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Rac1と糖尿病: ポジティブな役割とネガティブな役割 CYTOSKELETON NEWS 2016年4月号

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CYTOSKELETON NEWS 2016年4月号 Rac1と糖尿病: ポジティブな役割とネガティブな役割

Rac1と糖尿病: ポジティブな役割とネガティブな役割

はじめに

血糖値の上昇が膵臓β細胞で感知されると、ミトコンドリアでの糖代謝を含む、複雑なシグナル伝達経路を介した応答がおこります1。この経路では、最終的に細胞内のインスリンを含む小胞が細胞膜に融合し、インスリンが血中に放出されます(グルコース刺激インスリン分泌(GSIS: glucose-stimulated insulin secretion)と呼ばれます1)。その後、骨格筋、脂肪組織、肝臓などのインスリン標的組織によって、血糖の正常化が促進されます。インスリンは、標的組織の細胞上でインスリン受容体に結合すると、グルコース輸送体である GLUT4 を移行させるシグナルを伝達し、GLUT4 が活発に細胞膜との間を往復することで、血液からの糖(グルコース)取り込みが可能になります2

慢性的な高血糖(高血糖症)は、脂質毒性(脂質異常症)を伴う糖毒性の状態を引き起こし、2型糖尿病(T2D: Type 2 Diabetes)の発症につながります。糖尿病の発症率は上昇し続けており、世界の糖尿病人口は2015年の時点で推定 4億1500万人に上ります3。2型糖尿病において持続的高血糖を引き起こす要因となるのは、一般的には標的組織におけるインスリン抵抗性と、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)の撹乱です4。2型糖尿病患者が、血糖値を制御するために、食事療法に加えて運動を推奨されることは注目に値します。運動療法は、骨格筋の収縮によって、インスリン非依存性の機構を介した糖取り込みが起こることを利用しています5

Rac1 のポジティブな役割 - 糖(グルコース)制御の促進

Rho ファミリー低分子量 GTPase である Rac1 は、膵臓β細胞でのグルコース刺激インスリン分泌(GSIS)と、骨格筋での GLUT4 の細胞膜移行の両方のプロセスで、重要な役割を担っています。この2つのプロセスにおける Rac1 の役割は、皮質アクチン構造の変化を介した小胞輸送の促進であると考えられます6-7。マウスの遺伝子ノックアウト、または、siRNA による Rac1 の抑制のいずれかにより、 Rac1 の機能を低下させると、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)が抑制されます6,8。また、Rac1 と、その上流の活性化因子であるグアニンヌクレオチド交換因子(GEF)との結合を阻害することにより、直接/間接的に Rac1 の活性化を阻害する小分子を用いて、Rac1 のグルコース刺激インスリン分泌(GSIS)における重要性が薬理学的に確認されています。間接的な阻害剤である NSC23766 および EHop-016 は、Rac1 と グアニンヌクレオチド交換因子(GEF)である Tiam1 および Vav2 との相互作用を、それぞれ阻害します9-10

これらの阻害剤を、INS 832/13 細胞 および 初代ラット膵島細胞に用いたところ、グルコースにより誘導される Rac1の活性化と膜結合が抑制され、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)が減少しました11-12。また、INS 832/13 細胞の Tiam1 または Vav2 siRNA ノックダウンも、グルコースにより誘導される Rac1 の活性化を阻害することから11-12、グルコースに応答して活性化された Rac1 に対するこれらのGEFの役割が確認されました。さらに、INS 832/13 細胞において、Rac1 の直接的な阻害剤である EHT 186413 も、グルコースにより誘導される Rac1 の活性化を阻害し、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)を抑制します14。本稿では Rac1 に注目していますが、その他の低分子量Gタンパク質(例: Cdc42、Arf6)も、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)に関与することを補足しておきます15

上述のように、血液中に循環するインスリンに応答して、標的組織で GLUT4 受容体の移行が起こります。Rac1 が GLUT4 の移行に関与しないと考えられる脂肪組織を除いて、このプロセスには、Rac1 とその下流のエフェクターキナーゼである PAK1 が必要となります16。また、Rac1 が、筋収縮による糖取り込みに関与しているのも興味深いことです17。マウスとヒトの骨格筋において、Rac1 と PAK1 の両方が、インスリンに応答して活性化されることが示されています18。Rac1 を筋特異的にノックアウトしたマウスでは、インスリン依存性の PAK1 活性化、GLUT4 の移行、インスリン刺激による骨格筋の糖取り込みが減少します7。また、これらのマウスでは、インスリン応答が全体的に低下することから、骨格筋が糖(グルコース)制御に重要な役割を担っていることが示されます。これらの知見と一致して、低分子量 Rac1 阻害剤 II を薬理学的に使用すると、マウス骨格筋の糖取り込みが低下することが示されています19

グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)の模式図

図1
(左)グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)の模式図。Rac1 の役割を赤で示す。
(右)標的組織におけるインスリンシグナル伝達。Rac1のポジティブ/ネガティブな役割を赤で示す。

Rac1 のネガティブな役割 - 糖尿病合併症の促進

活性型 Rac1(GTP結合型)は、NADPH オキシダーゼ(Nox)ホロ酵素に必須の構成成分で、ミトコンドリアでの余分な活性酸素種(ROS)の生成に重要な役割を果たしています20。グルコースは、Nox 依存性の ROS 生成を刺激し、ROS の持続的な増加は、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)が適切に起こるために重要であることがわかっています21。しかし、慢性的な高血糖/脂質異常症は、部分的に Rac1/Nox2 を介した ROS の過剰産生につながり、β細胞の機能不全が進展した結果として、グルコース刺激インスリン分泌(GSIS)が低下します22

管理の不十分な2型糖尿病の長期的な合併症には様々なものがあり、糖尿病性網膜症、神経障害、腎症、心筋症などが含まれます23。また、Rac1は、Rac1 による ROS の過剰産生を介して、上記の病態の(全てではありませんが)大部分に関与していることが数多く報告されています。Rac1 の関与する例を挙げると、糖尿病性心筋症では、Rac1 による ROS 産生が心筋細胞のアポトーシスにつながります24。糖尿病性網膜症では、Rac1 が、疾患の進行に不可欠なステップである血液網膜関門の崩壊を促進することが示されています25。また、Rac1/PAK1 シグナル経路は、糖尿病性腎症に関連する線維症の発症に不可欠な、腎臓での上皮間葉転換(EMT: endothelial-to-mesenchymal transition) として知られるプロセスを促進し、ポドサイト(足細胞)障害に重要であることが示されています26

まとめ

Rac1 が、2型糖尿病に生理学的かつ病理学的に重要な役割を果たすことが報告されています。このことは、Rac1 を直接標的とした糖尿病の治療には、課題が存在する可能性があることを意味します。対照的に、Rac1 を直接標的として開発された腫瘍薬にとっては、薬剤が癌細胞の糖取り込みを変化させることが利点となる可能性があります。Cytoskeleton社では、生細胞と固定細胞の両方で、Rac1(およびその他の低分子量Gタンパク質)とアクチン細胞骨格のダイナミクスの研究にご使用いただける、試薬・キットを販売しております。

