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研究

亜鉛輸送体の亜鉛状態に応答した発現および局在の制御機構
京都大学大学院 生命科学研究科１） 京都薬科大学 薬学部２）

西藤有希奈１, ２） 神戸大朋１）

要約

亜鉛は生命活動に不可欠な必須微量金属であり，タンパク質の構造維持やシグナル伝達調節など，幅広い役割を担う．この多様な機能ゆえ，生体内で亜鉛が欠乏状態になると様々な障害や疾患が引き起こされる．生体内の亜鉛代謝は，23 種類にもおよぶ亜鉛輸送体の局在と発現の厳密な制御によって維持されている．ノックアウトマウスや培養細胞を用いた昨今の目覚しい解析により，亜鉛輸送体は個体・細胞レベルにおいて非常に多様な生理機能を有すること，また，種々の疾患の発症や病態進行に関与することが明らかにされている．また，いくつかの亜鉛輸送体は，細胞内外の亜鉛濃度調節のために，亜鉛状態に応答して発現や局在をダイナミックに変動させることが最近の研究により示されている．特に，消化管からの亜鉛吸収過程は亜鉛を体内に取り込むための第一通過点となることから，体内の亜鉛代謝調節に非常に重要であり，そこでの亜鉛輸送体の発現と局在は他の組織に比較して極めて厳密に制御されている．
本稿では，消化管上皮細胞において細胞内への亜鉛取り込みに関与する ZIP4 と細胞から血液中への亜鉛放出に関与する ZNT1 の亜鉛依存的な発現と局在の巧妙な制御に焦点をあてながら，生体内の亜鉛代謝維持機構について最新の知見を織り交ぜて紹介したい．
KEY WORDS

亜鉛輸送体，亜鉛代謝制御，消化管上皮細胞はじめに
亜鉛 は，体内 に約 2 ～ 3g 存在し，生体内で鉄についで多く存在する必須微量金属元素であめて重要であることを伺い知ることができる3,4）．
実際に，亜鉛欠乏状態が続くと，皮膚炎・脱毛・味覚障害をはじめとした様々な疾患が引き起こされる5,6）．

る1,2）．食事から摂取した亜鉛は，十二指腸および亜鉛の機能について詳しく見てみると，その生空腸から吸収され，血液中へと運ばれた後，各種理機能は，① Zn フィンガーモチーフなどに代表臓器へと到達する．亜鉛の多くは骨や筋肉に存在されるタンパク質の構造因子，②酵素の活性中心するが，その他，皮膚，脳，肝臓，膵臓，腎臓なとしての触媒因子，③細胞内外のシグナル伝達調

ど幅広い組織に分布する．この様にして，組織中節因子の３つの役割に分類できる1,2）．亜鉛は，２へと運ばれた亜鉛は，様々なタンパク質と相互作価陽イオンとして安定であるため，上述の生理機用することによってその生理機能を発揮する．プ

能を発揮するためには細胞膜を隔てた輸送システ

ロテオーム解析によると，ヒトゲノムにコードされムが必要であり，局在や発現の異なる多様な亜鉛たタンパク質の 10％にあたる約 3000 種類ものタン輸送体がこの役割を担う．亜鉛輸送体は，細胞外パク質が亜鉛結合モチーフを有すると見積もられまたは細胞内小器官から細胞質へ亜鉛を輸送するており，この事実からも亜鉛が生体内において極ZIP と，細胞質から細胞外または細胞内小器官へ

26 ―― 亜鉛栄養治療

10 巻 1 号

201927

亜鉛を輸送する ZNT の 2 種類に分類される．哺を有することを強く示唆している．

乳類では，14 種類の ZIP と 9 種類の ZNT が機能ZIP4 の発現や局在は，亜鉛レベルによって転しており，それぞれが，組織や細胞あるいは細胞写後の多段階で制御されるが，特に頂端膜表面で内小器官において特異的な局在や発現を示す 1,2）．のタンパク質発現制御は亜鉛吸収量の調節においまた，近年の研究により，いくつかの ZIP やて鍵となる（図１）．亜鉛十分時には，頂端膜にZNT の発現は亜鉛状態に応答して大きく変動す発現する ZIP4 は，細胞内へ速やかにエンドサイることが示されており，体内での亜鉛代謝を厳密トーシスされ，リソソームやユビキチンプロテアに制御する上で不可欠な調節機構となることが示

