67（27）研究

亜鉛トランスポーター ZIP4を標的とした亜鉛栄養の改善
京都大学大学院生命科学研究科

要橋本彩子

神戸大朋旨

近年，本邦においても女性や高齢者を中心に潜在的な亜鉛欠乏が危惧されはじめている．亜鉛が欠乏すると味覚障害や皮膚炎をはじめとして多岐に渡る症状がもたらされ，QOL（生活の質）を低下させる要因となる．そのため，超高齢社会を迎えた本邦では，亜鉛欠乏の予防は，特に重要な課題の一つとなっている．亜鉛の吸収率は約 30%と言われるが，亜鉛の摂取量が増加すると，その吸収率は低下することが知られており，亜鉛欠乏の予防には，消化管における亜鉛の吸収効率を高めることが有効であると考えられる．消化管での亜鉛吸収には亜鉛トランスポーター ZIP4 が必須の機能を果たすことが知られており，また，ZIP4 の発現は亜鉛により制御されることが，これまでの解析から明らかになっている．今回，消化管での亜鉛吸収機構についての概説ならびに，ZIP4 に着目した亜鉛栄養改善のためのアプローチについて，著者らの研究グループで得られた知見を中心に紹介する．

る3）．そのため，亜鉛欠乏の予防には，亜鉛摂取はじめに量を増加させるだけでなく消化管における亜鉛の亜鉛は成人の生体内に約 2 g 存在する必須の栄吸収効率を高めることが有効であると考えられ養素である1）．食物から摂取した亜鉛は，小腸のる．生体内の亜鉛ホメオスタシスは，亜鉛トラン上部で吸収された後，筋肉や骨を中心に全身に広スポーターにより維持されている4）．亜鉛トラン

く分布し，種々の生理機能を果たす．亜鉛はタン

スポーターは，細胞外または細胞小器官から細胞パク質と結合してその生理機能を発揮するが，そ質内へ亜鉛を輸送する Zrt-, Irt-like protein（ZIP）の亜鉛との結合性を有するタンパク質の数はと， そ の 逆 の 方 向 に 亜 鉛 を 輸 送 す る Zn

3000 にも達しており，この事実は、亜鉛の多様transporter（ZnT）に分類され，哺乳類では 20 種2）な生理機能を端的に示している ．したがって，類以上が存在し，それぞれ組織や細胞特異的に発亜鉛欠乏の症状としては，味覚障害，皮膚炎，脱現して機能する4）．消化管での亜鉛の吸収におい毛，免疫機能低下，成長遅延，下痢，食欲不振なては，管腔側から食物由来の亜鉛を腸管上皮細胞どの非常に多くの症状が知られる．また，高齢に内に輸送する ZIP4 と，腸管上皮細胞内から血中なるに伴い，血清亜鉛値が低下することが示され側 に 亜 鉛 を 輸 送 す る ZnT1 が 機 能 す る． 特 にているため，特に高齢者における亜鉛欠乏には注ZIP4 は 2002 年に先天性亜鉛欠乏症・腸性肢端皮意が必要である．現在，亜鉛欠乏の予防は重要な膚炎の原因遺伝子であると同定され，消化管での課題の一つにあげられる．亜鉛の消化管における亜鉛吸収における重要性が示されてきた5,6）．しか吸収効率は約 30% といわれるが，亜鉛の摂取量し，これまでに ZIP4 を標的とし，亜鉛吸収を高が増加すると，その効率は低下することが知られめるというアプローチは報告がない．

68（28）―― 亜鉛栄養治療

6巻2号

2016

69（29）

本稿では，これまでに明らかにされている消化るため，吸収過程における酸化還元の反応過程は管での亜鉛吸収の調節機構と，その機構に着目し必要としない．この亜鉛吸収の第一段階である腸た亜鉛栄養の改善アプローチについて概説したい．

管上皮細胞の頂端膜での亜鉛取り込みに機能する

腸管における ZIP4 タンパク質の発現は，亜鉛ZIP4 の発現制御が，亜鉛吸収において最も重要状態により制御されることが報告されている．亜な要素となる．

鉛欠乏時には腸管上皮細胞の管腔側にある頂端膜

１．腸管における亜鉛の吸収機構を受け，約半分のサイズの断片が検出されること

２．ZIP4 の発現制御機構が報告がされている18）．しかし，このプロセシングについては，その分子機構や生理的意義はまだ明らかにされていない．

ZIP4 は，2002 年に重篤な亜鉛欠乏症状をもたに蓄積するが，そこに十分量の亜鉛を投与すると，亜鉛は 2 価の陽イオンで安定して存在するといら す 先 天 性 亜 鉛 欠 乏 症， 腸 性 肢 端 皮 膚 炎

