HMG CoA還元酵素活性調節機構とスタチン

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コレステロール合成はアセチルCoAを出発基質として，およそ30段階の酵素反応を介して行われる．こうして炭素数2の化合物から炭素数27の複雑な構造を有する化合物がヒト肝臓で1日1g程度合成されると推定されている．

したがって，この合成経路を遮断することは体内コレステロール量を減少させるのに有効であり，そのような考えに基づき，合成経路の律速酵素HMG CoA還元酵素の阻害剤であるコンパクチンが遠藤らにより開発された．コレステロール合成は，最終産物であるコレステロールによるネガティブフィードバック制御による精緻な調節機構のもとに進行している．その一つの機構として，HMG CoA還元酵素をはじめとする合成に関与するすべての酵素の遺伝子発現はコレステロール量の増加に伴い，転写レベルで減少する．同時にHMG CoA還元酵素タンパク質は細胞内コレステロール量が増加すると，速やかに分解される．合成経路の律速酵素であるHMG CoA還元酵素はこの2つの制御を受ける唯一の酵素である．このように細胞内でコレステロール量を制御するシステムとして，

HMG CoA還元酵素活性は精妙にコントロールされており，その制御機構の細胞生物学的解明にスタチンは極めて重要な役割を担ってきた．

HMG CoA還元酵素遺伝子の発現調節機構

コレステロール合成に関与するほとんどすべての酵素の遺伝子発現は転写レベルで制御されている（図1_）_．つまり，細胞内のコレステロールが少なくなると合成が上昇し，一方，過剰状況下では合成は抑制される．この時，各酵素遺伝子のmRNA量がそのタンパク質の発現量，酵素活性を決めている．培養細胞をスタチン添加培地で培養すると細胞内コレステロール量は低下し，やがて合成酵素遺伝子群の発現が上昇する．この転写制御に関与する新たな転写因子としてSREBP（sterol regula- tory element-binding protein）が1985年ノーベル生理学・医学賞受賞者のGoldstein/Brown両博士のグループによって発見された^(1, 2)．筆者はこのグループの一員として，この転写因子がそれまで例のないことに膜タンパク質として合成されたのちに，N末端側の活性型部位が切断されて，核へと移行し，転写因子活性を示すことを明らかにした^(3, 4)．その後，この過程にはSREBP結合タンパク質であるSCAP（SREBP cleavage-activating protein）が小胞体膜上でSREBP/SCAP複合体を形成することが必須であり⁽⁵⁾，細胞内コレステロール量が低下したときに，複合体はゴルジ装置へと輸送され，そこで SREBPは切断を受ける機構が明らかにされた（図2_）_．

培養細胞をコレステロールリッチな培地で培養すると，

小胞体の膜コレステロール量が増加し，これをSCAPが感知し，膜貫通領域で構造変化が生じたSCAPに，第3 の膜タンパク質であるINSIG（insulin inducing gene）

2017年ガードナー国際賞受賞記念特集

佐藤隆一郎

Ryuichiro SATO, 東京大学大学院農学生命科学研究科・応用生命化学専攻

図1^■コレステロール生合成経路

図2^■SREBPの活性化経路とHMG CoA還元酵素遺伝子発現制御

日本農芸化学会

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が結合し，SREBP/SCAP/INSIG三量体が形成され，その結果，三量体は小胞体膜上に滞留し，SREBPは転写因子として核内で機能しないことになる．一方，スタチンを培地に添加し，細胞内コレステロール量を低下させると，上述の三量体からINSIGが解離し，その結果，