ソーム経路を介して細胞内で分解される 15,16）．こ唆されている．特に重要と考えられるのが，消化れにより，細胞膜表面での ZIP4 の発現が劇的に管からの亜鉛吸収過程における発現調節であり，

低 下 す る． 一 方 で， 亜 鉛 欠 乏 時 に は，ZIP4

消化管上皮細胞では，管腔側の頂端膜に局在するmRNA の発現が安定化し翻訳が促進する機構や，ZIP4 と血管内腔側の側底膜に局在する ZNT1 が，細胞内でのタンパク質分解が抑制される機構に亜鉛状態に応じて局在と発現をダイナミックに変

よって，頂端膜での ZIP4 の発現が上昇する 7,17）．

動させる．これまでに ZIP4 の発現および局在のさらに，長期的に亜鉛欠乏状態が続いた場合に制御機構については，個体・細胞レベルでの研究

は，細胞内に取り込まれた ZIP4 は，細胞外 N 末が進んでいたが，その一方で，ZNT1 については端領域がプロセシングを受け切断され，再び頂端．今回，我々膜に蓄積すると考えられている 18）．ZIP4 の亜鉛は，ZNT1 のタンパク質レベルでの発現および局依存的な発現や局在の制御メカニズムとしては，在の制御機構について新たな知見を得た．本稿でZIP4 の細胞外のヒスチジン（His）残基に富んだは，亜鉛輸送体の発現と局在の制御という観点かループ領域がエンドサイトーシス制御に関与するら，ZIP4 と ZNT1 の特徴を比較解説し，生体の可能性や，細胞内の His 残基に富んだループ領域

亜鉛代謝制御機構を概説したい．

がユビキチン化を介した分解制御に必要な領域で詳細な解析は行われてこなかった7～10）ある可能性が示唆されている 15,16,19）．
一方で，ZIP4 の N 末端領域におけるプロセシ

(A)
亜鉛十分時
ZIP4(B)
亜鉛欠乏時

His 残基に富んだ領域①エンドサイトーシスの制御②プロテアソームでの分解制御
N

①

C

頂端膜

NN

C

C

ZIP4②
エンドサイトーシス

Zn2+mRNA の安定化

リソソーム

細胞内での分解の抑制

プロテアソーム

細胞内での分解側底膜

図１

亜鉛吸収に関わる ZIP4 の発現および局在の制御機構（A）亜鉛十分時における ZIP4 の発現と局在の制御
亜鉛十分時には，ZIP4 は細胞膜表面から細胞内へエンドサイトーシスされて，プロアソームまたはリソソーム経路によって分解される．エンドサイトーシスの制御においては ZIP4 における細胞外の His に富んだループ領域が，ユビキチン化を介した分解制御には細胞内の His に富んだループ領域が重要である可能性が示唆されている．
（B）亜鉛欠乏時における ZIP4 の発現と局在の制御
亜鉛欠乏時には，ZIP4 の mRNA の安定化や細胞内での分解抑制によって，頂端膜上での ZIP4 の発現が上昇する．

１．亜鉛吸収に関わる ZIP4 の発現および局在の制御機構

ング制御については，詳細なメカニズムは未だ解細胞膜表面には多数の ZIP が存在し，各組織・変異の中には，上述の様なエンドサイトーシスやる 21 ～ 23）．これまでに，消化管特異的に ZNT1 をelement）に結合する 25）．ZNT1 はプロモーター

細胞における亜鉛の取り込みに関わっている．特プロセシング制御に影響を及ぼす変異が見出され欠損させたマウスは作出されておらず，ほ乳類に領域に MRE 配列を有するため，亜鉛上昇時にはに，食事から亜鉛の取り込みにおいては，消化管ており，ZIP4 の亜鉛依存的な発現や局在応答のおける ZNT1 の亜鉛吸収に対する機能の詳細は

