mechanism underlying regulation ofzinc transporters in obstructive lung diseases.

Keyword：chronic obstructive pulmonary disease（COPD），cystic fibrosis（CF），ZIP2/SLC39A2，
splicing defect，airway epithelial cells

Address for correspondence	5-1 Oe-Honmachi, Chuo-ku, Kumamoto, 862-0973, Japan
Tel：+81-96-371-4407

E-mail address
tshuto@gpo.kumamoto-u.ac.jp