SREBP/SCAP複合体はゴルジ装置へと輸送され，続いて，SREBPの活性型部位が切断されることで，SREBP 応答遺伝子発現は亢進する⁽⁶⁾．このようにSCAPの膜貫通領域は小胞体膜コレステロールを感知する機能を有していると推測されるが，同じくHMG CoA還元酵素の膜貫通領域も同様の機能をもち，これら膜貫通領域に共有される領域としてSSD（sterol-sensing domain）が明らかにされた．SSDを有する膜タンパク質としては，リソソームからコレステロールの細胞内輸送を担う NPC1，コレステロール修飾される分泌タンパク質ヘッジホッグの受容体Patched，小腸でのコレステロール輸送体であるNPC1L1が挙げられる．

スタチンとHMG CoA還元酵素

哺乳類HMG CoA還元酵素は，887あるいは888アミノ酸残基からなる⁽⁷⁾．本酵素は8回膜貫通領域をもつ小胞体膜タンパク質で，C末端側を細胞質に突き出し，この領域に酵素活性領域をもつ（図3_）．細胞質でHMG CoA

をメバロン酸へと変換する酵素であり，この酵素活性にとって8回の膜貫通領域は必要ではない．しかし，上述したように，この領域はSSDを有し，細胞内のコレステロール量を感知して，酵素タンパク質の分解速度を変化させ，酵素活性を調節する役割を担っている．

1980年代後半に細胞内のAMP濃度上昇により活性化される新たなキナーゼとしてAMP kinaseが発見された．AMP kinaseの基質として列挙された数少ないタンパク質にHMG CoA還元酵素が挙げられる．ハムスターのHMG CoA還元酵素では871番目のSer残基がAMP kinaseによりリン酸化されると，不活性型となる．コレステロールの多少に応じてHMG CoA還元酵素タンパク質の分解が調節される機構と，AMP kinaseによるリン酸化を介した不活性化機構は互いに独立した経路か否かについて検討したところ，この2つのシステムは互いに独立した経路であることを筆者らは明らかにした⁽⁸⁾．すなわち，AMP kinaseが活性化されるエネルギー枯渇条件下では，コレステロール量の変動に先駆けてエネルギー浪費を避けるためにもHMG CoA還元酵素活性を低下させ，コレステロール合成を抑制するシステムが働いていることが明らかになった．

CHO細胞をコンパクチンを含む培地で培養し，生存する細胞を選択することでUT1細胞が樹立された．この細胞ではHMG COA還元酵素タンパク質発現が通常細胞の

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筆者は，博士学位取得後に私立大薬学部に助手として採用され，コレステロール代謝研究を開始した．

ちょうどその頃，テキサス大学のGoldstein博士と Brown博士がコレステロール代謝調節に関する研究で 45歳，44歳の若さでノーベル生理学・医学賞を受賞された（この受賞に遠藤先生のコンパクチンは多大な貢献をした）．二人はそれまでの十数年間，同じ大学で共同研究を続け，ノーベル賞を手にされた（現在も共同研究を45年間継続させている）．私が手に取り勉強する論文の多くは，両先生の研究成果であり，その学問業績には圧倒される日々であった．4年が経過した頃，

留学を真剣に考え，無謀にも両先生のところで博士研究員として採用していただけないかという趣旨のair mailを送った．私は，LDLに含まれるアポリポタンパク質Bが肝臓で合成・分泌される過程で50％近くが細胞内で分解される奇妙な現象を見いだしていた．市販試薬として手に入る以前からBrefeldin Aを入手し，

細胞内の小胞輸送を抑制した状況下でもこのタンパク質分解は再現できた．現在では小胞体がタンパク質品

質管理システムの場として機能することは広く知られているが，当時は全く新しい概念であった．小胞体近傍で分解されるタンパク質として，私の見いだしたアポリポタンパク質B（Sato : ., 17267

