課題番号：26指106

研究課題名：肝臓における代謝シグナルの解析と創薬標的の探索

主任研究者名 ：酒井 真志人（平成26-27年）・ 満島勝（平成28年）

分担研究者名 ：該当なし
協力研究者：松本 道宏キーワード：糖尿病・脂肪肝・インスリン抵抗性・転写・エピジェネティクス

研究成果

：

２型糖尿病の患者は日本を含め世界的に急増しており、その治療法の開発、創薬は社会的に大きなニーズとなっている。肝臓は筋肉、脂肪組織と共に、糖・脂質代謝の中心臓器であり、その機能異常
は他臓器との連関により、様々な病態を引きおこす。２型糖尿病の肝臓ではインスリン抵抗性により糖代謝異常を示すと共に、脂肪酸・中性脂肪合成に関する酵素群の発現が亢進することで、非アルコ
ール性脂肪肝（NASH）を誘発し、肝繊維化、肝硬変や発ガンのリスクが高まると考えられているが、その詳細な分子機構や脂肪肝自体が糖尿病の病態に与える効果については明らかにされていない。本
申請研究は、肝臓の脂肪酸・中性脂肪合成経路の２型糖尿病における病態生理学的な意義と、同経路の酵素群の転写のエピジェネティクス制御系を明らかにすることで、２型糖尿病の病態解明と新規創薬ターゲットの同定をめざすものである。それらを明らかにするために、我々は、①肝臓における脂肪酸・中性脂肪合成経路の役割の解明、②肝臓において摂食/摂食で制御される代謝調節機構を遺伝子発現調節メカニズムの解明の２つのアプローチより解析を試みた。

① 肝臓における脂肪酸・中性脂肪合成経路の役割の解明
肥満・糖尿病モデルマウスである ob/ob バックグラウンドを肝臓特異的 FAS 欠損マウスに導入し、ob/ob LFASKO マウスの作出を行った。本 ob/ob LFASKO は脂肪肝が改善されていたが、随時高血糖を呈した。血中インスリン値及びインスリン感受性には差が見られなかった。一方、ブドウ糖負荷試験により耐糖能を検討したところ、ob/ob LFASKO はコントロー
ルに比べ耐糖能の改善が見られた。つまり、ob/ob LFASKO マウスではインスリン感受性とは無関係に摂食時における高血糖と、絶食時における耐糖能の改善が見られた。このことは、肝臓の FAS がインスリン作用とは別に血糖調節に重要であることを意味している。
まず、絶食時における耐糖能の改善効果について検討を行った。絶食時には血糖を維持するために肝臓で糖新生が起こるが、ob/ob LFASKO は ob/ob 対照群に比べ糖新生基質であるピルビン酸やグリセロール負荷時の血糖上昇が抑制されていた。実際に、糖新生系酵素である G6Pase の発現の減少が見られた。同時に、絶食時における肝臓のメタボローム解析を行ったところ、ob/ob LFASKO では糖新生経路の代謝産物の減少を認めた。さらに、アセチル
CoA の減少が見られたことから、その原因の一つとして脂肪酸β酸化の関与について関連酵
素の遺伝子発現を調べた結果、PPARα、Cpt1α、Acox1 など複数の遺伝子発現の減少が見られた。これまでに、FAS が PPARαの内因性リガンドの合成に必要との報告があることから、
FAS の欠損が PPARαを介した脂肪酸β酸化の抑制につながったと考えられる。実際、肝臓内の ATP/AMP 比が減少しており、糖新生の抑制効果として ATP 供給不足も一因と考えられた。一方、肝臓の糖取り込みについて検討を行ったところ、骨格筋では差が見られないが、肝糖取り込みの促進が見られた。その結果に一致して、糖取り込みの律速酵素である
Glucokinae の発現上昇が見られた。以上の結果より、肝臓での FAS の欠損は絶食時において、①糖新生系酵素の発現および細胞内 ATP の減少による糖新生の抑制、②Glucokinase の発現上昇による肝糖取り込みの促進の二面性により耐糖能の改善が見られると考えられた。
次に随時高血糖について検討を行った。メタボローム解析により ob/ob LFASKO の肝臓では解糖系においてグルコースからフルクトース 6 リン酸までの代謝産物が増え、フルクトー
ス 1,6-2 リン酸以下の代謝産物が減少していた。つまり、解糖系が抑制されていると考えられた。FAS はクエン酸を原料として脂肪酸合成を行うが、メタボローム解析より ob/ob
LFASKO では肝臓のクエン酸量は上昇していた。クエン酸は解糖系において上流の PFK を
アロステリックに阻害することが知られており、FAS 欠損による解糖系抑制の一因と考えられた。一方、解糖系に使われないグルコースはグリコーゲンとして蓄えられる。実際 ob/ob
LFASKO では食後のグリコーゲン蓄積が有意に増加しており、グリコーゲン蓄積が上限に達するタイミングに一致して高血糖を来たすことが分かった。実際、ob/ob LFASKO の肝臓にグリコーゲン合成酵素を過剰発現させると絶食時において見られていた耐糖能が悪化することが分かった。つまり、ob/ob LFASKO では肝臓での糖利用・グリコーゲン蓄積の容量を超えることで、肝糖取り込みが抑制され高血糖を示していると考えられた。
また、肝臓の FAS 欠損が NASH の進展に対して与える影響について検討した。Ob/ob
LFASKO にフルクトース、トランス脂肪酸、コレステロールを多く含む NASH 食を与えて飼育したところ、通常食同様に ob/ob LFASKO では脂肪肝が顕著に抑制されていたが、随時の高血糖は呈さなかった。さらに、ob/ob LFASKO では ob/ob コントロールに比べ肝臓での炎症関連遺伝子（TNFαや F4/80）や繊維化マーカー（Col1a1 や SMA）の発現が減少し、実際のコラーゲン沈着も減少しており、血中肝逸脱酵素（AST や ALT）の減少も見られた。
以上の研究結果から、肥満・糖尿病の肝臓において起こる FAS の発現増加は、グルコースを中性脂肪の形で蓄積させ脂肪肝を悪化させる反面、血糖値を絶食時には低くなり過ぎない
ように、摂食時には高くなり過ぎないようにし、糖代謝の恒常性を維持するために起こる、
つまり“緩衝効果”と推察された。

