２０２１年１１⽉１７⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学

インスリンによる 3 ⼤栄養素間のバランス維持機構を解明〜インスリン発⾒から 100 年の節⽬に〜
3 ⼤栄養素(タンパク質・糖質・脂質)はヒトの⾝体を動かす主要なエネルギー源であり、エネルギー産⽣栄養素とも呼ばれます。肥満・糖尿病など過栄養病態では、糖質から脂質へのエネルギーフローが亢進し、サルコペニアやフレイル（加齢による筋⾁量の減少や活動量の低下）など低栄養病態ではタンパク質から糖質へのエネルギーフローが増加します。しかし、脂質から糖質への流れも、糖質からタンパク質への流れも逆流することはありません。すなわち、３⼤栄養素のエネルギーフローは⼀⽅向性であり、そのバランスは本来、厳密に制御されているはずです。過栄養病態や低栄養病態においては、そこに何らかの異常を来たしているものと考えられ、⽣活習慣病対策や⾼齢者の介護予防などの観点からも注⽬されてきました。
インスリンは、タンパク質分解を抑制し、脂質合成を促進することでその制御に関与していることが古くから知られてきましたが、そのメカニズムの詳細はよく分かっていませんでした。
本研究では、インスリンが 3 ⼤栄養素(タンパク質・糖質・脂質)間のバランスを制御する仕組みを初めて解明しました。その仕組みとは、インスリンが遺伝⼦の発現を制御する転写因⼦ FoxO を介して別の転写因⼦ KLF15 を制御し、その FoxO-KLF15 経路の働きによって、タンパク質代謝と脂質代謝の両⽅が協調的に制御されるというものです。本研究チームが独⾃に開発した、マウス体内の遺伝⼦の発現状況を可視化する解析系と転写因⼦のスクリーニング法を⽤いた成果です。
今年は、インスリンが発⾒された 1921 年から 100 周年となる節⽬の年です。本研究はインスリンが関与する、肥満・糖尿病などの過栄養病態とサルコペニア・フレイルなどの低栄養病態の双⽅の病態解明に寄与するものと期待されます。

研究代表者
筑波⼤学医学医療系
⽮作 直也 准教授
武内 謙憲 助教

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研究の背景3 ⼤栄養素(タンパク質・糖質・脂質)は、ヒトの⾝体を動かす主要なエネルギー源であり、エネルギー産⽣栄養素とも呼ばれます。肥満・糖尿病などの過栄養病態では、糖質から脂質へのエネルギーフローが亢進し、サルコペニア・フレイルなどの低栄養病態ではタンパク質から糖質へのエネルギーフローが増加します。しかし、脂質から糖質へのフローも、糖質からタンパク質へのフローも逆流することはありません。すなわち、3 ⼤栄養素間のエネルギーフローは⼀⽅向性であり、ゆえにそれらの間のバランス維持は厳密に制御されているはずです。インスリンは、タンパク質の分解を抑制し、脂質合成を促進することでその制御に関与していることが古くから知られてきましたが、そのメカニズムの詳細はよく分かっていませんでした。
この 3 ⼤栄養素間のバランス維持機構は、肥満・糖尿病などの過栄養病態においても、サルコペニア・フレイルなどの低栄養病態においても、なんらかの異常を来たしているものと考えられるため、⽣活習慣病対策や⾼齢者の介護予防などの観点からも⼤いに注⽬されてきました。また今年 2021 年は、インスリンの発⾒(1921 年)から 100 周年に当たり、これまでの 100 年間のインスリンと糖尿病治療の進歩を振り返る節⽬の年となっています。
研究内容と成果
本研究グループは、転写因⼦ KLF15 を中⼼とする転写複合体がタンパク質ならびに脂質代謝制御において重要な役割を担っていることを以前、報告しました(Cell Rep 2016)。
転写因⼦ KLF15 はタンパク質分解経路と脂質合成経路全体の遺伝⼦の発現をレシプロカルに制御するスイッチの働きをしており、インスリンによって ON・OFF(インスリン⽋乏時に ON、インスリン存在時に OFF)されますが、その切り替えの仕組みは未解明のままでした。今回、in vivo イメージング装置を⽤い、KLF15 遺伝⼦の ON・OFF の様⼦を⽣きたマウスの肝臓内で可視化することにまず成功しました(invivo Ad-luc 法１)(図 1)。
この実験系をベースに詳細な検討を重ねた結果、KLF15 遺伝⼦上流のプロモーター領域の中に、肝臓でこの ON・OFF 切り替えに重要な機能を持つ DNA 配列が存在することが判明しました。さらに、そのDNA 配 列 に 結 合 す る 転 写 因 ⼦ が FoxO1/3 で あ る こ と を 、 独 ⾃ 開 発 の 解 析 ツ ー ル で あ る TFEL
(Transcription Factor Expression Library) を⽤いたスクリーニング法(TFEL scan 法＊２)により同定しました。
FoxO1/3 は、Forkhead 転写因⼦ファミリーのサブグループ FoxO（Forkhead Box O）の四つの遺伝⼦(FoxO1/3/4/6)うち肝臓で機能する⼆つの遺伝⼦であり、インスリン⽋乏時に肝細胞の核内でタンパク質発現が誘導され、糖新⽣系の遺伝⼦の転写に関与することが知られていました。今回、分⼦メカニズムを詳細に検討した結果、FoxO は KLF15 遺伝⼦プロモーター上に結合することが分かりました。そしてインスリン⽋乏時に ON になる FoxO-KLF15 経路は 脂質合成系(SREBP-1)を抑制すると同時に、タンパク質分解経路を活性化することが判明しました。また逆にインスリン存在下では、FoxO の減少を介してKLF15 の発現が低下し、タンパク質分解系が OFF になるとともに脂質合成系が ON になることが分かりました(図 2)。
以上をまとめると、今回の研究により、インスリンによる 3 ⼤栄養素間のバランス制御の仕組みはFoxO-KLF15 経路を介することが初めて解明され、過栄養/低栄養病態のどちらにもこの機序が深く関わることが明らかとなりました。

