22 ―― 亜鉛栄養治療研究9巻1号

201823

亜鉛要求性酵素による細胞外 ATP 代謝の制御
京都大学大学院生命科学研究科

要武田貴成 神戸大朋

約

必須微量元素である亜鉛の欠乏は，皮膚炎や脱毛，貧血や味覚障害など，実に様々な症状を引き起こす．しかし，このような亜鉛欠乏による症状がどのようなメカニズムで引き起こされているのについてはほとんど明らかとなっていない．亜鉛の機能は約 3000 種類存在するとされる亜鉛結合タンパク質を介して発揮されると考えられ，その中には亜鉛を活性中心に持つ酵素（亜鉛要求性酵素）が多数含まれている．本稿ではまず，亜鉛要求性酵素の活性制御，という観点から，亜鉛の生理的機能について概説する．続いて，筆者らが最近発表した，亜鉛栄養

図1

細胞外 ATP 代謝に関わる亜鉛要求性酵素

細胞外 ATP 代謝には，4 種のエクト型酵素（ALP，CD39，CD73，ENPP）が重要な役割を果たす．ALP，CD73，ENPPの活性は，亜鉛欠乏で大きく低下する．と細胞外 ATP 代謝との関連についての研究に関して，初期分泌経路における分泌型亜鉛要求性酵素の活性化の分子機構を交えて紹介する．
KEY WORDS 亜
 鉛要求性酵素，亜鉛欠乏症，細胞外 ATP 代謝，ZNT 複合体，初期分泌経路

はじめに

1．亜鉛要求性酵素が制御する代謝系

2．亜鉛と細胞外 ATP 代謝

亜鉛を活性中心に持ち亜鉛依存的な活性を示す

亜鉛欠乏時には亜鉛要求性酵素の活性が低下

酵素は亜鉛要求性酵素と呼ばれ，データベースをし，これらの酵素の関連する代謝系に影響を及ぼ用いたプロテオーム解析から，ヒト体内では約すことが考えられるが，この影響は，特に亜鉛要1000 種類の酵素が亜鉛と結合しうると概算され求性酵素の集中する代謝系で顕在化しやすいと考

食品添加物の過剰摂取には注意が必要である 2 ～ 4）．ている 7，8）．亜鉛要求性酵素は細胞内外の様々なえられる．今回，筆者らは多数の亜鉛要求性酵素

体内で亜鉛が欠乏すると，皮膚炎，脱毛，貧血，代謝系に関与しており，生理的にも重要な酵素がが寄与する代謝系である細胞外 ATP 代謝に着目

亜鉛は体内で鉄に次いで多い必須微量元素であ

味覚障害など，実に様々な症状を呈することが知数多く含まれている．例えば，血圧調節に重して解析を実施した 9）．この細胞外 ATP 代謝は，り，成人で約 2 g 存在する．食事中の亜鉛は 30%られるが，これらの症状に関与する亜鉛の機能，要なアンジオテンシン変換酵素，増殖や遺伝子発炎症などのシグナルと深く関わっており，亜鉛欠程度の効率で十二指腸や空腸から吸収され，膵液

言い換えれば亜鉛欠乏症のメカニズムはほとんど現に必須の DNA ポリメラーゼおよび RNA ポリ乏症の発症とも関連が期待される代謝系である．

への分泌等によって排出される 1）．体内で亜鉛を明らかとなっていない 1, 5）．これまでの数多くのメラーゼ，細胞の移動や浸潤に機能するマトリッ

ATP は細胞内でのエネルギーの基本通貨とし不足させないためには，日々の亜鉛摂取が肝要で解析から，生体内での亜鉛の機能は便宜的に次のクスメタロプロテアーゼなどはいずれも亜鉛要求ての機能が広く知られているが，接触や酸化ストあり，厚生労働省による食事摂取基準（2015 年度

三つに分類される．すなわち，① Zn フィンガー性酵素である．これら細胞内外で機能する様々なレス，物理的な損傷などによって容易に細胞外へ版）では，一日あたり成人男性で 10 mg，成人女モチーフや RING フィンガーモチーフなどのタン重要酵素の活性制御に関与する事実からは，亜鉛と放出される．細胞外での ATP は種々の加水分性で 8 mg の亜鉛摂取が推奨されており，妊婦やパク質の立体構造を保持させる構造因子，②一部の機能の幅広さと重要性を窺い知ることができ，解酵素によってリン酸が加水分解され，ADP，授乳婦にはさらに 2 ～ 3 mg が付加量として設定の酵素の活性中心として機能し，酵素反応の触媒亜鉛欠乏は，亜鉛要求性酵素の関与する代謝系にAMP を介してアデノシンとなる（ATP → ADP →されている．また，亜鉛摂取量の不足に加え，亜作用を司る触媒因子，③カルシウムのように濃度大きく影響すると考えられる．このような観点か