② 肝臓における摂食依存的な遺伝子調節メカニズムの解明
摂食/絶食における代謝調節シグナルが遺伝子転写を如何に制御するかを明らかにするため、当研究部で同定した①CITED2-GCN5 系によるエピジェネティクス制御機構の解析、②
CITED2-GCN5 系の下流で発現が誘導されるヒストンメチル化酵素 SetU の代謝制御機構に着目して解析を行った。
1) CITED2-GCN5 系によるエピジェネティクス制御機構の解析
当研究部では転写共役因子 CITED2 が絶食時において発現誘導され、アセチル化酵素
GCN5 と複合体を形成することが、絶食応答性遺伝子転写を活性化する PGC-1αの活性化を通して糖新生を促進することを明らかにしてきた（Sakai et al., Nat. Med., 2012）。本研究ではまず、GCN5-CITED2 の複合体の機能について検討を行った。はじめに、GCN5 のヒス
トンアセチル化酵素（HAT）活性が、cAMP（絶食）のシグナルで変化するかを検討したところ、GCN5 の HAT 活性は cAMP で促進し、その効果は CITED2 と共発現することで亢進した。つまり、絶食時において CITED2-GCN5 はヒストンアセチル化酵素として機能していることを示している。実際に、cAMP による糖新生系酵素の発現誘導は CITED2、GCN5 のノックダウンで減少するが、この時各プロモーターのヒストン H3K9 のアセチル化が減少していた。その結果に一致して、GCN5 が cAMP 刺激依存的にそれらのプロモーター上にリクルートされていることが分かった。そこで、GCN5-CITED2 と、PKA について検討を行った
ところ、①CITED2 依存的に GCN5-CITED2-PKA の複合体（以後モジュールと記載）が形成されること、②本モジュール内で GCN5 の 275 番目のセリンが PKA によって直接リン酸化されること、③本リン酸化を模擬した変異体は野生型に比べ、HAT としての活性が高く、PGC-1αに対するアセチル化活性が低いこと、④逆に本リン酸化ができない変異体は HAT の活性が低いことを明らかにした。実際マウスの肝臓においても絶食時において GCN5 の 275
番目のセリンのリン酸化が検出され、摂食時にはこれが弱まることも見出した。つまり、摂食/絶食のサイクルにおいて、GCN5-CITED2-PKA モジュールが分子スイッチとしてエピジェネティック制御を調節していることを明らかにした。更に、糖尿病肥満モデルマウスである db/db マウスでは①この GCN5 のリン酸化が亢進しており、②リン酸化できない変異体を発現すると db/db マウスの血糖が低下すること、③CITED2 の発現抑制によりそのリン酸化
及び血糖の低下が見られることを明らかにした。以上の結果は、GCN5-CITED2-PKA シグ
ナリングモジュールが、糖尿病創薬の標的としての可能性を示唆するものである。
2) CITED2-GCN5 系の下流で発現が誘導されるヒストンメチル化酵素 SetU の代謝制御機構の解析
先行実験のマイクロアレイの結果より CITED2 依存的に cAMP 刺激で誘導されるヒストン
メチル化酵素 SetU を同定し、その発現抑制の実験から本酵素が糖新生系酵素の発現制御に必要な分子であることを明らかにしてきた。本研究では、SetU による制御機構を詳細に検討した。まず、SetU 結合因子の探索を行い、脱アセチル化酵素 Sirt1 及びその基質である
PGC-1αとの相互作用が確認できた。Sirt1 は PGC-1αを脱アセチル化して活性化することが知られていることから、SetU の効果を検討したところ、①SetU の強発現で PGC-1αのアセチル化が減少し、発現抑制により増加すること、②SetU の強発現が、Sirt1 と PGC-1αの相互作用を強めること、③SetU を発現させることで、Sirt1 のヒストン脱アセチル化酵素活性が亢進することを明らかにした。また、それらの効果はメチル化酵素活性のない変異体で強いことが分かった。そこで SetU の基質として、糖新生制御に関与する分子を調べたが、いずれにおいてもメチル化を検出できなかったが、in vitro において自己メチル化する結果を得た。この自己メチル化反応は活性型 PKA 存在下で消失したことから、cAMP-PKA シグナルによって、SetU 活性が制御されていることが示唆された。つまり、絶食時に誘導された SetU
は PKA によってそのメチル化酵素活性が抑制されており、その状態の SetU は Sirt1-PGC-1αの相互作用を促進することで PGC-1αの脱アセチル化/活性化を亢進して糖新生を促進する“ポジティブフィードバック”として機能するが、摂食時に PKA 活性が減少すると、メチル化酵素活性が誘導され、抑制的に働く分子スイッチとして機能していることが示唆された。
また、マイクロアレイの結果より、SetU 依存的に変化する遺伝子として、複数の脂肪酸/コ
レステロール代謝遺伝子を見出している。このことは、SetU が糖代謝/脂質代謝に関わるヒストンメチル化酵素であることを示唆している。今後、SetU が糖代謝・脂質代謝のバランスを制御する分子スイッチである可能性について検討して行きたい。

