匠から科学へ、そして医学への融合

オーラルサイエンスレポート

3

Vol.

低酸素の世界低酸素の世界生体科学安全研究室

目次

1. はじめに ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･2

2. HIF-1の分子構造 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･3

3. HIF-1の発現ならびに活性制御機構 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ････････････････････････････
3.5 S-ニトロ化 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･
3.6 SUMO化 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･
3.7 その他 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･

4
5
5
5
5
6
6
6

4. HIF-1の標的遺伝子および生物学的作用 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･7

5. 歯科とHIF-1 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･8

6. 口腔癌におけるHIF-1の関わり ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･

8

3.1 プロリン残基の水酸化 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･
3.2 アスパラギン残基の水酸化 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･
3.3 リジン残基のアセチル化 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･
3.4 リン酸化7. HIF-1αをターゲットとした分子標的治療 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 11
8. おわりに ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 12

誘導を介して生存シグナルを活性化することが示されているが，その作用は生存・増殖のみならず，浸潤・転移，薬剤耐性など多岐に亘ることが知られるようになってきた．HIF-1は癌細胞のみならず

低酸素の世界

様々な細胞においても発現されているが，HIF-1の発現制御機構は複雑で，転写，翻訳および翻訳後のレベルで制御されるとともに細胞内における局在もその活性化には重要であり，HIF-1の役割を明

高知大学医学部歯科口腔外科学講座

教授

山本

哲也

らかにするためにはまだまだ解明すべき点が多く残されている8-10)．
本拙論においてはこのような背景の下に，HIF-1の基本的構造ならびにその主要な発現制御機構について解説するとともに，口腔におけるHIF-1の関わりについて最近の知見および我々の研究結果を交えて概説することとした．

１. はじめに世界のトップレベルのマラソン選手などが米国コロラド州ボルダーや中国昆明などの高地でトレー

２. HIF-1の分子構造

ニングを行っていることは多くの人に知られた事実であるが，北京オリンピック男子競泳100m平泳
ぎ銀メダリストであるアレクサンデル・ダーレオーエン選手が高地トレーニング中に急死するなどそHIF-1は，HIF-1αおよびHIF-1β/Aryl hydrocarbon receptor-nuclear translocator（ARNT）の危険性も指摘されている．この高地トレーニングが注目されるようになったのは，1960年代に標からなるヘテロ２量体で，これらはともにBasic helix-loop-helix perid (Per)/Arnt/single-minded

高2000ｍ前後の高地にあるエチオピアのマラソン選手であるアベベ・ビキラがオリンピックで２連（Sim) (bHLH-PAS)型転写因子ファミリーに属し，それぞれ826個（分子量 120 kDa）および789

覇を達成してからである．その後，この高地トレーニングがスポーツ医学的に研究されるのに伴い，個（分子量91~94 kDa）のアミノ酸からなっている（図１）11,12)．HIF-1αおよびHIF-1βはいずれ

このトレーニングの効能は高地特有の低酸素環境に基づくということが明らかとなり，近年では，低も，Nuclear localization signal（NLS），bHLHモチーフ，Per/Arnt/Sim（PAS）ドメインおよ酸素トレーニング室を有するトレーニング施設も散見されるようになって来た．しかし，この高地

びTransactivationドメイン(TAD)を有しており，これらの中で，bHLHモチーフはDNAへの結合お（低酸素）トレーニングがなぜ有効であるのかを科学的に知っている人はそれ程多くないと思われよび２量体形成に，PASドメインは２量体形成に，TADはCREB-binding protein (CBP)/p300，

る．平地と高地では何が異なるかというと，まずは気圧である．気圧は，高度０ｍでは1013hpsであSteroid receptor coactivator-1 (SRC-1)，Transcription intermediary factor-2 (TIF-2)などの共役るのに対し，高度1000ｍでは899hps，高度2000ｍでは795hps，高度3000ｍでは701hpsと，高度因子との結合ならびに転写制御に重要な役割を果たしている13,14)．HIF-1αにはHIF-1βと異なり，が高くなるに従って低下する．それに伴い酸素濃度も低下し，高度０ｍでは約20.9％であるのに対特徴的な２つのTAD(N-TADおよびC-TAD)が存在し，さらに，N-TADとオーバーラップした形でし，高度1000ｍでは約18.4％，高度2000ｍでは約16.3％，高度3000ｍでは約14.2％となる．この高Oxygen-dependent degradation (ODD)ドメインが認められる15,16)．