AMP →アデノシン）．また一部のアデノシンは鉛キレート作用を持つ成分は，腸管での亜鉛吸収勾配の変化によってシグナルを伝達するシグナル

ら，筆者らはこれまで，亜鉛要求性酵素の亜鉛獲この後も変換酵素によってイノシン，ヒポキサン

1，6）7，8）を阻害することによって，亜鉛欠乏を引き起こす因子，の三つである．いずれも生理的に重要得機構やその活性制御機構の解明，さらに亜鉛要チンへと代謝される．このような細胞外 ATP 代

ことが知られているため，豆類などに含まれるフィな機能であるが，本稿では特に②の触媒因子とし求性酵素と病態との関係についての研究を進めて謝において，ATP と ADP は細胞表面の P2X お

チン酸や柑橘類に多く含まれるクエン酸，一部のて働く亜鉛に注目して，その機能を紹介する．

きた．

よび P2Y 受容体を活性化し，炎症やアレルギー24 ―― 亜鉛栄養治療

9巻1号

2018253．分泌型亜鉛要求性酵素の活性化機構せた細胞株においても正常に活性を保持していた．このことから，同じように初期分泌経路で活

上述の解析の途上で筆者らは，亜鉛欠乏状態に性化される分泌型亜鉛要求性酵素であっても，酵より低下した血漿中の酵素活性は，回収後に十分素の種類によって活性化機構や，亜鉛獲得のタイ量の亜鉛を添加しても全く回復しないという興味ミングが異なっていると考えられた（図２）9）．

深い現象を見出した 9）．この結果は，細胞外に分本グループでは過去に，腫瘍の悪性化に関わる泌されている（= 血漿中の）亜鉛が結合していな種々の分泌型亜鉛要求性酵素（オートタキシン，

いアポ型酵素は，周囲に遊離している亜鉛イオンマトリックスメタロプロテアーゼ 9，カルボニッを簡単に獲得して活性化することができないこと

クアンヒドラーゼ IX）の活性化に，初期分泌経を示唆していた．筆者らの研究グループのこれま路に局在する ZNT 複合体が重要な機能を果たすでの解析から，多くの分泌型の亜鉛要求性酵素は，ことを示しており 20），このような活性化機構の違小胞体，ゴルジ体などの初期分泌経路において成いが生理的あるいは病理的にどのような影響を及熟して活性化されており，この活性化過程においぼすのかについて，今後の解析で少しずつ明らかては，細胞質から初期分泌経路内に亜鉛を輸送すにしていくことが重要と考えている．

る二つの亜鉛輸送複合体，ZNT5-ZNT6 ヘテロダ
図2

分泌型亜鉛要求性酵素の活性化機構

初期分泌経路で活性化される分泌型亜鉛要求性酵素であっても，酵素の種類によって活性化機構や，亜鉛獲得のタイミングが異なる．TANP は ALP のアイソザイム，ENPP1 及び ENPP3 は ENPP のアイソザイムである．

イマーおよび ZNT7-ZNT7 ホモダイマーが必須の機能を果たすことが明らかとなっている 16 ～ 19）．

おわりにそこで，ALP，CD73，ENPP の活性が，これら

本稿では，亜鉛欠乏が亜鉛要求性酵素を介して両 ZNT 複合体に依存しているか調査し，細胞外大きく影響する代謝系の一例として細胞外 ATP

ATP 代謝に関わる酵素群の活性制御機構を明ら代謝を紹介した．亜鉛要求性酵素は細胞外 ATPかにするための解析を実施した

9，19）．両 ZNT 複代謝以外にも無数の代謝系に存在しており，亜鉛などのシグナルを細胞内へ伝達するが，逆に分解ALP，CD73，ENPP 活性が顕著に低下することを合体を欠損させた細胞株では，ALP のアイソザ欠乏によるこれらの代謝系への影響も健康維持と産物であるアデノシンは P1 受容体を活性化する