ZNT1 の転写活性が促進される 10）．ZNT1 のタン上皮細胞の頂端膜に高発現する ZIP4 が重要な役

詳細な機構の解明が，AE 発症メカニズムの理解未解明である．一方で，消化管特異的に ZNT1パク質レベルでの発現制御機構については長らく割を果す．ZIP4 は，重篤な皮膚炎や下痢を症状において重要な意味を持つと考えられる 18,20）．

を欠損させたショウジョウバエにおいては，血液不明であったが，先日，我々のグループでは，中への亜鉛放出が抑制され，このフェノタイプはZNT1 も ZIP4 同様に亜鉛依存的な発現や局在のヒトの ZNT1 を再発現させると回復するため，応答を示すことを見出した 26）（図２）．

明されていない．AE 患者から見出された ZIP4の特徴とする先天性亜鉛欠乏症である腸性肢端性皮膚炎（AE）の原因遺伝子として同定された輸送体であり，ZIP4 に変異をもつ AE 患者は，亜鉛補給によってのみ，その症状が改善する

11,12）．

ZIP4 の消化管での亜鉛吸収における重要性は，2．亜鉛の排出に関わる ZNT1 の発現および局在の制御機構
ZIP4 によって消化管上皮細胞内へ取り込まれほ乳類での亜鉛吸収過程においても ZNT1 が必須の機能を持つことが想定される

24）．

亜鉛十分時，ZNT1 は MTF1 を介した転写レベルでの発現誘導に加えて，積極的に細胞膜表面

これまで，ZNT1 の発現調節については，転写10）での発現を上昇させる．この応答により，ZNT1

消化管特異的に ZIP4 を欠損させたマウスにおいた亜鉛は，側底膜へと運ばれ血流中へと放出されレベルでの制御のみが明らかにされていた．

は亜鉛十分時に速やかに細胞膜表面での発現を上ても実証されており，このマウスは亜鉛過剰食をた後，アルブミンやα2-マクログロブリンと結合細胞内においては，亜鉛応答のマスターレギュ昇させ，より効率的に細胞外（血液中）へ亜鉛を．これは，上述した状態で各種臓器へと運ばれる．亜鉛の血流中レーターとして働く転写因子 MTF1 が，亜鉛レ放出する機構に働くとが考えられる．一方，亜鉛の AE 患者の症状および治療効果と一致しておへ の 放 出 に は，上 皮 細 胞 の 側 底 膜 に 局 在 す る

ベ ル の 増 加 に 伴 い 核 内 へ 移 行 し，標 的 因 子 の欠乏時には，ZNT1 は細胞膜表面から細胞内へエり，ZIP4 がほ乳類全般の亜鉛吸収に必須の機能

ZNT1 が重要な役割を果たすことが予想されていMTF1 結 合 配 列（MRE：metal response

ンドサイトーシスされ取り込まれた後，リソソー給餌しない限り生育できない

13,14）

28 ―― 亜鉛栄養治療

10 巻 1 号

2019

29(A)
亜鉛十分時

頂端膜(B)
亜鉛欠乏時

Zn2+

細胞内での分解MTF-1

持のために両輸送体の発現が相互的に制御されるであり，今後の研究で明らかにされていくことがのは非常に興味深い．この制御により，例えば，重要と考える．また，消化管以外の様々な組織に亜鉛欠乏時には，頂端膜での ZIP4 の発現上昇をおいても，同様の制御機構が存在することが予想

介して，上皮細胞内へ亜鉛が取り込まれ，結果，される．今後，各組織での亜鉛輸送体の発現の相亜鉛濃度が上昇し，これに付随して側底膜での関性についての詳細な解析を通じて，生体内の亜ZNT1 の発現が上昇することで，血液中への亜鉛鉛代謝制御機構について新たな知見を得ること放出が促進される機構の存在などを想定することで，亜鉛代謝が関与する疾病の予防や治療に役立ができる．