地における酸素濃度の低下が人体に様々な影響を及ぼすのである．
下等動物から哺乳動物に至るすべての生物は変化する酸素濃度を認識し，それに適応して生存してA. HIF-1αファミリー

17 33

いる．この酸素濃度変化に対する応答は細胞および個体レベルで営まれており，今日までにその応答

70 106

ODD
N-TAD
296

401 531

CBP/p300,
SRC-1, TIF-2

721

CBP/p300,
SRC-1, TIF-2

667

HIF-3α1スに対する応答機序を明らかにすることはこれらの病態を理解する上で極めて重要で，さらには，こ

LZIP
632

の応答機序の解明は低酸素を標的とした新しい治療法の開発に繋がる．

HIF-3α2/IPAS648

低酸素状態に対する適応機序の解析は主として癌においてなされてきた．固形癌はその異常な増殖

HIF-3α3のために血液・酸素供給が不十分となり，腫瘍内には低酸素領域が生じるが，癌細胞はこの低酸素環

663

HIF-3α4

境に適応して生き延びるだけではなく，低酸素ストレスによりその悪性度が高まり，抗癌剤や放射線に対し抵抗性となることが知られている．実際，臨床においても化学・放射線治療を行った場合，血HIF-3α5

液供給が辺縁部に比べ低いと想定される癌の中心部は，辺縁部に比べ，生残癌細胞が多数認められる6)．

HIF-3α6B. HIF-1β

39 61 90

144 171410

HIF-1β/ARNT

持するが，その中で，転写因子であるHypoxia-inducible factor（HIF-1）が低酸素誘導性遺伝子応答

DNA binding
Dimerizationのマスター遺伝子であることが明らかとなった ．HIF-1は癌細胞において様々な標的遺伝子の発現
7)

図1

―2―

826

HIF-2α．したがって，生物の低酸素ストレこのように，癌細胞は血液・酸素供給の低下に対して，種々の機構によって応答し，その増殖能を維NLS C-TAD

603 718 813

575

DNA binding
Dimerization

く生体内の局所においても生じ，虚血性心疾患，肺高血圧，関節リウマチ，神経変性疾患，悪性腫瘍などの多くの病態と密接に関連していることが示されている

PAS

HIF-1α機構の多くが分子レベルで詳細に明らかにされてきた．低酸素は空気中の酸素分圧の低下だけではな
1-5)

bHLH
NLS

HIFファミリー蛋白質の構造

―3―

756

789

870

HIF-1αにはアイソフォームとしてHIF-2αおよびHIF-3α1～6が同定されているが，これらのア

SUMO
SUMO

NO
C
HIF-1αイソフォームの組織分布や機能はHIF-1αと異なっている17,18)．HIF-2αは，HIF-1αと同様に低酸素条件下においてHIF-1βと結合し，標的遺伝子の転写を促進する 19,20) ．これに対し，HIF-3αはTranscription