そのタンパク質発現レベルは低下する11）．In vivo

う特徴を有していることから，亜鉛の腸管での吸acrodermatitis enteropathica（AE）の原因遺伝子における ZIP4 の発現制御に関する解析は進んで収過程は，同じ必須微量元素である鉄や銅の吸収として同定され，これまでに AE の患者からは，おらず，その情報は不足しているが，我々は，ラッ

我々は，前述の ZIP4 の機能と発現調節に着目過程とは異なる．鉄や銅の場合，食物中ではそれZIP4 のミスセンス変異，ナンセンス変異，フレートを亜鉛欠乏食や低亜鉛食で飼育すると 1 ～ 2 日して，ZIP4 の発現量を増加させることにより亜ぞれ酸化型で存在するが，腸管上皮細胞内に取りムシフト，遺伝子欠損など 30 種以上の変異が報という早い段階で，腸管での ZIP4 タンパク質の鉛吸収が向上するという仮説のもと，このような

5,6,9）

12）

３．亜鉛トランスポーター ZIP4 を標的とした亜鉛吸収効率向上の試み込まれるためには，それぞれが酸化型から還元型告されている．一方，マウスの解析からは，発現が増加することを見出している ．一方，培効果を有する食品因子を探索した（図２A）．まず，に変化する必要がある（図 1）．これは，腸管上皮

2012 年に ZIP4 コンディショナルノックアウトマ

養 細 胞 を 用 い た in vitro で の 先 行 研 究 に よ り，腸管上皮細胞と同様に，亜鉛状態により ZIP4 の細胞の頂端膜に存在して鉄や銅の取り込みに機能ウスが作製され，消化管特異的に ZIP4 を消失さ

ZIP4 の発現制御機構の一端が明らかにされてい発現を制御する培養細胞としてマウス Hepa 細胞

す る ト ラ ン ス ポ ー タ ー の divalent metal

せたマウスは過剰量の亜鉛投与なしでは生育するる11,13-21）．ZIP4 の発現は，亜鉛状態により転写後を見出した．そして，Hepa 細胞の培養液に 40010）

transporter 1（ DMT1）やcopper transporter 1

ことが出来ないことが示された ．これらの AEの複数の段階で制御されており，亜鉛欠乏時にはを超える食品由来の抽出液をそれぞれ添加し，（CTR1）が，還元型の鉄または銅を輸送するため患者に認められる症状やノックアウトマウスの表

ZIP4 mRNA が安定化し，翻訳が促進されると考ZIP4 の発現量の変化を評価した結果，複数の大である ．一方，亜鉛は，2 価の亜鉛イオンを輸現型から，ZIP4 は哺乳類における消化管での亜えられている．また，亜鉛が十分存在する時には，豆由来の抽出液に ZIP4 の発現量を増加させる効

送する ZIP4 により腸管上皮細胞内に取り込まれ鉛吸収過程に必須であることが示されている．

ZIP4 は細胞表面から速やかにエンドサイトーシ果を見出した
（図２B）
．

7,8）

スされ，分解を受けるが，亜鉛欠乏になると，こZIP4 mRNA の発現量の変化や ZIP4 タンパクのエンドサイトーシスが抑制され，分解が停止す質の分解機構への影響に焦点を絞り，この大豆抽

11）

図1

る ．その結果，ZIP4 は細胞膜上に蓄積し，亜出物が ZIP4 の発現量を増加させる機構を解析し鉛の取り込みに働くと考えられている．また，長た結果，大豆抽出物は ZIP4 の転写レベルでの発期間の亜鉛欠乏にさらされると，細胞外に存在す現には影響せず，細胞表面に存在する ZIP4 のエ

る ZIP4 の長い N 末端領域が切断（プロセシング）

ンドサイトーシスを抑制して，その分解を停止さ消化管における鉄，亜鉛，銅の吸収機構

消化管での鉄，銅，亜鉛の吸収には，鉄では DMT1 と Ferroportin が，銅では CTR1 と ATPase, Cu transporting, alphapolypeptide（ATP7A）が，亜鉛では ZIP4 と ZnT1 が主要な働きを担う．鉄や銅は食物中では 3 価鉄と 2 価銅の酸化型で存在しており，消化管で吸収される際に，腸管上皮細胞の頂端膜に存在する還元酵素により 2 価鉄と 1 価銅にそれぞれ還元された後，DMT1 と CTR1 により取り込まれる．その後，2 価鉄は基底膜側に存在する Ferroportin により門脈側に輸送される．1 価銅は ATP7A により小胞内に取り込まれ，エキソサイトーシスにより門脈側に輸送されると考えられている．亜鉛は 2 価で安定に存在するため，酸化還元反応を介さず，ZIP4 によって腸管上皮細胞内に取り込まれ，基底膜側に存在する ZnT1 により門脈側に輸送される．