まず確認し，これら酵素が確かに亜鉛要求性酵素イムの一つである組織非特異型アルカリホスファ密接に関連する可能性も大いに考えられる．今後ことで P2X や P2Y 受容体に拮抗する抗炎症や睡であることを確認した．さらに，ATP 加水分解にタ ー ゼ（Tissue nonspecific alkaline phosphataseは，このような亜鉛要求性酵素の全体の活性を評眠促進などのシグナルを誘発する．そしてこの細より生じる ADP，AMP，アデノシン，及び残存(TNAP)）や CD73 が全く活性化されず，発現し価することが，亜鉛欠乏による生体への影響の解胞外での ATP → ADP → AMP →アデノシンのする ATP の量を液体クロマトグラフィーを用いた酵素タンパク質も直ちに分解されていたが，興明には重要かもしれない．
また，その解析にあたっ分解に関わる四つの酵素（Alkaline phosphataseて定量した結果，細胞およびラット血漿において，

味 深 い こ と に，ENPP の ア イ ソ ザ イ ム で あ るては，オーム解析などの包括的な手法が威力を発（ A L P ）， C D 3 9 ， C D 7 3 ， E c t o n u c l e o t i d e

亜鉛欠乏状態では細胞外 ATP の分解とアデノシENPP1 や ENPP3 では，両 ZNT 複合体を欠損さ揮するであろう．

pyrophosphatase/phosphodiesterase（ENPP））

ンの産生が著しく弱まっていることを明らかにしのうち，三つ（ALP，CD73，ENPP）が亜鉛を含た．この結果は，亜鉛欠乏が細胞外 ATP 代謝を有する酵素であることが結晶構造などにより明ら減弱させ，P2X や P2Y 受容体を介したシグナル10 ～ 15）．すなわち，細胞外 ATPが強まる一方，アデノシンによる P1 受容体を介代謝に関連する酵素には亜鉛要求性酵素が集中ししたシグナルが弱まることによって亜鉛欠乏症のており，亜鉛欠乏時にはこれらの代謝が弱まり，多様な症状を引き起こすという仮説を支持する 9）．

さらにその影響により炎症などのシグナルが活性

本解析により，これまで細胞外 ATP 代謝の異常化され，亜鉛欠乏症で見られる多様な症状を引きによって引き起こされることが明らかとなってい起こしているのではないかと考えられた（図１）．

た種々の症状に亜鉛栄養が大きく関与しているここの仮説を検証するために，筆者らは実際に細とが示唆された 9）．今後は，多様な亜鉛欠乏症の胞やラットを亜鉛欠乏状態に陥らせ，細胞中また個々の症例において，どの程度細胞外 ATP 代謝は血漿中の各酵素活性が変化するか解析した．通の遅延が影響を及ぼしているのかについて，解明

常の亜鉛状態と比較すると，亜鉛欠乏状態ではを進めていきたい．

かとされていた26 ―― 亜鉛栄養治療◆文9巻1号

201827

献 ― ――――――――

１）Kambe T, Tsuji T, Hashimoto A, et al：The
Physiological, Biochemical, and Molecular Roles ofZinc Transporters in Zinc Homeostasis andMetabolism. Physiol. Rev . 95：749-784，2015

Regulation of extracellular ATP metabolism by zinc-requiring ectoenzymes（CD73）：Insights into the regulation of purinergic
signaling. Structure . 20：2161-2173，201213）Kato K, Nishimasu H, Okudaira S, et al：Crystal
structure of Enpp1, an extracellular glycoprotein２）Zhou J R, Fordyce E J, Raboy V, et al：

involved in bone mineralization and insulin

Reduction of phytic acid in soybean products

signaling. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109：16876-

improves zinc bioavailability in rats. J. Nutr . 122：2466-2473，1992

81，201214）Gorelik A, Randriamihaja A, Illes K, et al：３）Krebs N F：Overview of Zinc Absorption andStructural basis for nucleotide recognition by theExcretion in the Human Gastrointestinal Tract. J.