NO

HIF-1αおよびHIF-2αと異なりbHLHとPASドメインは有するもののC-TADは有しておらず，P

HIF-1β/ARNTと結合はするもののHIF-1依存的遺伝子発現は誘導しない 21)．つまり，HIF-3αはSUMO

K
HIF-1αP P
T Y

ERK1/2, p38

Y
HIF-1αDominant negativeに作用するアイソフォームで，HIF-1依存的遺伝子発現を抑制するInhibitory

OH
N
HIF-1αFIH-1

HIF-1α×Transcription

ARD1

PAS domain protein (IPAS)もHIF-3αのSplicing variantのひとつである22)．

K
HIF-1αHIF-1αpVHL
Ub Ub

３. HIF-1の発現ならびに活性制御機構

OH OH
P P

PHD

Ac

K Ub
pVHL
HIF-1αUb

Degradation

HIF-1αヘテロ２量体であるHIF-1の酸素依存的発現制御は主としてHIF-1αによっており，HIF-1βの発図3

現は酸素濃度非依存的に，核内においてHIF-1αと２量体を形成することによりHIF-1の転写活性に

HIF-1αの翻訳後修飾（文献8）を改変）

影響を及ぼしている（図２）23,24)．このHIF-1αの発現ならびに活性の制御機構は非常に複雑で，酸素濃度のみならずEpidermal growth factor (EGF)やInsulin growth factor-1/2 (IGF-1/2)などの増殖因

３.１

子，サイトカインによっても影響され，HIF-1α自身の転写レベル，翻訳レベルおよび翻訳後レベル

HIF-1αのODD内に存在するプロリン残基（Pro402およびPro564）は正常酸素分圧下ではProlyl

で調節されている

プロリン残基の水酸化．HIF-1αは主に転写因子であるSp1を介して構成的に発現されているが，hydroxylase (PHD)によって水酸化修飾を受け，その結果，HIF-1αはvon Hippel-Lindau (VHL)病

AP-1，AP-2，NF-1およびNF-κBなどの転写因子もまたその転写に関与している 9) ．しかしながの原因遺伝子であるpVHL蛋白質と結合することによりユビキチン化され，プロテアソーム依存的にら，正常酸素分圧下においてHIF-1αは非常に不安定で（半減期は５分以内）25)，このターンオーバー

分解される26,27)．PHDは2-oxoglutarate依存性oxygenaseに属し，現在，３種類（PHD1~3）あるこはプロリンおよびアスパラギン残基の水酸化，さらには，リジン残基のアセチル化などの翻訳後修飾とが知られている28,29)．PHDが作用するためには酸素，Fe2+，ならびに，2-oxoglutarateが必要であによって制御されている（図３）8)．

るために，低酸素状態下においてはPHDの酵素活性は抑制され，その結果，HIF-1αとpVHLとの結8-10)合が生じず，HIF-1αは分解されずに核に移行し，HIF-1βと結合して転写活性を示すようになる．
Growth factors

Ras

Raf

MEK1

ERK1/2

３.２

Oxygen sensor

PI-3K

正常酸素分圧下においては，HIF-1αのC-TADに存在するアスパラギン残基（Asn803）は

ASK1

CITED2/4

PTEN
p38

Akt

mTOR GSK3β
FOXO4

Sp1

Ref-1
p14

other

SH
HIF-1αP

ARF

P
HIF-1αmRNA

HIF-1αStabilization
HSP90との相互作用が抑制され，その結果，HIF-1の転写活性が抑制されることとなる30)．FIHもまた酸素
およびFe2+に依存的で，低酸素状態下においてはこの酵素活性は抑制され，その結果，CBP/p300
がHIF-1αに結合してその転写活性が亢進する31,32)．

Target gene
VEGF
iNOS
OthersHIF-1βCytosol

Nucleus

HIF-1αubiquitinp53

HIF-1αubiquitin

HIF-1α３.３

HIF-1αのODD内のリジン残基（Lys532）がArrest-defective-1 (ARD1)によってアセチル化される

Angiogenesis
Inhibited apoptosis, etc

ARD1はPHDと異なり酸素依存的ではないが，低酸素状態下ではARD1のmRNAおよび蛋白質の発現レベルが低下するためHIF-1αは安定化する．

ubiquitin３.４
図2

リジン残基のアセチル化と，HIF-1αとpVHLとの結合が増強され，HIF-1αのプロテアソーム依存的分解が促進される33)．

ubiquitin

Mdm2

pVHL + ubiquitin

ubiquitin

Factor inhibiting HIF-1 (FIH)によって水酸化修飾を受けるため，転写共役因子であるCBP/p300

HIF-1α

PHD
HO
HO

P
p300
HIF-1βThioredoxin-1

HIF-1αPKC

アスパラギン残基の水酸化

HIF-1αの主要な発現制御機構（文献77）を改変）

リン酸化

MAPキナーゼの１つであるERK1/2は，HIF-1αのC-TADを直接リン酸化することが報告されており，このリン酸化はHIF-1αの安定性やDNAへの結合能には影響を与えないものの，その転写活