図２

ZIP4 を標的とした亜鉛吸収促進因子のスクリーニング

A：スクリーニングのモデル図．ZIP4 の発現量を増加させる食品因子は，細胞内への亜鉛の取り込みを増加させる．
B：ZIP4 タンパク質の発現量を増加させる活性の有無について評価した結果の一例．実際には，400 を超える食品抽出物について評価した．複数の大豆抽出物に ZIP4 の発現量を増加させる効果を見出した．

70（30）―― 亜鉛栄養治療

6巻2号

201671（31）せることにより，細胞表面での ZIP4 蓄積量を増加させていることを突きとめた．

おわりに◆文献 ― ――――――――

1）Kambe T, Hashimoto A, Fujimoto S：Current13）Dufner-Beattie J, Wang F, Kuo YM, et al：The

understanding of ZIP and ZnT zinc transporters inacrodermatitis enteropathica gene ZIP4 encodes ahuman health and diseases. Cell Mol Life Sci 71：

tissue-specific, zinc-regulated zinc transporter in

3281-3295, 2014

mice. J Biol Chem 278：33474-33481, 2003

この ZIP4 の発現量を増加させる活性成分につ超高齢社会を迎えた本邦にとって，亜鉛欠乏のいて単離・精製を進め，得られた単一化合物の構予防対策は無視できない問題である．これまでに造を解析した結果，活性成分としてソヤサポニンも亜鉛栄養を改善するための試みはされている

Bb を同定した．ソヤサポニン Bb は，ZIP4 の発が，ZIP4 を標的とした亜鉛吸収効率向上の試み現量を増加させると同時に，実際に細胞内亜鉛レは本解析が初めての例となる．本稿で紹介したよ3）Krebs NF：Overview of zinc absorption andtransport activity, localization and zinc-responsive

うな ZIP4-targeting 食品が今後，亜鉛欠乏予防のexcretion in the human gastrointestinal tract. J

trafficking of the mouse ZIP4 zinc transporter.

ベルの指標となるメタロチオネインの mRNA 発22）

現量を増加させる効果を有していた（図３A，B） ．

新たなアプローチにつながるかもしれない．今後，これらの結果により，ソヤサポニン Bb のような亜鉛含量の多い食材と亜鉛吸収を高める食材を組

ZIP4 の発現量を増加させる食品因子には，亜鉛吸み合わせることにより，効率的な亜鉛欠乏の予防収を高める効果が期待される．につながる食の提案が期待される．

2）Maret W, Li Y：Coordination dynamics of zinc inproteins. Chem Rev 109：4682-4707, 2009

Nutr 130：1374S-1377S, 2000
physiological, biochemical, and molecular roles of

The adaptive response to dietary zinc in micezinc transporters in zinc homeostasis andinvolves the differential cellular localization andmetabolism. Physiol Rev 95：749-784, 2015

zinc regulation of the zinc transporters ZIP4 andenteropathica. Nat Genet 31：239-240, 2002
6）Wang K, Zhou B, Kuo YM, et al：A novel
member of a zinc transporter family is defective inacrodermatitis enteropathica. Am J Hum Genet
71：66-73, 2002

ZIP5. J Biol Chem 279：49082-49090, 200416）Kim BE, Wang F, Dufner-Beattie J, et al：Zn2+stimulated endocytosis of the mZIP4 zinctransporter regulates its location at the plasma
membrane. J Biol Chem 279：4523-4530, 2004
17）Mao X, Kim BE, Wang F, et al：A histidine-richcluster mediates the ubiquitination and degradation

7）De Domenico I, McVey Ward D, Kaplan J：of the human zinc transporter, hZIP4, and protects

Regulation of iron acquisition and storage：against zinc cytotoxicity. J Biol Chem 282：6992-

consequences for iron-linked disorders. Nat Rev
Mol Cell Biol 9：72-81. 2008

A：ソヤサポニン Bb が ZIP4 タンパク質の発現量を変化させることを示した評価結果．
B：ソヤサポニン Bb が細胞内亜鉛レベルを増加させることを示した評価結果．細胞内亜鉛量を反映するメタロチオネイン（Mt1）の mRNA の発現量を定量している．