Subject No.

：26S106

Title：Elucidation of the signaling mechanisms that control metabolism in liver andexamination of molecular targets for developing novel drugs

Researchers：Mashito Sakai (H26-27) / Masaru Mitsushima (H28)
Michihiro Matsumoto (Collaborator)

Key word：Diabetes mellitus/Hepatosteatosis/insulin resistance/transcription/epigenetics

Abstract： Since the proportion of population suffering from type 2 diabetes mellitus (T2DM)

is increasing all around the world, including in Japan, it has become extremely important todevelop novel therapies and drugs for treating T2DM. Liver, along with the muscles and adipose
tissue, is one of the main organs regulating systemic glucose and lipid metabolism. Since
individual organs connects with each other via nerve system or endocrine system, disorders inliver influence the systemic homeostasis. It is known that insulin resistance in liver results in an
increase in the expression of enzymes that regulate fatty acid (FA)/triglyceride (TG) metabolism.
This results in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) and increases the risk of developing hepatic
fibrosis, hepatocirrhosis, and/or hepatoma. However, the detailed molecular mechanisms, as wellas the effect of hepatic steatosis, on the pathogenesis of T2DM are largely unknown. In this study,
we focused on the pathophysiological significance and epigenetic regulation of the FA/TG
synthesis pathway in T2DM, in order to reveal the pathogenesis of T2DM and to develop novel
drugs to counteract it. For proving this, we adopted two approaches: (1) Clarification of thefunction of fatty acid synthase (FAS), which governs FA synthesis in liver, and (2) Elucidation of
the molecular mechanism that controls the feeding/fasting-induced responses in the liver.

1) Elucidation of the function of FAS in the liver
We generated the ob/ob LFASKO mice, which possessed the ob allele and lacked the FAS
allele (specifically in the liver), by crossing the ob/+ FASf/f mice with the ob/+ FASf/f Alb–Cre+/- mice.
Despite showing improvement in the symptoms of hepatic steatosis, the ob/ob LFASKO mice
showed higher blood glucose levels upon ad libitum feeding compared with the ob/ob FASf/f control
mice, without showing significant changes in the level of blood insulin or insulin sensitivity. In
contrast, the glucose tolerance test (GTT) revealed that the glucose tolerance of ob/ob LFASKO
mice improved compared to that of the control mice. These results suggested that FAS played an
important role in controlling glycemia; however, this role was independent of the action of insulin.
First, we investigated the improvement in glucose tolerance in the ob/ob LFASKO mice during
fasting. Under fasting conditions, the increase in glycemia observed after the administration of
pyruvate or glycerol, both of which are used as substrates for gluconeogenesis, was found to
decrease in the ob/ob LFASKO mice compared to that in the control mice. In concert with theseresults, the expression of the gluconeogenic gene G6Pase was also found to be suppressed in theliver of ob/ob LFASKO mice. In addition, metabolomic analysis revealed a decrease in the levels of
the metabolites involved in gluconeogenesis, along with a decrease in the level of acetyl-CoA in theliver of the fasted ob/ob LFASKO mice. We observed decreases in the expression of PPARα, Cpt1α,
and Acox1, all of which promoted β-oxidation of FA. This observation could explain the decrease
observed in the level of acetyl-CoA in the liver of ob/ob LFASKO mice. Concomitantly, we observed
Researchers には、分担研究者を記載する。