―4―

―5―

性を上昇させる34)．さらに，ERK1/2はCBP/p300をリン酸化することによりHIF-1の転写活性を増FOXO4/ Forkhead transcription factor (AFX)はHIF-1α発現および活性を負に制御する56,57)．加え強させる35)．加えて，p38MAPキナーゼもHIF-1αをリン酸化することによりpVHLとの結合さらにて，癌抑制遺伝子産物p53はHIF-1αに直接結合してその転写活性を抑制するとともにMdm2に依存はプロテアソーム依存的分解を抑制し，その発現を高めることが報告されている36,37)．

したHIF-1αの分解を促進し58-60)，同じく癌抑制遺伝子産物p14ARFもHIF-1αに直接結合してその転写活性を抑制することが報告されている61)．

３.５

S-ニトロ化HIF-1αに対する一酸化窒素（NO）の作用に関しては議論のあるところであるが，一酸化窒素（NO）はHIF-1αのシステイン残基（Cys800）をS-ニトロ化（S-nitrosation）し，HIF-1αと共役

４. HIF-1の標的遺伝子および生物学的作用因子であるCBP/p300との結合を促進し，転写活性を増強する ．
38)

転写因子であるHIF-1は，プロモーター領域に存在する5’-RCGTG-3’配列のHypoxia-responsive
３.６

SUMO化

element (HRE)に結合することにより転写を誘導する62)．HREを有するHIF-1の標的遺伝子としてSmall ubiquitin-like modifier (SUMO)は分子量が約12kDaの蛋白質で，転写因子をはじめとした
蛋白質に結合し，その蛋白質の核内移行や安定化，標的遺伝子の転写活性制御に関与している

39,40)．

は，やをはじめとしてこれまで60以上の遺伝子が明らかにされている（図４）

7,63,64)．これらの遺伝子産物の機能は，エネルギー代謝，

HIF-1αのODD内のリジン残基（Lys391およびLys477）がSUMO化（SUMOylation）されると細胞増殖・アポトーシス，浸潤・転移，血液供給，血管新生，物質輸送，転写など多岐に亘っておHIF-1αの安定性および転写活性が抑制されること，さらには，Sentrin/SUMO-specific protease

り，HIF-1は細胞の様々な機能の調節に重要な役割を果たしている．

(SENP3)はHIF-1αの転写活性を増強することが知られている41,42)．

最初に述べた高地トレーニングではどのようなことが起こっているかというと，低酸素により上述のメカニズムでHIF-1が活性化され，その結果，その標的遺伝子

３.７

その他

により赤血球が増加するとともに，の遺伝子産物であるErythropoietinの遺伝子産物であるVascular endothelial growth factorによHIF-1αの発現および転写活性は，上述のような翻訳後レベルでの修飾以外でも様々な修飾を受り血管新生が生じるとともに血流が増加すると考えられる．Erythropoietinは遺伝子組み換えによるけ，それらは酸素分圧の影響をあまり受けない．例えば，ある種の増殖因子やサイトカインは，正医薬品が腎性貧血などに使用されているが，スポーツ選手がこれを使用するとドーピングとなるもの

常酸素分圧下においても PI3-K/Akt およびその下流に位置する Mammalian target of rapamycinの，高地トレーニングの場合は自分自身の体の中で生じたものであることよりドーピングにはならな(mTOR)を介してHIF-1αの安定性や転写活性を増強する

い．さらに，高地トレーニングには，HIF-1の標的遺伝子43-46)．さらに，Heat shock protein 90(HSP90)阻害剤であるGeldanamycinはpVHL非存在下にHIF-1αのユビキチン化ならびにプロテア