（1994））と並んでHMG CoA還元酵素が数少ない例として列挙されていた．このような私の研究成果に興味をもたれ，両先生は快く私を雇用して下さり，HMG CoA還元酵素の分解機構研究を開始した．しかし，研究は難渋を極め，分解機構の詳細を解明するには至らなかった．実際，本解説で示した分解機構が紐解かれるのにはさらに十数年の時を要した．それでも遠藤先生の開発されたコンパクチンで培養細胞を叩き，コレステロールを枯渇させ，HMG CoA還元酵素タンパク質を必死に追跡した日々は懐かしくもある．ノーベル賞受賞者の両先生と過ごした4年間の前半はこの研究に費やし，本解説でも引用した論文（文献8）として形にすることができた．50名近くが在籍する大研究室から出る論文の中で，両先生と合わせて3名の共著者の論文は極めて数が少ない．私の誇りとする論文となった本研究では，もちろんコンパクチンが多用されている．

コラム

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100から1,000倍程度にまで上昇していた⁽⁹⁾．つまり，スタチンによるコレステロール合成阻害を回避するために過剰量のHMG CoA還元酵素が産生され，耐性細胞株が樹立された．スタチン投与患者でも程度の差はあるものの，HMG CoA還元酵素量は多くなる傾向があり，スタチンの効果が次第に減弱すると考えられている．

ステロールによるHMG CoA還元酵素分解機構 HMG CoA還元酵素は膜貫通領域にSSDを有し，細胞内のコレステロール量を感知していると考えられている．しかし，実際にはコレステロール合成経路の上流に位置するラノステロールならびにその代謝産物24,25-ジヒドロラノステロールが蓄積すると，速やかなHMG CoA還元酵素の分解が観察される⁽¹⁰⁾．HMG CoA還元酵素のユビキチン‒プロテアソーム分解系での分解には，

同じく小胞体膜タンパク質のINSIGが関与する．INSIG は先に述べたようにSREBP/SCAP複合体の小胞体からゴルジ装置への輸送を足止めする役割を担うタンパク質である．INSIGには構造の酷似したINSIG-1とINSIG-2 が存在し，いずれも酸化コレステロールを結合して安定化する．細胞内酸化コレステロールは，27-ヒドロキシコレステロールもしくは25-ヒドロキシコレステロールが主たる分子種であり，いずれも細胞内コレステロール量の増加に伴い産生も増加すると考えられている．こうして細胞内のコレステロール量が増加傾向にあると，小胞体膜上でHMG CoA還元酵素-INSIG-1/-2複合体が形成される⁽¹¹⁾．この際にINSIG-1と-2のいずれが優先的に関与するかについては不明な点が多い．また，コレステロール過剰条件下では，SREBP/SCAP複合体にINSIG が結合するので，この時INSIG-1/-2はSCAPとHMG CoA還元酵素のいずれかと結合することとなる（図4_）_．

SCAPのSSD中の配列を詳細に調べた研究結果によると，膜貫通領域に存在するTyr-Ile-Tyr-Pheという配列を介してSCAPとINSIGが結合する．HMG CoA還元酵素のSSDにも同一の配列が存在し，ここにINSIGは結合する．したがって，INSIG結合に関して，SCAPと HMG CoA還元酵素は競合状態にあると言える．

HMG CoA還元酵素と結合したINSIG-1/-2は，ユビキチン化の最終段階を触媒するE3 ligaseであるgp78もしくはTRC8をリクルートして，複合体を形成する．正確には，INSIG-1はgp78, TRC8のいずれかを結合でき，

INSIG-2はTRC8とのみ複合体を形成できると示されている⁽¹²⁾．これらのE3 ligaseの作用によりHMG CoA還元酵素の89番目と248番目のLys残基にユビキチンが複数付加され，プロテアソームによる分解のシグナルとなる（図3参照）．このようなユビキチン化に並行して INSIG複合体はさらにVCP（valosin-containing protein）/p97を含む複数の因子をリクルートし，小胞体膜を8回貫通する領域を膜から引き離し，細胞質へと導く作業を行う．こうして細胞質へ出たHMG CoA還元酵素はプロテアソームによる分解を受ける．