a decrease in the ATP:AMP ratio in the liver of ob/ob LFASKO mice, which explained the
reduction in gluconeogenesis. We also measured glucose uptake by liver and muscles using
2-deoxy-D-glucose (2DG). While the uptake of 2DG by muscles was insignificant, the uptake byliver was considerably higher in the ob/ob LFASKO mice compared to that in the control mice.
This observation was consistent with the observation of higher expression of Gck in the liver ofob/ob LFASKO mice. Altogether, we speculated that the following reasons may be responsible for
improved glucose tolerance in the ob/ob LFASKO mice during fasting: (1) reduced production ofhepatic glucose due to low expression of G6Pase and low level of ATP, and (2) enhanced glucose
uptake by liver due to the upregulation of Gck.
We next proceeded to investigate the reason behind elevation in the blood glucose levels upon

ad libitum feeding in the ob/ob LFASKO mice. Metabolomic analysis confirmed that theaccumulation of metabolites from glucose to F-6-P in the glycolytic pathway increased; however,those lying downstream of F-1,6-P showed decreased accumulation. This suggested suppression of
glycolysis. We noticed that citrate, which is known to inhibit PFK allosterically and is involved infatty acid biosynthesis mediated by FAS, accumulated in the liver of ob/ob LFASKO. Since theexcess glucose present in liver is stored in form of glycogen, we measured the amount of glycogenin the liver of ob/ob LFASKO mice post-re-feeding. As expected, during feeding, the amount ofglycogen in the liver of ob/ob LFASKO mice was significantly higher than that in the liver ofcontrol mice. Subsequently, the mice displayed hyperglycemia following glycogen overload. Thisobservation was supported by the observed overexpression of glycogen synthase in the liver ofob/ob LFASKO that resulted in the worsening of glucose tolerance. These results indicated thatlower utilization of glucose and higher storage of glycogen during ad libitum feeding in the liver ofob/ob LFASKO mice lead to hyperglycemia.
We further tested whether inhibition of FAS in liver affected the progression of NASH. Upon
feeding the NASH diet (which contained high fructose, trans-fatty acids, and cholesterol), an
improvement in hepatic steatosis in the ob/ob LFASKO mice was observed as compared to themice fed on normal chow diet. Additionally, the mice also presented normal blood glucose levels.
Furthermore, the expressions of inflammatory genes [such as TNF-α and F4/80] and fibrotic
marker genes [such as Col1A1 and SMA]; deposition of collagen in the liver; and the levels of AST
and ALT in the blood, were suppressed in the ob/ob LFASKO mice. These observations indicatedan improvement in liver function.
In conclusion, increased expression of FAS in the liver of obese and T2DM patients behaved
like a “buffer for glycemia” and worsened the symptoms of hepatic steatosis.

2) Elucidation of the molecular mechanism that regulates feeding/fasting-induced
responses in liver
We tried to elucidate the mechanism by which metabolic signals from the fasting-feeding
cycle control the expression of a variety of genes via epigenetic regulation by understanding: (1)the mechanisms by which the CITED2– GCN5 axis controls the epigenetic modifications of the
gluconeogenic genes, and (2) the mechanism by which SetU, a downstream target of
CITED2–GCN5, regulates the fasting response.
Researchers には、分担研究者を記載する。