びおよび- （）の遺伝子産物を介して糖代謝が亢進するといった効果もある．

ソーム依存的分解を促進することより，HSP90はHIF-1αの安定化に関与していると考えられている47,48)．
活性酸素もまた正常酸素分圧および低酸素分圧下においてHIF-1αの発現および転写活性の制御に関与している．過酸化水素処理あるいはNADPH oxidase Iの強発現などによってHIF-1αの安定性が増強すること 49,50) ，低酸素処理によってミトコンドリアでの活性酸素産生が誘導されるとともに
RotenoneやMyxothiazolなどのミトコンドリア呼吸鎖阻害剤は低酸素処理によるHIF-1α発現を抑制

浸潤・転移関連
Autocrine motility factor
Cathepsin D
Collagen V
CXCR4
Fibronectin 1
Matrix metalloproteinase 2
Urokinase plasminogen activator receptor

することより 51) ，活性酸素はHIF-1αの発現を正に制御すると考えられる．さらに，HIF-1αはレドックス制御を受けており52)，Thioredoxin-1 (Trx-1) はRedox factor-1 (Ref-1) を介してHIF-1αのC-TADと共役因子であるCBP/p300との結合を促進し，HIF-1αの転写活性を増強する25,53)．Ref-1
によるHIF-1αの活性化にはC-TADのシステイン残基の還元が重要であると考えられているが，その詳細な機序については十分には明らかにされていない．
一方，HIF-1αの転写活性を抑制する機構もいくつか存在する．CBP/p300 interacting transactivatorwith ED-rich tail (CITED) 2/CITED4はCBP/p300のCysteine-histidine (CH1) domainに結合することによりHIF-1αとCBP/p300との結合を抑制し，HIF-1αの転写活性を抑制する 54,55) ．さらに，
Phosphatase and tensin homologue on chromosome 10 (PTEN)はPI-3K/Aktシグナルを抑制することによりそれを介するHIF-1αの安定性や転写活性の増強を抑制し，Aktの下流位置するGlycogen

細胞骨格関連Keratin 14, 18, 19
Vimentin

HIF-1

血管新生・血液供給関連
α1B-adrenergic receptor
Adrenomedullin
Angiopoietin-1, 2Atrial natriuretic peptide (ANP)
Ceruloplasmin
Endothelin 1
Endoglin
Erythropoietin (EPO)
Heme oxygenase-1
LeptinLDL-receptor-related protein 1
Plasminogen activator inhibitor 1
Prokineticin
Stanniocalcin
TGF-β3
Vascular endothelial growth factor(VEGF)
VEGF-R

細胞増殖・アポトーシス関連
Cyclin G2
Insulin-like growth factor (IGF)-2
IGF-binding protein-1, 2, 3
BNIP3
Nitric oxide synthetase-2 (NOS-2)
NIP3-like protein X (NIX)
Placental growth factor
Platelet-derived growth factor-β
Prolyl-4-hydroxylase α1 subunit
RTP801
Transforming growth factor (TGF)-α

転写因子関連Differentiated embryo-chondrocyte
expressed gene 1, 2 (DEC 1, 2)
Ets-1
CITED2/p35srj
物質輸送関連Multidrug resistance gene(P-glycoprotein)Transferrin
Transferrin-R
エネルギー代謝関連
Aldolase A, C
Adenylate kinase-3
Carbonic anhydrase-9, 12
Enolase-1
Glucose phosphate isomerase
Glucose transporter (GLUT)-1, -3Glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase (GAPDH)
Hexokinase-1, 2
Lactate dehydrogenase A
Phosphofructokinase L (PFKL)
Phosphoglycerate kinase-1
Pyruvate kinase M
6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2, 6bisphosphatase-3 (PFKFB 3)
Triose phosphatase isomerase

synthase kinase 3β (GSK3β)やForkhead box O (FOXO)転写因子ファミリーのひとつである
図4―6―

HIF-1αの代表的な標的遺伝子群

―7―

およ

ファミリー蛋白に及ぼす影響について見たところ，HIF-1α強発現OSC細胞ではBcl-2およびBcl-XL

５. 歯科とHIF-1

蛋白質の発現は亢進し，逆に，BaxおよびBakの発現は抑制されることが明らかとなった．加えて，歯牙を含めた口腔諸臓器の発育や歯科・口腔領域の疾患・病態における低酸素環境の影響について