つ情報が蓄積されていくことを期待したい．

一方で，この制御の分子機序については未解明

MRE

ZNT1
転写の促進↑

プロテアソーム

リソソーム

Nucleus

エンドサイトーシス
CNC

側底膜

N

C

転写レベルとは独立した細胞膜表面での発現上昇

図２

N

ZNT1

ZNT1
糖鎖の有無が分解制御に関与

亜鉛の排出に関わる ZNT1 の発現および局在の制御機構（A）亜鉛十分時における ZNT1 の発現と局在の制御
亜鉛十分時には，ZNT1 は MTF1 を介した転写レベルでの発現誘導に加えて，タンパク質レベルで細胞膜表面における発現を上昇させる．
（B）亜鉛欠乏時における ZNT1 の発現と局在の制御
亜鉛欠乏時には，ZNT1 は細胞膜表面から細胞内へエンドサイトーシスされて，プロアソームまたはリソソーム経路によって分解される．この制御においては，ZNT1 の細胞外ループ領域に修飾された糖鎖が重要な役割を果たすことが示唆される．

◆文

献 ― ――――――――

１）T. Kambe, T. Tsuji, A. Hashimoto, and N.

effects of zinc deficiency during lactation.,

Itsumura：The Physiological, Biochemical, andAmerican journal of physiology. Regulatory,

Molecular Roles of Zinc Transporters in Zincintegrative and comparative physiology, vol. 310,Homeostasis and Metabolism, PhysiologicalReviews, vol. 95, no. 3,：749–784, 2015２）T. Hara, T. aki Takeda, T. Takagishi, et al：Transport Proteins: A Brief Overview from

Physiological roles of zinc transporters: molecular

Physiological and Molecular Perspectives, J Nutrand genetic importance in zinc homeostasis,

Sci Vitaminol (Tokyo), vol. 61：S116-S118, 2015

Journal of Physiological Sciences, vol. 67, no. 2：10）S. J. Langmade, R. Ravindra, P. J. Daniels, and G.

283–301, 2017

mediates metal regulation of the mouse ZnT1

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no.1：196-201, 2006

Gitschier：A novel member of a zinc transporter

zinc in proteins, Chemical Reviews, vol. 109,

family is defective in acrodermatitis enteropathica.,no.10：4682-4707, 2009

American journal of human genetics, vol. 71, no.

ZNT1 の亜鉛依存的な発現や局在の応答が重要な内で分解される．興味深いことに，この制御には意味をもつ可能性も考えられる．ZNT1 は，細胞ZNT1 の細胞外ループ領域に修飾される糖鎖が重膜表面に唯一局在する ZNT であるため，その亜５）A. S. Prasad：Clinical Manifestations of Zinc

要な役割を果たすことが示唆されており，糖鎖修鉛依存的な発現や局在の制御のメカニズムをよりDeficiency, Annual Review of Nutrition, vol. 26, no

飾されない ZNT1 変異体では，細胞膜表面での詳細に解明していくことで，消化管からの亜鉛吸ZNT1 タンパク質の安定性が劇的に増大する．

収機構の全容解明や生体内の亜鉛代謝維持機構に

位は脊椎動物において広く保存されている一方

44：34803–34809, 2000
11）K. Wang, B. Zhou, Y.-M. Kuo, J. Zemansky, and J.

４）W. Maret and Y. Li：Coordination dynamics of

ムやユビキチンプロテアソーム経路を介して細胞ついての更なる理解に繋がるであろう．

K. Andrews：The transcription factor MTF-1３）C. Andreini, L. Banci, I. Bertini, and A. Rosato：
genome, Journal of Proteome Research, vol. 5,ZNT1 の細胞外ループ領域における糖鎖付加部

no. 5：R459-468, 2016９）A. Hashimoto and T. Kambe：Mg, Zn and Cu

2：167-172, 1985６）M. Hambidge：Human zinc deficiency., The
Journal of nutrition, vol. 130, no. 5S Suppl：
1344S-1349S, 2000

1：66–73, 200212）S. Küry, et al：Identification of SLC39A4, a geneinvolved in acrodermatitis enteropathica., Naturegenetics, vol. 31, no. 3：239–240, 200213）J. Geiser, R. C. de Lisle, D. Finkelstein, et al：Clioquinol Synergistically Augments Rescue by７）B. P. Weaver, J. Dufner-Beattie, T. Kambe, and G.