1) Analysis of the mechanisms by which the CITED2–GCN5 axis controls the epigenetic
modifications of gluconeogenic genes
We firstly examined whether cAMP mediated signaling altered the histone acetyl transferase(HAT) activity of GCN5. As expected, the HAT activity of GCN5 increased upon stimulation withcAMP that was promoted by the co-expression of CITED2. Consistent with this result, we observedthat the recruitment of GCN5 on the promoters of gluconeogenic genes increased in the presence ofcAMP; however, the acetylation of histone H3K9 on these promoters decreased upon knockdown of
CITED2 or GCN5. These results implied the direct involvement of protein kinase A (PKA) in thefunctioning of CITED2–GCN5 complex. In order to prove the above, we obtained several evidences
which are listed as follows: (1) CITED2 is essential for GCN5–CITED2–PKA complex formation,(2) PKA phosphorylates serine 275 in GCN5 within the module, (3) the phosphomimetic mutant,
S275D, favors histone H3 as a substrate rather than PGC-1α, (4) the phosphodeficient mutant,
S275A, showed low HAT activity. We also observed the phosphorylation of serine 275 on GCN5
during fasting; however, it disappeared after re-feeding. This suggested that the module acted as amolecular switch for regulating the epigenetic modifications in response to fasting and feeding in
the liver. We further observed that the extent of phosphorylation on serine 275 in GCN5 (which
was dependent on CITED2) was considerably higher in the liver of ob/ob mice than that in theliver of the control db/m mice and that the overexpression of S275A in the liver of db/db mice could
lower blood glucose level. Altogether, we propose that the GCN5–CITED2–PKA signaling module
acted like a molecular switch and activated the gluconeogenic genes via epigenetic modifications
during fasting.
2) Analysis of the mechanism by which SetU regulates fasting response
We previously identified SetU, a putative histone methyl transferase (HMT), as one of thedownstream targets of the CITED2–GCN5 signaling module and confirmed that SetU played anessential role in the induction of gluconeogenic genes. We identified two novel SetU-interacting
proteins, Sirt1 and PGC-1α. Since Sirt1 has been reported to activate PGC-1α, we proceeded toevaluate the effect of SetU on Sirt1 and PGC-1α. We obtained the following evidences in support of
the above hypothesis: (1) overexpression of SetU decreased the acetylation of PGC1-α, whereas its
knockdown increased the acetylation, (2) overexpression of SetU promoted the interaction of Sirt1
with PGC-1α, (3) overexpression of SetU enhanced the histone de-acetylation activity of Sirt1.
Furthermore, these effects are stronger with a SetU mutant that lacks HMT activity. We also
found that SetU was capable of catalyzing auto-methylation in vitro, which was inhibited by theco-expression of the active form of PKA. We hypothesized that the HMT activity of SetU was
inhibited by the activation of PKA under fasting conditions that resulted in the upregulation of
Sirt1-mediated PGC-1α activation and induction of the gluconeogenic genes; however, this effectwas suppressed by reduced PKA activity flowed by auto-methylation under feeding conditions. We
also observed that SetU modulated lipid metabolism in addition to modulating gluconeogenesis.
Altogether, we propose that SetU acts as a molecular switch that regulates the homeostasis of
glucose as well as lipid metabolism.

Researchers には、分担研究者を記載する。

肝臓における代謝シグナルの解明と創薬標的の探索

26指106① 肝臓における脂肪酸・中性脂肪合成経路の役割の解明
ob/ob LKOマウスの耐糖能の改善とそのメカニズム
Glucose (mg dl–1)

ブドウ糖負荷試験

肝臓におけるグリコーゲン合成酵素(Gys2)の強発現でob/ob LKOマウスの耐糖能は増悪する
肝グリコーゲン量* ****** P < 0.01**

Time (min)

ブドウ糖負荷試験* P < 0.05, ** P < 0.01

* P < 0.05, ** P < 0.01

ob/ob LKOマウスの随時高血糖とそのメカニズム
随時血糖
**

**

Glucose (mg dl–1)

**

**

**

グリコーゲン酵素をob/ob LKOマウスの肝臓に発現させて、摂食時と同レベルのグリコーゲン蓄積を絶食時に誘導すると(左図)、
ブドウ糖負荷試験においてob/ob LKOマウスの耐糖能が増悪した(右図)。
Weeks** P < 0.01

ob/obマウスにおける肝臓特異的な脂肪酸合成酵素(FAS)の欠損は、絶食時には① 脂肪酸酸化の抑制によるATP量の減少と、それに伴いG6Pase発現の減少による糖新生が抑制される、②Glucokinase（Gck）の増加によって肝糖取り込み量が増加する
ことで血糖値を低くする効果を示す。一方、摂食時においては① 解糖系・脂肪酸合成経路での糖利用の低下により、余剰なグルコースはグリコーゲン合成経路に流入する。その結果、グリコーゲン蓄積の飽和をきたし、結果、肝臓における糖取り込みが抑制され、随時高血糖を呈することが明らかとなった(左図)。実際、グリコーゲン合成酵素の強発現によってグリコーゲンを肝臓に蓄積させると、絶食時におけるob/ob LKOマウスの耐糖能が増悪した（右図）。つまり、肝グリコーゲン量による肝糖取り込み調節機構が存在することを示唆している。肝臓におけるFASは、糖取り込みとグリコーゲン蓄積量のバランスを適切に保つことで、血糖値をある範囲で一定に保つ緩衝剤としての機能が示唆された。