OSC細胞におけるHIF-1αの発現レベルと抗癌剤およびγ線に対する感受性を検討したところ，両者もいくつかの報告がなされている．Nagaoka Rらは，低酸素症は鼻突起の癒合不全を引き起こしてには逆の相関が認められ，HIF-1αを強く発現しているOSC細胞はHIF-1αの発現が弱いOSC細胞に口唇形成を阻害すること，さらに，顔面の正常発生過程において特定の部位に低酸素状態が生じるこ比較してCDDP，5-FUおよびγ線に対してより抵抗性であることが明らかとなった（図７）．これとを明らかにしている65)．Kim YSらは，ニコチンやリポポリサッカライド（LPS）で歯根膜由来細らの結果は，OSC細胞におけるHIF-1は細胞生存シグナルを増強する一方で，アポトーシスシグナル

胞を処理すると炎症に関わるプロスタグランディンE2（PGE2）や組織破壊に関わるマトリックスメを抑制することを意味しているが，頭頸部癌，とりわけ，口腔扁平上皮癌におけるHIF-1αの関わり

タロプロテアーゼ-2および-9（MMP-2および-9）の産生が増強し，HIF-1αを阻害するかsiRNAを用については更なる検討が必要であると思われる．

いてノックダウンするとこれらの産生増強が抑制されることを示し，HIF-1αが喫煙やデンタルプ

ところで，興味あることにCDDP，5-FUおよびγ線はOSC細胞におけるHIF-1α発現を誘導する

ラークによる歯周炎の治療のターゲットとなる可能性を示唆している66)．Agis Hらは，プロリン水ことが明らかになった（図５）．抗癌剤および放射線によるHIF-1α発現誘導の機序については不明

酸化酵素阻害剤は歯根膜由来の線維芽細胞においてHIF-1αの安定化を介してVEGF産生を増強し，であるが，我々はOSC細胞を抗癌剤や放射線で処理すると活性酸素産生が誘導されることを明らか

この増強は炎症性サイトカインIL-1の存在下においてさえも生じることを明らかにしている 67) ．

にしている76)．前述のように活性酸素はHIF-1αを正に制御することより，抗癌剤や放射線は活性酸

Song ZCらは，咬合性外傷や喫煙によって歯周組織に酸素欠乏が生じているに違いないと考え，酸素素産生を介してHIF-1α発現を誘導するのではないかと考えられる．

欠乏が歯根膜由来細胞にどのような影響を及ぼすかを低酸素処理と同様の作用を及ぼすCoCl2処理を
A

20%O2

ことを報告している68)．さらには，５％の低酸素条件下で歯髄細胞を培養すると硬組織形成能が正常

1%O2

C
20%O2 Mock

Mock HIF-1α Mock HIF-1α

酸素分圧下で培養したものに比べ有意に増強することや69)，領域の疾患口腔領域動物実験の段階では20%O2 HIF-1α

HIF-1αンプラントのオッセオインテグレーションがより強く生じることが報告されている70)．このように，

PIあるものの，HIF-1αを強発現させた骨髄間葉系幹細胞を用いることにより骨新生のみならず即時イ
B

HIF-1α 20%O2

Mock 20%O2

顎顔面の発育や口腔領域の疾患の発生や病態に低酸素が関わっていることは明らかであるが，今後更

1%O2

Mock

1%O2

Cell numberに詳細な関わりが明らかにされると思われる．

HIF-1αApoptotic cells (% of total)

行い検討した結果，CoCl2処理によりHIF-1αを介するアポトーシスやオートファジーが誘導される

25
20
15
10
5
0

Mock 1%O2

Mock
HIF-1α20%O2Annexin V-FITC

HIF-1α 1%O2

６. 口腔癌におけるHIF-1の関わり
D

口腔癌を含めた頭頸部癌におけるHIF-1についての報告はそれほど多くはなされていない 71-74) ．
および局所制御率と関連することを報告し ，Koukourakisらは頭頸部扁平上皮癌においてHIF-1α500の発現は局所浸潤性，化学・放射線療法の効果，局所制御率を含めた予後と関連することを明らかに