Hum Mol Genet 13：563-571, 2004
15）Dufner-Beattie J, Kuo YM, Gitschier J, et al：of SLC39A4, a gene involved in acrodermatitis

ソヤサポニン Bb は ZIP4 の発現量ならびに細胞内亜鉛レベルを増加させる

Acrodermatitis enteropathica mutations affect4）Kambe T, Tsuji T, Hashimoto A, et al：The5）Kury S, Dreno B, Bezieau S, et al：Identification

図３14）Wang F, Kim BE, Dufner-Beattie J, et al：7000, 2007
18）Kambe T, Andrews GK：Novel proteolytic8）Kim BE, Nevitt T, Thiele DJ：Mechanisms forprocessing of the ectodomain of the zinccopper acquisition, distribution and regulation. Nat

transporter ZIP4 (SLC39A4) during zinc deficiency

Chem Biol 4：176-185, 2008

is inhibited by acrodermatitis enteropathica9）Schmitt S, Kury S, Giraud M, et al：An update on
mutations of the SLC39A4 gene in acrodermatitis
enteropathica. Hum Mutat 30：926-933, 2009

mutations. Mol Cell Biol 29：129-139, 200919）Liuzzi JP, Guo L, Chang SM, et al：Kruppel-likefactor 4 regulates adaptive expression of the zinc10）Geiser J, Venken KJ, De Lisle RC, et al：Atransporter Zip4 in mouse small intestine. Am Jmouse model of acrodermatitis enteropathica：loss

Physiol Gastrointest Liver Physiol 296：G517-523,of intestine zinc transporter ZIP4 (Slc39a4) disrupts
the stem cell niche and intestine integrity. PLoSGenet 8：e1002766, 201211）Weaver BP, Dufner-Beattie J, Kambe T, et al：
Novel zinc-responsive post-transcriptional

200920）Antala S, Dempski RE：The human ZIP4transporter has two distinct binding affinities andmediates transport of multiple transition metals.
Biochemistry 51：963-973, 2012mechanisms reciprocally regulate expression of the21）Antala S, Ovchinnikov S, Kamisetty H, et al：mouse Slc39a4 and Slc39a5 zinc transporters (Zip4

Computation and Functional Studies Provide aand Zip5). Biol Chem 388：1301-1312, 2007

Model for the Structure of the Zinc Transporter12）Hashimoto A, Nakagawa M, Tsujimura N, ethZIP4. J Biol Chem 290：17796-17805, 2015

al：Properties of Zip4 accumulation during zinc22）Hashimoto A, Ohkura K, Takahashi M, et al：

deficiency and its usefulness to evaluate zinc

Soybean extracts increase cell surface ZIP4

status：A study of the effects of zinc deficiency

abundance and cellular zinc levels：a potential

during lactation. Am J Physiol Regul Integr Compnovel strategy to enhance zinc absorption by ZIP4-

Physiol：310：R459-468, 2016

targeting. Biochem J 472：183-193, 2015

72（32）―― 亜鉛栄養治療6巻2号

2016

英文抄録
Ayako Hashimoto
Zinc has essential physiological functions as a structural, catalytic and signaling component indiverse biological processes. Thus, zinc deficiency causes many symptoms including taste disorder,
dermatitis, immune dysfunction and growth retardation. To improve human health, preventing zinc
deficiency is of importance. However, absorption of dietary zinc in the small intestine is estimated to
be about 30% in normal conditions, and food-based strategies enabling efficient zinc absorption fromthe diet should be extensively investigated. In the intestinal epithelial cell, zinc transporter ZIP4,
which accumulates at the apical membrane during zinc deficiency, is the most important for zincabsorption. Over-expression of ZIP4 increases the cellular zinc levels, suggesting that food factors
increasing apical-surface ZIP4 abundance could be an enhancer for zinc absorption. We explored suchfood factors and identified an active component from soybean extracts. ZIP4-targeting may become anovel strategy to enhance zinc absorption.

◆橋本彩子略歴
2011 年		

京都女子大学家政学部食物栄養学科卒業		

京都大学大学院生命科学研究科博士前期課程入学

2013 年		

同研究科博士前期課程修了、同研究科博士後期課程入学

2014 年		

日本学術振興会特別研究員 DC22016 年		京都大学大学院生命科学研究科博士後期課程修了		

静岡県立大学食品栄養科学部助教

博士（生命科学）