26指106

肝臓における代謝シグナルの解明と創薬標的の探索① 肝臓における脂肪酸・中性脂肪合成経路の役割の解明
ob/obLKOマウスはNASH抵抗性を呈する

NASH/NAFLD進行に対するFAS阻害の効果

ob/ob

NAFLD

ob/ob LKO

正常肝

単純性脂
肪肝
・インスリン
抵抗性

NASH
・炎症
・線維化

？

肝硬変
肝癌

改善？

改善
改善
FAS L KO (阻害）増悪

Oil-Red-O
Sirius Red(tri-glyceride)(collagen)
24週間のNASH食飼育後の肝臓のH-E、Oil-Red-O、Sirius Redの各染色を行った。ob/obLKOマウスの肝臓では脂肪肝・炎症・線維化が軽減していた。
H-E

・随時血糖

・グリコーゲンの飽和・解糖系/TCA回路の低下
・β酸化によるATP供給不備

改善
・低グルコースの摂取
・PPARαアゴニスト

また、肝脂肪蓄積と、インスリン抵抗性、NASH/NAFLDで見られる肝硬変（肝繊維化・炎症反応）に与えるFAS欠損の効果を検討した。肥
満モデルob/obバックグラウンドでNASHを誘導する餌を与えた場合、通常食と異なり自由摂食時においても高血糖をきたさなかった。一方、通常食と同様に絶食時の耐糖能の改善が見られ、解剖所見より顕著な脂肪蓄積に減少、及び繊維化の減少、炎症の抑制、肝障害の低減が見られるなど、ob/bo FASLKOマウスで、脂肪肝、繊維化、炎症等NASHの病態が改善していた（左図）。
以上のことより、過食状態ではFASの欠損は肝臓のグルコース/グリコーゲンバランスの破綻に伴い随時高血糖を引き起こすが、脂肪肝を抑制し、インスリン抵抗性を改善する。肝臓の繊維化、炎症も抑制されており、肝保護効果があることが明らかになった（右図）。

26指106

肝臓における代謝シグナルの解明と創薬標的の探索② 肝臓における摂食依存的な遺伝子発現調節メカニズムの解明
GCN5-CITED2-PKAモジュールによる糖新生系酵素の遺伝子転写制御機構

Sakai M. et al., Nature Communications, 2016

摂食時において転写調節因子CITED2は発現が抑制されており、GCN5がPGC-1αと複合体を形成し、PGC-1aをアセチル化しその転写
コアクチベーション活性が抑制されている（左図：Feeding）。一方、絶食時においてグルカゴンが肝臓に作用するとCITED2の安定化と共に、GCN5-CITED2-PKAシグナリングモジュールが形成されると、GCN5によるPGC-1αのアセチル化が抑制され、PGC-1αが活性化する。
同時にモジュール内においてGCN5の275番目のセリンがPKAによってリン酸化をされると、GCN5の基質特異性が変化し、ヒストンをよりアセチル化しやすくなる（右図：Fasting）。つまり、糖新生系酵素の遺伝子プロモーター上でPGC-1αの活性化（転写活性化）とGCN5によるヒストンアセチル化（エピジェネティック）が協調的に起こることで、糖新生が効率よく誘導されていると考えられる。
これらの結果はGCN5-CITED2-PKAシグナリングモジュールが、摂食/絶食の代謝状態を切り替える分子スイッチの一つとして機能してことを示唆するものである。

26指106

肝臓における代謝シグナルの解明と創薬標的の探索② 肝臓における摂食依存的な遺伝子発現調節メカニズムの解明
SetUによる代謝遺伝子の転写制御機構 （仮説）
Fasting

Glucagon

Feeding

Glucagon

Me

P

SetU

X SetUP

PKA

X

Acetylation

Me

GCN5-CITED2-PKA

X Ac Ac

cAMP

cAMP

PKA

? Me

Ac

?

AcetylationMe

CITED2

PGC-1α coactivator activity

PGC-1α coactivator activity

Gluconeogenic genes

Gluconeogenic genes

Ac

GCN5

PGC-1αAc

PGC-1αAcetylation

Acetylation

前述のGCN5-CITED2-PKAモジュールが絶食応答の遺伝子転写を活性化し、誘導されたSetUはPKAによりリン酸化されることでメチル化酵素活性が抑制される。一方、この状態のSetUはSIRT1の活性化を介してPGC-1αの脱アセチル化、活性化を引起こし、絶食応答遺伝
子の発現を亢進させる（左図）。逆に、摂食によってグルカゴンｰPKAシグナルが低下するとSetUのメチル化酵素活性が回復し、Sirt1活性の低下によりPGC-1αの脱アセチル化反応が抑制される。同時にGCN5によるアセチル化反応が促進するため、PGC-1αによる絶食応答性の遺伝子転写が抑制される。つまり、PKAによるSetUのリン酸化が絶食/摂食応答を切り替えるスウィッチとして機能している可能性が示唆された。