400

DCFH-DA

例の予後は高発現していない症例に比べて良好であるとし ，Kyzasらは頭頸部扁平上皮癌における

20%O2

600

71)

73)

HIF-1αDCFH-DA

Aebersoldらは，口峡咽頭癌においてHIF-1αの発現程度はリンパ節転移の有無，放射線治療の効果している72)．しかしながら，Beasleyらは，頭頸部扁平上皮癌においてHIF-1αを高発現している症

Mock

HIF-1αの発現程度と予後との間には関連は無いと報告している74)．

Mock
HIF-1α

300

1%O2

200
100

株化口腔扁平上皮癌（OSC）細胞を用いて低酸素誘導アポトーシスに及ぼすHIF-1αの影響を検討

0

20%O2

1%O2

Hoechst 33258

したところ，OSC細胞を低酸素（1％O2）下で培養するとHIF-1αの発現が増強するもののその発現程度は弱く，活性酸素産生ならびにアポトーシスが誘導された（図５）75)．一方，HIF-1αを強発現させたOSC細胞においては，低酸素処理をおこなっても活性酸素レベルはコントロール細胞と比べ低く，アポトーシス誘導もほぼ完全に抑制された．さらに，HIF-1αを強発現させたOSC細胞において

図5

低酸素によるOSC細胞のアポトーシス誘導に及ぼすHIF-1αの影響
コントロール（Mock）およびHIF-1α発現ベクター（HIF-1α）を導入したOSC-4細胞を20％O2あるいは１％O2の条件下で24時間培養したときのHIF-1α発現（A），細胞内活性酸素レベル（B），アポトーシス（C）およびDNA断片化（D）.

は癌細胞の生存シグナルに関わるPI-3K，リン酸化Aktおよびリン酸化ERK1/2の発現レベルが上昇
し，チトクロームcのミトコンドリアから細胞質への放出も抑制されていた（図６）．さらに，Bcl-2

―8―

―9―

1%O2

A

B
20%O2
Mock

20%O2

1%O2

HIF-1α Mock

Mock

HIF-1αPI3K

７. HIF-1αをターゲットとした分子標的治療

1%O2

HIF-1α Mock

HIF-1α

近年，EGF受容体やHER2蛋白質をはじめとした種々の分子に対する分子標的治療が開発され，実Bcl-2

際，それらの中のいくつかは臨床使用されている．前述のように，多くの癌ではHIF-1αの発現は亢

p-Akt

Bcl-XL

Akt

進しており，発現の亢進した癌は増殖能が活発で，化学・放射線療法に対しても抵抗性であることより，癌細胞におけるHIF-1αの活性を抑制することは腫瘍の増殖を抑制するだけではなく，化学・放Bax

射線治療に対する感受性を増強させることに繋がると考えられる．我々は，OSC細胞において抗癌剤

p-ERK
Bak

およびγ線に低感受性のHIF-1α高発現株にHIF-1αのsiRNAを導入すると感受性が増強し，逆に，

ERK

抗癌剤およびγ線に高感受性のHIF-1α低発現株にHIF-1α発現ベクターを導入すると感受性が低下す

β-actinC

ることを確かめている（図８）．HIF-1α高発現OSC細胞の抗癌剤およびγ線に対する抵抗性の獲得に

Cyt c(Cytosol)

は，HIF-1αの標的遺伝子であるMDR1，Heme oxygenase-1およびCeruloplasminが関わっており，
MDR1遺伝子産物であるP糖蛋白質は抗癌剤の細胞外への排出を促進すること，抗酸化作用を有する

Cyt c(Mitochondria)

図6

Heme oxygenase-1およびCeruloplasminは抗癌剤やγ線による細胞死誘導に重要な活性酸素を消去す

OSC細胞における生存およびアポトーシスシグナルに及ぼす低酸素およびHIF-1αの影響
コントロール（Mock）およびHIF-1α発現ベクター（HIF-1α）を導入したOSC-4細胞を20％O2
あるいは1％O2の条件下で24時間培養したときの各蛋白質の発現.