Zinc Supplementation in a Mouse Model of

おわりにK. Andrews：Novel zinc-responsive post-Acrodermatitis Enteropathica, PLoS ONE, vol. 8,

かつ特有の機能を有している可能性が高く，その本稿では，消化管で機能する亜鉛輸送体につい

expression of the mouse Slc39a4 and Slc39a5 zinc14）J. Geiser, K. J. T. Venken, R. C. de Lisle, and G. K.

詳細を解明することが，今後，重要となる．また，て，その発現および局在の制御機構に着目し概説

transporters (Zip4 and Zip5), Biological Chemistry,

Andrews：A mouse model of acrodermatitis

消化管上皮細胞の側底膜側に局在する ZNT1 にした．頂端膜に局在する ZIP4 と側底膜に局在す

vol. 388, no. 12：1301–1312, 2007

enteropathica: Loss of intestine zinc transporter

も糖鎖が修飾されていることを認めており，消化る ZNT1 の発現と局在は亜鉛状態に応じて非常管からの亜鉛の排出制御においても糖鎖を介したに厳密に制御されることを示したが，亜鉛代謝維

で，他 の ZNT で は 認 め ら な い．し た が っ て，
ZNT1 における糖鎖修飾は脊椎動物において重要

transcriptional mechanisms reciprocally regulate

no 8：2013８）A. Hashmoto, et al：Properties of Zip4

ZIP4 (Slc39a4) disrupts the stem cell niche andaccumulation during zinc deficiency and its

intestine integrity, PLoS Genetics, vol. 8, no. 6：

usefulness to evaluate zinc status: a study of the2012

30 ―― 亜鉛栄養治療

10 巻 1 号

20193115）B. E. Kim, F. Wang, J. Dufner-Beattie, et al：Zn2+-stimulated Endocytosis of the mZIP4 Zinc

Human Molecular Genetics, vol. 13, no 5：563-571,
2004

Transporter Regulates Its Location at the Plasma21）R. D. Palmiter and S. D. Findley：Cloning andMembrane, Journal of Biological Chemistry, vol.

functional characterization of a mammalian zinc279, no. 6：4523–4530, 2004

transporter that confers resistance to zinc., The16）X. Mao, B. E. Kim, F. Wang, et al：A histidine-EMBO journal, vol. 14, no 4：639-649, 1995

Mechanisms underlying the regulated expression and subcellular localization of zinc transporters
involved in the maintenance of zinc homeostasi
Yukina Nishito １, ２）, Taiho Kambe １）
１）Division of Integrated Life Science, Graduate School of Biostudies, Kyoto University, Kyoto, Japanrich cluster mediates the ubiquitination and22）R. J. Cousins, J. P. Liuzzi, and L. A. Lichten：

degradation of the human zinc transporter, hZIP4,

Mammalian Zinc Transport, Trafficking, and２）Department of Analytical & Bioinorganic Chemistry, Kyoto Pharmaceutical University, Kyoto,and protects against zinc cytotoxicity, Journal ofSignals, Journal of Biological Chemistry, vol. 281,

Japan

Biological Chemistry, vol. 282, no. 10：6992–7000,

no 34：24085-24089, 2006

200723）Y. Y. Yu, C. P. Kirschke, and L. Huang：17）J. Dufner-Beattie, Y. M. Kuo, J. Gitschier, and G.