ectoenzyme CD203c. FEBS J. 285：2481–2494，

Nutr . 130：1374S-1377S，2000
４）Bel-Serrat S, Stammers A L, Warthon-Medina, etal：Factors that affect zinc bioavailability andlosses in adult and elderly populations. Nutr. Rev .
72：334-352，2014５）Hambidge M：Human zinc deficiency. J. Nutr .
130：1344S-1349S，2000
６）Hara T, Takeda T, aki Takagishi T, et al：
Physiological roles of zinc transporters: molecularand genetic importance in zinc homeostasis. J.
Physiol. Sci . 67：283-301，2017
７）Andreini C, Banci L, Bertini I, et al：Counting
the zinc-proteins encoded in the human genome. J.
Proteome Res. 5：196-201，2006
８）Andreini C, and Bertini, I：A bioinformatics
view of zinc enzymes. J. Inorg. Biochem . 111：150156，2012９）Takeda T, Miyazaki S, Kobayashi M, et al：Zincdeficiency causes delayed ATP clearance andadenosine generation in rats and cell culture
models. Commun. Biol . 1：113，201810）Bobyr E, Lassila J K, Wiersma-Koch H I, et al：High-resolution analysis of Zn2+ coordination in thealkaline phosphatase superfamily by EXAFS andx-ray crystallography. J. Mol. Biol . 415：102-117，201211）Ghosh K, Mazumder Tagore D, Anumula R, etal：Crystal structure of rat intestinal alkalinephosphatase--role of crown domain in mammalianalkaline phosphatases. J. Struct. Biol . 184：182-92，
201312）Knapp K, Zebisch M, Pippel J, et al：Crystal
structure of the human ecto-5′-nucleotidase

201815）Döhler C, Zebisch M, and Sträter, N：Crystal
structure and substrate binding mode ofectonucleotide phosphodiesterase/pyrophosphatase-3（NPP3）. Sci. Rep. 8：10874，201816）Suzuki T, Ishihara K, Migaki H, et al：Zinc

Taka-aki Takeda and Taiho Kambe
Graduate School of Biostudies, Kyoto University

Zinc is a trace element indispensable for human health. Its deficiency causes various symptoms
such as dermatitis, alopecia, anemia, taste disorder, as well as chronic inflammation. However, it isunclear how the symptoms of zinc deficiency occur. Here, we have overviewed the importance of zincin human physiology and the mechanism underlying the functioning of the zinc-requiring ectoenzymes,
and discussed our recent study that reveals the close relationship between zinc metabolism andextracellular ATP metabolism. Our study showed that zinc deficiency leads to delayed ATP clearance
and adenosine generation and probably affects purinergic signaling, which may explain why humans
show diverse symptoms of zinc deficiency. Moreover, we have briefly reviewed the activation
mechanism of several zinc-requiring ectoenzymes in the early secretory pathway, and particularly
focused on their involvement in extracellular ATP metabolism.

transporters, ZnT5 and ZnT7, are required for theactivation of alkaline phosphatases, zinc-requiring
enzymes that are glycosylphosphatidylinositolanchored to the cytoplasmic membrane. J. Biol.

Keyword：zinc-requiring enzyme, extracellular ATP metabolism, zinc deficiency

Chem. 280：637-643，2005
17）Suzuki T, Ishihara K, Migaki H, et al：Twodifferent zinc transport complexes of cation
diffusion facilitator proteins localized in thesecretory pathway operate to activate alkaline
phosphatases in vertebrate cells. J. Biol. Chem.
280：30956-30962，2005
18）Fukunaka A, Suzuki T, Kurokawa Y, et al：

Address for correspondence
Kitashirakawa-Oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan
E-mail address
kambe1@kais.kyoto-u.ac.jp

Demonstration and characterization of theheterodimerization of ZnT5 and ZnT6 in the earlysecretory pathway. J. Biol. Chem. 284：3079830806，200919）Fukunaka A, Kurokawa Y, Teranishi F, et al：Tissue nonspecific alkaline phosphatase is activated
via a two-step mechanism by zinc transportcomplexes in the early secretory pathway. J. Biol.
Chem. 286：16363-16373，201120）Tsuji T, Kurokawa Y, Chiche J, et al：Dissecting
the process of activation of cancer-promoting zincrequiring ectoenzymes by zinc metalation
mediated by ZNT transporters. J. Biol. Chem.
292：2159-2173，2017◆武田貴成略歴2015 年
2017 年

京都工芸繊維大学卒業（農学）京都大学大学院生命科学研究科修士課程修了（生命科学）
博士課程進学，日本学術振興会特別研究員（DC1）