基礎老化研究 47（3）; 15－20, 2023

【総説】

ストレス応答転写因子 Nrf2 と ATF4 を中心とした未病期における動的な恒常性維持機構
伊東健、長谷川和輝、葛西秋宅

弘前大学大学院医学研究科附属高度先進医学研究センター分子生体防御学講座

要約
未病期は代謝障害や若干の不定愁訴はあるものの、疾患として診断されない段階として捉えることができる。未病期に共通して観察される代謝障害は生体にストレス応答を惹起し、これにより恒常性が保たれる。従って、未病期におけるダイナミックなストレス応答機構の動態を捉えることは未病の病態の可視化・把握に重要である。ミトコンドリアストレスは未病期のストレスとして代表的なもので、結果として酸化ストレスを生じる。Nrf2 と ATF4はそれぞれ親電子性物質や活性酸素・窒素種などのチオール反応性物質、小胞体ストレス・アミノ酸飢餓ミトコンドリア障害などによって活性化し生体防御応答を指揮する。私たちはNrf2 と ATF4 が相互作用することを見出し、それが種々の抗酸化タンパク質の遺伝子発現に関与することを明らかにした。本稿では両転写因子を中心に加齢と２型糖尿病を例にとって未病期の恒常性維持機構を考察する。

キーワード：Nrf2, ATF4, ISR, mitochondria, Mibyou
Nrf2 と ATF4 が指揮する遺伝子発現

はじめに

NF-E2-related factor 2（Nrf2）は親電子性物質や活未病期は、代謝障害が生じるものの疾患に分類されな［1］い段階として捉えられる（図１A） 。また、未病は東洋性酸素・窒素種（ROS・RNS）などの種々のチオール学的観点および西洋学的観点から、東洋学的未病と西洋反応性物質に応答して活性化する転写因子である（図学的未病に分類される（図１B）。東洋学的未病とは「軽［2］。 非 ス ト レ ス 下 で は、Nrf2 は Kelch-like ECH２A）

微な自覚症状はあるが検査では発見できない状態」であassociated protein1（Keap1）と細胞質において結合し、り、西洋学的未病は「自覚症状はないが検査値が異常をユビキチン化されてプロテアソームにより分解される。

示す状態」と考えられる。本稿では話を具体的に進める

Keap1 が親電子性物質や ROS・RNS により酸化修飾をために、肥満を介して糖尿病に至る経路と加齢により疾受けると Nrf2 のユビキチン化は減弱し、分解を免れた患に至る経路を例にとって未病について考察する。前者

Nrf2 は核に移行し標的遺伝子群を活性化する。Nrf2 ははインスリン抵抗性や血糖値で異常を検出できるため、小 Maf タンパク質とヘテロ二量体を形成して抗酸化剤

西洋学的未病で考えると理解しやすく、後者は東洋学的応答配列（ARE）に結合する。Nrf2 の標的遺伝子にはにも西洋学的にも考えうる。いずれにおいても、糖尿病グルタチオン転移酵素（GST）やキノン還元酵素（NQO1）に至る過程や、加齢性疾患の発症する前の未病の段階になどの親電子性物質解毒化酵素、ヘムオキシゲナーゼおける生体内の変化を分子レベルで理解し、予防に繋げ（HO-1）やチオレドキシン還元酵素などの抗酸化タンパることが重要な課題である。

ク質、薬物トランスポーター、抗炎症性因子などがある。
一方、小胞体ストレス、アミノ酸飢餓、ヘム欠乏、ウイルス感染などの種々のストレスは、それぞれ特異的なキナーゼ（PERK、GCN2、HRI、PKR）を介して eIF2α

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をリン酸化し、ATF4 を翻訳レベルで活性化し一連の遺［3］。このように ATF4 は伝子応答を惹起する（図２B）

多岐にわたるストレスにより活性化されるため、eIF2
α-ATF4 を介した遺伝子応答は統合的ストレス応答（Integrated Stress Response） と 呼 ば れ る。ATF4 は－ 15 －