Immunohistochemical analysis of ZnT1, 4, 5, 6, andK. Andrews：The adaptive response to dietary

7 in the mouse gastrointestinal tract, Journal ofzinc in mice involves the differential cellular

Histochemistry and Cytochemistry, vol. 55, no 3：

localization and zinc regulation of the zinc

223-234, 2007transporters ZIP4 and ZIP5, Journal of Biological24）X. Wang, Y. Wu, and B. Zhou：Dietary zinc

Zinc is an essential trace element in the human body. It plays a vital role as a structural andcatalytic component in numerous cellular proteins. Thus, its deficiency results in various disorders anda myriad of pathophysiological symptoms. Systemic and cellular zinc homeostasis is maintained bymany zinc transport proteins, which facilitate influx or efflux of zinc across the biological membrane.
Analyses of mice with knocked out zinc transport proteins and their functional characterization in cellChemistry, vol. 279, no. 47：49082–49090, 2004

absorption is mediated by ZnT1 in Drosophila18）T. Kambe and G. K. Andrews：Novel Proteolyticmelanogaster., The FASEB journal：official

Processing of the Ectodomain of the Zinc

publication of the Federation of American Societies

Transporter ZIP4 (SLC39A4) during Zincfor Experimental Biology, vol. 23, no. 8：2650–2661,

subcellular localization of specific zinc transporters are crucial for maintaining zinc homeostasis.

2009

Gastrointestinal absorption of zinc is a key step to control systemic zinc homeostasis by delivering

Deficiency Is Inhibited by Acrodermatitis
Enteropathica Mutations, Molecular and Cellular
Biology, vol. 29, no 1：129-139, 200925）Y. Li, T. Kimura, R. W. Huyck, et al：ZincInduced Formation of a Coactivator Complex

19）H. Chun, et al：Extracellular zinc sensor motif

Containing the Zinc-Sensing Transcription Factor

in ZIP4 endocytosis 1 An extracellular histidine-MTF-1, p300/CBP, and Sp1, Molecular and Cellularcontaining motif in the zinc transporter ZIP4 plays

Biology, vol. 28, no13：4275-4284, 2008

a role in zinc sensing and zinc-induced endocytosis
in mammalian cells：1–21, 201826）Y. Nishito, T. Kambe：Zinc transporter 1 (ZNT1)
expression on the cell surface is elaborately20）F. Wang, B. E. Kim, J. Dufner-Beattie, et al：controlled by cellular zinc levels, Journal ofAcrodermatitis enteropathica mutations affect

Biological Chemistry, doi: 10.1074/jbc.

transport activity, localization and zinc-responsive

RA119.010227, 2019, in Press,

cultures have revealed their importance and involvement in manifesting pathophysiological symptoms
in human patients. In addition, recent studies also revealed that the regulated expression andzinc to the target tissues. Zinc transport across the biological membrane is a two-step process,involving its uptake from the intestinal lumen across the apical membrane of intestinal epithelial cells
and its excretion to the portal blood across the basolateral membrane. Thus, zinc transporters
expressed in the enterocytes are equipped with sophisticated regulatory mechanisms. ZIP4 is localized
to the apical membrane for absorbing zinc, and ZNT1 is localized to the basolateral membrane forreleasing zinc to the portal blood. In this review, we summarize the current progress toward
understanding the roles of ZIP4 and ZNT1 in zinc homeostasis, with a focus on their regulated
expression and subcellular localization in response to the levels of zinc in the cellular environment.

trafficking of the mouse ZIP4 zinc transporter,

Keyword：Zinc, transporter, Zinc homeostasis, intestinal epithelial cell

Address for correspondence
Kitashirakawa-Oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan◆西藤有希奈略歴
2013 年

同志社大学生命医科学部医生命システム学科卒業

2015 年

京都大学大学院生命科学研究科博士前期課程修了

2017 年

京都大学大学院生命科学研究科

2018 年

京都大学大学院生命科学研究科博士後期課程修了

日本学術振興会特別研究員 DC2
博士（生命科学）2019 年

京都薬科大学 日本学術振興会特別研究員 PD

Phone：075-753-6273
Fax：075-753-6274

E-mail address
kambe1@kais.kyoto-u.ac.jp