非ステロールによるHMG CoA還元酵素の分解 HMG CoA還元酵素の分解はラノステロールや酸化コレステロールなどのステロール類に加えて，炭素数20 からなる非ステロール化合物であるゲラニルゲラニノールを培地に添加するとさらに早まることが知られている．ゲラニルゲラニノールは細胞内でゲラニルゲラニル 2リン酸へと変換することから，HMG CoA還元酵素タンパク質分解はコレステロール合成の中間体と最終産物のステロールの両方の作用により，制御されていると考えられてきた．長い間不明であったコレステロール合成中間体による制御に関して，HMG CoA還元酵素の膜貫通領域と結合する因子の詳細な解析の結果，新たな因子としてUBIAD1（UBiA prenyltransferase domain-containing protein-1）が見いだされた⁽¹³⁾．

UBIAD1はプレニル基転移酵素のUBiAファミリーの一つで，極めてまれな常染色体優性遺伝病のシュナイダー角膜ジストロフィーの原因遺伝子として知られている．本疾患は両眼性角膜混濁を特徴として，角膜に過剰の非エステル態の遊離コレステロールが蓄積する．本酵素はメナジオン（ビタミンK3）にゲラニルゲラニル2 リン酸を転移してメナキノン-4（ビタミンK2）の生成に関与する（図1参照）．UBIAD1は338アミノ酸残基からなり，膜貫通領域を8つもつ膜タンパク質と推定され図3^■小胞体膜上のHMG CoA還元酵素

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ている．UBIAD1は膜タンパク質として小胞体膜に存在し，酸化コレステロール存在下でHMG CoA還元酵素-INSIG-1/-2複合体に結合する（図5_）_{．この状況下で} UBIAD1に基質であるゲラニルゲラニル2リン酸が結合すると，UBIAD1はHMG CoA還元酵素-INSIG-1/-2複合体から解離し，ゴルジ装置へと輸送される．UBIAD1 の小胞体からゴルジ装置への輸送は，細胞にスタチンを作用させゲラニルゲラニル2リン酸産生を低下させると，抑制される．また，UBIAD1の小胞体膜上からの消失によりHMG CoA還元酵素の細胞質への掃き出しが進行し，やがてプロテアソームによる分解へとつながる．

一方，十分にゲラニルゲラニル2リン酸が供給されないと，UBIAD1はHMG CoA還元酵素-INSIG-1/-2複合体と結合し，HMG CoA還元酵素の分解は進行しないこととなる．UBIAD1分子の分解機構の中での詳細な役割については，十分に解明が進んでいないが，ステロールと非ステロールの協調的作業による分解機構は徐々に明らかにされつつあると言える．

まとめ

高コレステロール血症の治療薬として開発されたスタチンは臨床薬として，人類の健康・福祉に多大な貢献をした．同時に細胞内でのコレステロール代謝調節機構の解明に有効なツールとして多用され，多くの研究成果を導いた．小胞体膜上は，コレステロール代謝調節に関与する数多くの制御因子の局在する部位であり，この膜上で繰り広げられる精緻な生命現象の解明はまだ完結していない．遠藤先生の開発されたスタチンの活躍する機会は，細胞生物学領域においては当分減りそうにもない．

文献

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プロフィール

佐藤隆一郎（Ryuichiro SATO）

＜略歴＞1980年東京大学農学部農芸化学科卒業／1985年同大学大学院農学系研究科修了／1986年帝京大学薬学部助手／

1990年同上退職，テキサス大学サウスウエスタンメディカルセンター博士研究員／

1994年帝京大学薬学部講師復職／1995年大阪大学大学院薬学研究科助教授／1999 年東京大学大学院農学生命科学研究科助教授／2004年同教授，現在に至る／2017年日本農芸化学会会長＜研究テーマと抱負＞

生体内代謝制御機構の解析と食品機能の探索．食の機能活用により健康寿命の延伸を目指す＜趣味＞お城巡り

の結合

図5■UBIAD1を介したHMG CoA還元酵素分解の概要

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