要介護
重症化

図１AAQOL

代謝障害

臓器障害

未病期

発症

BB

年齢

東洋医学的⾒地

⻄洋医学的⾒地

⾃覚症状あり
検査値異常なし
未病の段階

要介護⾃覚症状なし検査値異常あり
疾患
前段階

未病の段階

疾病

重症化
年齢B

東洋医学的⾒地

⻄洋医学的⾒地

図１

⾃覚症状あり⾃覚症状なし検査値異常なし
C/EBPγまたは C/EBPβと相互作用してアミノ酸飢餓
検査値異常あり鎖複合体 V の阻害がミトコンドリアプロテアーゼである OMA1 を活性化し、それによって切断された DELE1応答配列（AARE）に結合し、主に細胞膜表面のアミノ未病の段階
未病の段階
疾患（DELE1s）が HRI を活性化することが HEK293T 細胞前段階
酸トランスポーターやアミノ酸合成酵素、CHOPなどの転写因子の遺伝子発現を活性化する［3］。

を用いて明らかにされた［5，6］。また、呼吸鎖複合体 I ま

疾病

たは III の阻害が NADH/NAD+ 比の上昇に伴うアスパATF4 活性化を未病マーカーとする先制予防治療

ラギンの枯渇を介して GCN2 を活性化することが筋芽

前述のとおり ATF4 活性化は小胞体ストレス、アミ細胞株 C2C12 において報告された［7］。しかしながら、ノ酸飢餓などの種々の内因性ストレスにより起こる。し複合体 I の阻害が PERK を介して ATF4 標的遺伝子でたがって、ATF4 活性化やその標的遺伝子の発現誘導はある FGF21 や GDF15 の発現を誘導するとする報告も生体のストレス度の指標となりうる。近年、ATF4 は哺あり［8］、ミトコンドリアストレスの種類や細胞種によっ乳動物におけるミトコンドリアストレスに応答する代表て ATF4 活性化経路が異なることが予想される［4］。

［4］的な転写因子であることが確立された（図３） 。ミトコ

興味深いことに、種々の病態モデルにおいて ATF4ンドリアストレスによる ATF4 活性化は主に HRI あるの活性化が未病マーカーとなることが示唆されている。

いは GCN2 を介することが報告されている。近年、呼吸例えば、フラタキシン発現低下による拡張型心筋症［9］やROS/RNS
親電⼦性物質A

図２核移⾏

標的遺伝⼦標的遺伝⼦
・解毒代謝酵素 (NQO1, GSTs)
・抗酸化物質関連酵素 (GCL, PRDX)・抗炎症タンパク質 (HO-1)
・多剤耐性関連タンパク質 (MRP)・タンパク質品質管理遺伝⼦ (PSMB)
・ミトコンドリア品質管理遺伝⼦ (PINK1, PGC1α)

プロテアソームによるNrf2分解

B
⼩胞体ストレス
低酸素

アミノ酸飢餓酸化ストレス
紫外線

HRI

ヘム⽋乏
酸化ストレスGCN2

PERK

ウイルス感染

PKR
アミノ酸飢餓応答
オートファジーの制御
⼩胞体ストレス応答
酸化ストレス応答

選択的翻訳
eIF2α

ATF4
ATF4 C/EBPsAARE

全般的なタンパク質の翻訳

図２－ 16 －

標的遺伝⼦

図３

ROS
アミノ酸飢餓リボソーム停滞ETC阻害
OMA1
内膜の脱分極DELE1の切断

GCN1
GCN2

DELE1s
HRIP
eIF2α

翻訳抑制

eIF2α
ATF4
図３のようなことから、老化などに伴うミトコンドリアの変複合体 I 阻害によるドーパミン作動性ニューロン変性モ［10］において、細胞の変性が観察されるかなり以前

調によりATF4 が活性化される際、Nrf2 との相互作用から ATF4 転写経路の発現が起こっていることが報告によるATF4 の機能修飾が老化を抑制する因子となり得されている。実際、ATF4 の標的遺伝子である FGF21