研究発表及び特許取得報告について

課題番号：26指106

研究課題名：

肝臓における代謝シグナルの解析と創薬標的の探索

主任研究者名：酒井 真志人（平成26-27年）・満島 勝（平成28年）

論文発表
論文タイトル

著者

掲載誌

掲載号

Mashito Sakai,
TomokoTsujimura,
Takashi Yagi,
Hiroyuki Yano,
MasaruMitsushima,
The GCN5-CITED2-PKA signalling module
NatureHiroyukicontrols hepatic glucose metabolism
Unoki-Kubota, Communications
through a cAMP-induced substrate switch.
Yasushi
Kaburagi,
Hiroshi Inoue,
Yoshiaki Kido,
Masato Kasuga,
and Michihiro
Matsumoto.

年

7

2016

学会発表
タイトル
ヒストンアセチル化酵素GCN5による肝臓の糖 酒井
新生調節機構の解明
他
1. 肝臓の脂肪酸合成酵素は肥満・糖尿病の病態において肝脂肪蓄積の促進と高血糖の抑 八木制に寄与する

発表者

学会名

真志人

孝

他

場所

年月

第51回 日本臨床分東京
子医学会学術集会

2014年4月

第51回 日本臨床分東京
子医学会学術集会

2014年4月

CITED2-GCN5複合体による肝糖新生調節機構 酒井
の解明
他

真志人

第87回 日本内分泌福岡学会学術総会

2014年4月

ヒストンアセチル化酵素GCN5による肝臓の糖 酒井
新生調節機構の解明
他

真志人

第57回日本糖尿病
大阪
学会年次学術集会

2014年5月

第57回日本糖尿病
大阪
学会年次学術集会

2014年5月

第14回日本蛋白質横浜
科学学会年会

2014年6月

脂肪酸合成酵素FASの脂肪肝・インスリン抵
八木
抗性における機能の解析

孝

CITED2-GCN5複合体による肝糖新生調節機構 松本道宏

過栄養による脂肪肝・糖尿病における肝臓のde novo lipogenesis亢進の病態生理学的意
八木
義
の検討

孝

他

第1回 肝臓と糖尿東京病・代謝研究会

2014年7月

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

孝他

第19回アディポサ
イエンス・シンポ 大阪
ジウム

2014年8月

他

他

研究発表及び特許取得報告について

Histone acetyltransferase GCN5 regulates
Mashito Sakai
hepatic gluconeogenesis through他
CITED2-dependent substrate switch

9th Metabolic
Syndrome, Type
2 Diabetes and 京都
Atherosclerosis Congress(MSDA)

2014年9月

ヒストンアセチル化酵素GCN5による肝臓の糖 酒井
新生調節機構の解明
他

第29回日本糖尿病
東京
合併症学会

2014年10月

真志人

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

孝他

第29回日本糖尿病
東京
合併症学会

2014年10月

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

孝他

第35回日本肥満学
宮崎会

2014年10月

ヒストンアセチル化酵素GCN5はCITED2依存的に基質指向性を変化させ肝臓の糖新生を制御 松本する

道宏

第37回日本分子生
横浜
物学会

2014年11月

第26回分子糖尿病
高知学シンポジウム

2014年12月

第18回日本病態栄京都
養学年次学術集会

2015年1月

転写研究会・転写サイクル・転写代謝システム共催 冬 群馬の若手ワークショップ2015

2015年2月

第29回日本糖尿病・肥満動物学会 京都
年次学術集会2015年2月

第29回日本糖尿病・肥満動物学会 京都
年次学術集会2015年2月

第52回日本臨床分
京都子医学会学術集会

2015年4月

第52回日本臨床分
京都子医学会学術集会

2015年4月

第88回日本内分泌東京
学会学術総会2015年4月

第88回日本内分泌東京
学会学術総会2015年4月

第58回日本糖尿病
下関
学会年次学術集会

2015年5月

第58回日本糖尿病
下関
学会年次学術集会

2015年5月

CITED2-GCN5 複合体による肝糖新生調節機構 酒井
他の解明
肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

CITED2-GCN5複合体による肝糖新生制御機構 酒井の解明
他

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

他

真志人

孝

他

真志人

孝

他

CITED2-GCN5複合体による肝糖新生調節機構 酒井
の解明
他

真志人

CITED2-GCN5複合体による肝糖新生制御機構 酒井
の解明
他

真志人

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する
CITED2-GCN5複合体による肝糖新生調節機構 酒井の解明
他
肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する
CITED2-GCN5複合体による肝糖新生調節機構 酒井の解明
他
肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損はob/ob
マウスの脂肪肝と耐糖能を改善するが随時高 八木
血糖を惹起する