ることを明らかにしている（図９）．従って，HIF-1αに対するsiRNAはこれらの分子の発現を抑制することにより，OSC細胞の抗癌剤やγ線に対する感受性を増強しているものと考えられる．
HIF-1抑制作用を有する薬剤には多くのものがあり77)，現在臨床使用されている分子標的薬である
Trastuzumab，Celebex，ImatinibなどにもHIF-1α抑制作用を有することが確認されている．それらに加え，HSP90抑制作用を有する17-allylamino，17-demethoxygeldanamycin(17AAG)およびエA

ストロゲンの天然代謝産物である2-methoxyestradiol (2-ME2)もまたHIF-1α抑制作用を有し，現Total cell lysate:

在，臨床試験が行われているところである．今後は，これらの薬剤と抗癌剤あるいは放射線との併用

Nuclear fraction:

療法の効果が試され，口腔癌の治療成績の向上をもたらすものと期待される．しかしながら，HIF-1
αのみをノックダウンしても代替経路としNF-κBを介したIL-8産生が誘導され，血管新生は抑制さ

C

4

125

Control

γ-rays

CDDP

5-FU

れないということが報告されており，いくつかの分子標的療法の併用といった方法をさらに検討すべ

3
2
1
0

OSC-2 OSC-4 OSC-5 OSC-6
B

Nuclear fraction

Treatments:(－)

γ-raysCDDP

5-FU

MTT assay (% of control)

Relative HIF-1αmRNA level5

きと考えられる．

100

A

75

Mock
50

Mock
OSC-5

OSC-6

OSC-6

OSC細胞におけるHIF-1αの発現と抗癌剤およびγ線に対する感受性
A：OSC-2，-4，-5および-6細胞におけるHIF-1αのmRNA（リアルタイムPCR）および蛋白質発現．B，C：各OSC細胞をγ線（30Gy）照射後24時間培養するか，あるいは，CDDP（100μM）ないしは5-FU（100μM）で24時間処理したときのHIF-1α発現（B）
および細胞増殖（C）．

75

50

25

Mock

HIF-1α
siRNA

γ-ray

CDDP

100

75

50

25

0

0

Cont

図8

― 10 ―

HIF-1α100

MTT assay (% of control)

OSC-4

MTT assay (% of control)

OSC-2

HIF-1α
siRNA

125

25

0

Mock
HIF-1αHIF-1α

OSC-5

図7

OSC-5

HIF-1α

125

OSC-2
OSC-4

B

OSC-2

γ-ray

CDDP

5-FU

Cont

5-FU

HIF-1αノックダウンによるOSC細胞の抗癌剤およびγ線に対する感受性の増強
HIF-1α発現ベクターを導入したOSC-2およびHIF-1αに対するsiRNAを導入した
OSC-5細胞のγ線（30Gy）, CDDP（100μM）および5-FU（100μM）に対する感受性．

― 11 ―

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HO-1

P-gp

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Drugs

Drugs
ROS

Apoptotic signals
OSC cellApoptosis

図9

OSC細胞の抗癌剤およびγ線に対する抵抗性獲得におけるHIF-1αの関与

８. おわりに
以上のように，HIF-1の発現制御機構は非常に複雑で，また，その標的遺伝子の機能も多岐に亘っており，HIF-1の役割は個々の細胞によって異なっていると考えられる．今後，個体発生のみならず様々な病態においてHIF-1の関わりが検討され，HIF-1を標的とした分子標的療法の開発が進むものと期待される．

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Vol.2 活性酸素 －その生成，消去および作用－（2011年4月）
Vol.3 低酸素の世界（2012年7月）

編集者 安楽 照男
発行者 山本 隆彦
印刷所 小西印刷所
発行年月日 2012年7月31日