る。また、未病での ATF4 活性化を指標として Nrf2 を

デルや GDF15 は血中で検出されるサイトカインでありミト活性化することで HO-1 や xCT といった抗酸化酵素やグコンドリア病のマーカーとしても有望視されている。こルタチオン合成に関わる酵素の発現を増強するとともに、のような ATF4 標的遺伝子を未病マーカーとして用い

CHOP による細胞死を抑制することが推察される（図３）。

ることで、病態進行前の初期段階で介入する先制医療の実現につながる可能性がある。

Aging における Nrf2 と ATF4 の役割

Nrf2 と ATF4 の相互作用による転写制御

複数の報告がなされている［15］。この低下は、ラットにNrf2 は加齢に伴いその発現 / 活性が低下するという
酵母ツーハイブリッドスクリーニングにより Nrf2 とおいては心臓や筋肉で Nrf2 遺伝子の発現低下を伴い、ATF4 が相互作用することが、我々を含む複数のグルー肝臓では Nrf2 遺伝子の発現低下は伴わずに miRNA の［著者ら未発表データ］。Nrf2プによって見出された［11］発現増加が寄与するという報告があるので、多様な分子と ATF4 は抗酸化酵素や神経栄養因子（NGF）の転写機構の存在が示唆される［16］。また、ビタミン様の補酵素で［12，13］。ATF4 は CHOP のを 協 調 的 に 誘 導 す る（ 図 ４）あるα-リポ酸は Nrf2 活性化能を有し、老化による Nrf2発現を誘導する一方、Nrf2 は CHOP の転写制御領域へ低下を抑制する［17］。加えて、カロリー制限は種を超えて図４最大寿命を延長することが知られており、Nrf2 はカロリーの ATF4 結合を阻害してこの発現を抑制する［14］。こ⽼化
統合的ストレス応答

ミトコンドリアストレス

酸化ストレス

予防的介⼊

ATF4
ASNS, Trib3,
PSAT1, SHMT2
MTHFD2, Parkin
代謝適応・
ミトコンドリア恒常性維持

ORP150

NRF-1,PINK1

CHOP

アポトーシス

加齢性変性疾患
図４－ 17 －HO-1, γGCS,
xCT,TXNRD1

GSTs,
NQO1

抗酸化・解毒生など）である脂肪組織のインスリン抵抗性が未病を考え制限による最大寿命の延長には必要ではない一方で、抗［18］。さらに近る上で注目されている［24］。一方、分枝鎖アミノ酸の異年、C57BL/6 雄マウスにおいて Nrf2 の欠失は通常飼育化代謝が低下することが２型糖尿病の発症早期に観察さ下の最大寿命を短縮することが明らかになった［19］。私れ、この結果生じる血中分枝鎖アミノ酸の上昇が糖尿病

たちは最近、Nrf2 の発現に関わるプロモーター領域の発症の予見に重要であることが報告されている［25］。興SNP が血管の老化指標である血管硬化度（baPWV）の味深いことに 2 型糖尿病モデルマウスにおける分枝鎖ア年齢依存的老化速度に影響することを明らかにした［20］。

ミノ酸の異化代謝遺伝子の低下は脂肪組織で最も顕著でこのように Nrf2 は Aging の制御因子としても近年注目ある。インスリン抵抗性の原因としては、セラミドのを浴びつつある。一方、ATF4 についても、ラットで蓄積などをはじめとする種々の原因によるミトコンド

は多くの組織で加齢に伴いタンパク質レベルで発現が低リアの ROS 産生が関与することが報告されている［24］。

下するという報告がある［21］。しかしながら ATF4 がミ

ATF4 は高脂肪食投与マウスの肝臓や膵臓β細胞などでトコンドリア障害や小胞体ストレスによって活性化する活性化することが報告されている［26，27］。さらに脂肪細こと、ミトコンドリア障害は年齢に伴って増加すること