孝

他

真志人

孝

他

真志人

孝

他

研究発表及び特許取得報告について

松本

道宏

他

第58回日本糖尿病
下関
学会年次学術集会

2015年5月

絶食応答性エピゲノム修飾酵素による代謝調
松本
節機構の解明道宏

新学術領域 平成
他 27年度転写代謝シ 熊本
ステム班会議2015年6月

肝臓における糖代謝調節の分子機構

Histone acetyltransferase GCN5 regulates
Mashito Sakai
hepatic gluconeogenesis through CITED2他
dependent substrate switch

The 8th AsiaOceania
Conference on
obesity

The GCN5-CITED2-PKA module controls
glucose metabolism via a cAMP-induced
substrate switch

KEYSTONE SYMPOSIA
Diabetes: New
Insights into
京都
Molecular
Mechanisms andTherapeutic
Stratesies

2015年10月

第38回日本分子生他 物学会 第88日本生 兵庫
化学会

2015年12月

第27回分子糖尿病
東京
シンポジウム2015年12月

Mashito Sakai他

名古屋

2015年10月

GCN5-CITED2-PKAモジュールを介した肝糖新松本
生制御メカニズム

道宏

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損は食餌誘導性非アルコール性脂肪肝炎の進展を抑制す 八木る孝

GCN5-CITED2-PKAモジュールによる肝糖新生
酒井
制御機構

真志人

第4回AAA東京

2016年1月

脂肪肝合併2型糖尿病の病態における肝臓の八木
脂肪酸合成酵素の役割の解明

孝他

第19回日本病態栄
横浜養学会

2016年1月

CITED2結合性キナーゼDyrk1による肝糖新生
満島制御機構の解析

勝他

第30回日本糖尿大宮病・肥満動物学会

2016年3月

肝臓特異的な脂肪酸合成酵素の欠損は食餌誘導性非アルコール性脂肪肝炎の進展を抑制す 八木る孝他

第30回日本糖尿大宮病・肥満動物学会

2016年3月

代謝シグナル応答性メチル化酵素の同定と機
松本
能解析

道宏

第30回日本糖尿大宮病・肥満動物学会

2016年3月

新規CITED2結合キナーゼDYRK1による肝糖新満島生制御機構の解析

勝他

第53回日本臨床分東京
子医学会

2016年4月

代謝シグナル応答性メチル化酵素の同定と機
満島
能解析

勝

他

第53回日本臨床分東京
子医学会

2016年4月

代謝シグナル応答性メチル化酵素の同定と機
松本
能解析

道宏

他

第89回日本内分泌京都学会

2016年4月

A Fasting - Inducible Gluconeogenic
Module in Liver as a Novel Therapeutic
Target forType 2 Diabetes Mellitus

松本

道宏

他

第59回日本糖尿病
京都学会

2016年5月

メタボリックシンドローム関連キナーゼ
Dyrk1は肝糖新生を制御する

満島勝

第59回日本糖尿病
京都学会

2016年5月

他

他

他

研究発表及び特許取得報告について

代謝シグナル応答性メチル化酵素の同定と機
松本
能解析

道宏

他

第59回日本糖尿病
京都学会

2016年5月

肝臓における新規血糖調節モジュールと糖尿
松本
病治療標的

道宏

他

第89回日本生化学
仙台会

2016年9月

細胞周期関連キナーゼDyrk1による肝糖新生
満島制御機構の解析

勝

第89回日本生化学
仙台会

2016年9月

CITED2 結合性キナーゼDyrk1による肝糖新生
松本制御機構の解析道宏他

第37回日本肥満学
東京会

2016年10月

肥満・2型糖尿病合併NAFLDと脂肪酸合成酵素 松本

道宏他

第37回日本肥満学
東京会

2016年10月

細胞周期関連キナーゼDｙｒｋ1は肝糖新生を
満島
制御する

勝

他

第39回分子生物学
横浜会

2016年12月

メタボリックシンドローム関連キナーゼ
DYRK1Bによる肝糖新生制御機構の解析

勝他

第28回分子糖尿病
富山学シンポジウム

2016年12月

第31回日本糖尿横浜病・肥満動物学会

2016年2月

第31回日本糖尿横浜病・肥満動物学会

2016年2月

満島

遺伝子改変マウスを用いた肝臓における代謝松本調節とその障害の分子機構の解明

道宏

Dyrk1Bによる肝糖新生制御機構の解明

勝

満島

他

他

その他発表(雑誌、テレビ、ラジオ等)
タイトル

発表者

発表先

場所

年月日

該当なし

特許取得状況について※出願申請中のものは(

発明名称)記載のこと。
登録番号該当なし※該当がない項目の欄には「該当なし」と記載のこと。
※主任研究者が班全員分の内容を記載のこ

特許権者(申請者）
登録日(申請日)（共願は全記載）

出願国