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今後の展開今後さらに、肝臓における KLF15 の遺伝⼦発現を制御する仕組みについて解明を進めていきます。筑
波⼤学医学医療系のニュートリゲノミクスリサーチグループでは、ニュートリゲノミクス(遺伝⼦栄養学)の観点から栄養素と遺伝⼦の相互作⽤解明全般に取り組んでいます。インスリンのようなホルモンを介するメカニズム以外にも、栄養素やその代謝物⾃体が遺伝⼦の発現変動をもたらす機序を明らかにすることを⽬指しています。これらの仕組みの全体像が分かれば、肥満と低栄養の双⽅に対する直接的な治療法の開発に役⽴つことが期待されます。

参考図

FastedRefed
Initial codon

Full

Klf15 genestructure

Non-coding region
Exon1cExon1a(Liver type)

Exon2

Fasted vs Refed

C2
Ex1aupstream

C5Coding region

Ex1aupstream

C6FullC1C2Luc

C3C4C5C6Luc

LucLuc

**
*
**
*
**

LucLucLuc

Ex2 upstream

Luc0
Ex2 upstream

Cons R1

Cons R21020

Luc activity in fasted (fold)(compared with refed)

図 1. in vivo イメージング装置による個体レベルでの KLF15 遺伝⼦転写活性の測定
in vivo イメージング装置を⽤い、⽣きたマウスの臓器(肝臓)内でのレポーター遺伝⼦発現を可視化している。KLF15 遺伝⼦の転写活性はインスリン⽋乏時(絶⾷時＝Fasted)に顕著に誘導される。

3インスリンFoxOs
LXR
KLF15
SREBP-1タンパク質糖質

飢餓状態

脂質過栄養状態

図 2. 今回の研究から明らかになった、インスリンと FoxO-KLF15 経路によるタンパク質/脂質代謝制御機構
インスリン存在時：肝臓で FoxO と KLF15 の発現が抑制される。タンパク質分解系は OFF、脂質合成系(SREBP-1)は ON になる。
インスリン⽋乏時：FoxO と KLF15 の発現が亢進する。タンパク質分解系は ON、脂質合成系(SREBP-1)
は OFF になる。
⽤語解説
注１） in vivo Ad-luc 法
アデノウイルスを⽤い、ホタルの発光酵素であるルシフェラーゼレポーター遺伝⼦を臓器に導⼊後、⽣きたままの状態で⽣体からの発光を in vivo イメージング装置によって可視化し、遺伝⼦転写活性を定量する⽅法。
注２） TFEL scan 法
TFEL (Transcription Factor Expression Library)は本研究グループによって独⾃に開発された網羅的な転写因⼦(DNA 結合部位を持ち、プロモーターやエンハンサー領域に結合して遺伝⼦発現を調節するタンパク質)の発現プラスミドライブラリ。マウスゲノム上に存在する約 1600 種類の全転写因⼦を理化学研究所の FANTOM1/2/3 ライブラリから集め、発現カセット⼊りのベクターにクローニングしたもの。
TFEL scan 法はこのライブラリを活⽤した、細胞への共発現による転写因⼦のスクリーニング法で、転写複合体の解析に威⼒を発揮する。
研究資⾦
本研究は、⽂部科学省 科学研究費補助⾦ 新学術領域研究「転写代謝システム」の計画研究 「代謝シグナルが投射されるゲノム領域の同定と転写環境調節機構の解明」 （研究代表者：⽮作直也 准教授）の助成等を得て実施されました。
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掲載論⽂【題 名】FoxO-KLF15 pathway switches the flow of macronutrients under the control of insulin（FoxO-KLF15 経路はインスリンによるマクロ栄養素間のフロー制御を⾏う）【著者名】 武内 謙憲 ⽮作 直也 他
【掲載誌】 iScience【掲載⽇】 2021 年 11 ⽉ 14 ⽇
【DOI】

10.1016/j.isci.2021.103446

問合わせ先【研究に関すること】⽮作 直也（やはぎ なおや）
筑波⼤学医学医療系 准教授（ニュートリゲノミクスリサーチグループ代表）
URL: https://plaza.umin.ac.jp/nutrigenomics/【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報室
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp

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