胞あるいは褐色脂肪細胞における ATF4 の活性化は高を考えると、加齢に伴うストレスにより ATF4 の活性脂肪食投与による肥満や糖代謝の悪化を改善する［28，29］。

は増加することが予想される（図 4）。また、種々の病

一方で、Nrf2 活性化物質であるスルフォラファンは 2態モデルの解析から、ATF4 活性化が加齢に伴う神経変型糖尿病の発症を抑制することが報告されている［30-32］。

癌活性には重要であることが示されている［22，23］、

FGF21 はインスリン抵抗性改善などに寄与するサイト

ATF4 による細胞生存と細胞死誘導の切り替えの制御がカインとして知られているが、ATF4 と Nrf2 の両方に各臓器の機能維持に重要であることが示唆される。したよって制御されることが報告されている ［33］。2 型糖尿

がって Nrf2 活性化剤により Nrf2 と ATF4 が制御する病の発症における Nrf2 と ATF4 の相互作用の詳細はよ転写ネットワークのバランスを変換することは健康な加くわかっていないが今後解析されるべき課題である。

性症や網膜疾患、筋萎縮に関わることが報告され齢の実現に重要である可能性がある（図４）。
おわりに２型糖尿病における Nrf2 と ATF4 の役割

私たちは ATF4 活性化を病態マーカーとした Nrf2 活

２型糖尿病は複数の遺伝的素因と環境要因が複雑に絡性化の介入がミトコンドリア障害による細胞変性を伴うみ合いながら発症する（図５）。さらに、肝臓、脂肪細疾患の予防に有効である可能性があることをこれまでに胞などの代謝関連臓器はエネルギー代謝において密接に提案してきた［4］。アルツハイマー病やパーキンソン病なクロストークし、脂肪などの特定の臓器で起きたインス

どの変性疾患においてはミトコンドリア機能障害が病態リン抵抗性が全身性のインスリン抵抗性を引き起こすこの背景にあることを考えると、未病期からの Nrf2 活性［24］。また、種々の解析により、脂肪化剤による介入がこれらの疾患の予防に重要である可能組織に隔離できなくなったトリグリセリドが遊離脂肪酸と性がある。一方で、Nrf2 および ATF4 の動態は、未病して血中に漏出し組織に蓄積する脂肪毒性がインスリン抵期における恒常性維持機構のごく一部を捉えているに過抗性の原因であることが示唆されている。このような背景ぎず、網羅的なオミックス解析や AI の活用などによりから、エネルギー貯蔵及び内分泌臓器（アディポカイン産全体像を描き出していくことが今後重要である。とも報告されている

脳ATF4
活性化

⾻格筋
遺伝的素因

肝臓セラミド
遊離脂肪酸

栄養過多

ミトコンドリア
機能異常

⾎中分枝鎖アミノ酸
⾎中分⼦鎖ケト酸

ROS

インスリン抵抗性

⽩⾊脂肪

アディポネクチン
２型糖尿病

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Ken Itoh, Kazuki Hasegawa and Shuya Kasai
Department of Stress Response Science, Center for Advanced Medical Research, Hirosaki
University Graduate School of Medicine

Abstract
Mibyou can be considered as state of the people who have metabolic disturbance andslight physical complaints, but are not diagnosed with disease. Metabolic disturbance during
Mibyou period evokes stress response in the subjects to maintain homeostasis. Thus, it iscritical to measure the dynamic stress response to visualize and capture the state of Mibyou.
Mitochondrial stress is one such stress that potentially leads to the generation of reactive
oxygen species (ROS) and oxidative stress. Nrf2 and ATF4 respond to electrophiles/ROS/reactive nitrogen species and ER stress/amino acid starvation etc., respectively. We
previously found that Nrf2 interacts with ATF4 to cooperatively induce a set of antioxidant
genes. In this review article, we discuss the role of stress response and homeostasis during
Mibyou period by focusing on Nrf2 and ATF4 in aging and type 2 diabetes.

Keywords：Nrf2, ATF4, ISR, mitochondria, Mibyou－ 20 －