参考文献
  1. Meda P and Schuit F 2013. Glucose-stimulated insulin secretion: the hierarchy of its multiple cellular and subcellular mechanisms. Diabetologia 56, 2552-2555.
  2. Foley K, et al. 2011. Endocytosis, recycling, and regulation of exocytosis of glucose transporter 4. Biochemistry 50, 3048-3061.
  3. IDF 2015 Diabetes Atlas. http://www.diabetesatlas.org/resources/2015-atlas.html
  4. Unger RH and Grundy S 1985. Hyperglycemia as an inducer as well as a consequence of impaired islet cell function and insulin resistance: implications for the management of diabetes. Diabetologia 28, 118-121.
  5. Goldstein MS, et al. 1953. Action of muscular work on the transfer of sugars across cell barriers; comparison with the actions of insulin. Am J Physiol 173, 212-216.
  6. Asahara A, et al. 2008. Rac1 regulates glucose induced insulin secretion through modulation of cytoskeletal organization in beta cells. Diabetes 57(supplement), A55.
  7. Ueda S, et al. 2010. Crucial role of the small GTPase Rac1 in insulin-stimulated translocation of glucose transporter 4 to the mouse skeletal muscle sarcolemma. FASEB J. 24, 2254-2261.
  8. Kowluru A 2011. Friendly, and not so friendly, roles of Rac1 in islet ß-cell function: lessons learnt from pharmacological and molecular biological approaches. Biochem Pharmacol 81, 965-975.
  9. Gao Y, et al. 2004. Rational design and characterization of a Rac GTPase-specific small molecule inhibitor. Proc Natl Acad Sci USA 101, 7618-7623.
  10. Montalvo-Ortiz BL, et al. 2012. Characterization of EHop-016, a novel small molecule inhibitor of Rac GTPase. J Biol Chem 287, 13228-13238.
  11. Veluthakal R, et al. 2009. Regulatory roles for Tiam1, a guanine nucleotide exchange factor for Rac1, in glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic ß-cells. Biochem Pharmacol 77, 101-113.
  12. Veluthakal R, et al. 2015. Vav2, a guanine nucleotide exchange factor for Rac1, regulates glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic beta cells. Diabetologia 58, 2573-2581.
  13. Shutes A, et al. 2007. Specificity and mechanism of action of EHT 1864, a novel small molecule inhibitor of Rac family small GTPases. J Biol Chem 282, 35666-35678.
  14. Sidarala V, et al. 2015. EHT 1864, a small molecule inhibitor of Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 (Rac1), attenuates glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic ß-cells. Cell Signal 27, 1159-1167.
  15. Jayaram B, et al 2011. Arf nucleotide binding site opener [ARNO] promotes sequential activation of Arf6, cdc42 and Rac1 and insulin secretion in INS 832/13 beta-cells and rat islets. Biochem Pharmacol 81, 1016-1027.
  16. Marcusohn J, et al. 1995. The GTP-binding protein Rac does not couple PI3-kinase to insulin-stimulated glucose transport in adipocytes. Curr Biol 5, 1296-1302.
  17. Sylow L, et al. 2013. Rac1 is a novel regulator of contraction-stimulated glucose uptake in skeletal muscle. Diabetes 62, 1139-1151.
  18. Sylow L, et al. 2013. Rac1 signaling is required for insulin-stimulated glucose uptake and is dysregulated in insulin-resistant murine and human skeletal muscle. Diabetes 62, 1865-1875.
  19. Sylow L, et al. 2014. Akt and Rac1 signaling are jointly required for insulin-stimulated glucose uptake in skeletal muscle and downregulated in insulin resistance. Cell Signal 26, 323-331.
  20. Abo A, et al. 1991. Activation of NADPH oxidase involves the small-GTP binding protein p21rac1. Nature 353, 668-670.
  21. Pi J, et al. 2007. Reactive oxygen species as a signal in glucose-stimulated insulin secretion. Diabetes 56, 1783-1791.
  22. Newsholme P, et al. 2009. Insights into the critical role of NADPH oxidase(s) in the normal and dysregulated pancreatic beta cell. Diabetologia 52, 2489-2498.
  23. Mayo Clinic: http://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/diabetes/basics/complications/con-20033091
  24. Shen E, et al. 2009. Rac1 is required for cardiomyocyte apoptosis during hyperglycemia. Diabetes 58, 2386-2395.
  25. Li Y-J, et al. 2015. Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 activation is involved in the pathogenesis of diabetic retinopathy. Exp Therap Med 9, 89-97.
  26. Lv Z, et al. 2013. Rac1/PAK1 signaling promotes epithelial-to-mesenchymal transition of podocytes in vitro via triggering ß-catenin transcriptional activity under high glucose conditions. Int J Biochem Cell Biol 45, 255-264.

活性測定アッセイ

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit詳細データ CYT BK126 1 KIT
[96 assays]
¥264,000
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit, Trial Size詳細データ CYT BK128-S 24 ASSAY
¥160,000
Rac1 G-LISA(R) Activation Assay Kit詳細データ CYT BK128 1 KIT
[96 assays]
¥264,000
Rac1 Pulldown Activation Assay Kit詳細データ CYT BK035-S 1 KIT
[20 assays]
¥108,000
Rac1 Pulldown Activation Assay Kit詳細データ CYT BK035 1 KIT
[50 assays]
¥212,000
Combo RhoA/Rac1/Cdc42 Activation Assay Kit詳細データ CYT BK030 1 KIT
[3 x 10 assays]
¥280,000

Rac1 抗体

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Anti Rac1 specific, sample size (Mouse) 詳細データ CYT ARC03-S 1*25 UL
¥30,000
Anti Rac1 specific (Mouse) 詳細データ CYT ARC03 2*100 UL
¥105,000

SOS exchange ドメイン (564-1049) タンパク質

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
SOS1 Ras GEF protein, Human詳細データ CYT CS-GE02 100 UG
[1 x 100 μg]
販売終了
SOS1 Ras GEF protein, Human詳細データ CYT CS-SOS1-B 1 MG
[1 x 1 mg]
販売終了
SOS1 Ras GEF protein CYT CS-SOS1-XL 1 VIAL
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Signal-Seeker™ キット

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Signal-SeekerTM Phosphotyrosine Enrichment Kit詳細データ CYT BK160 30 ASSAY
¥204,000
品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Signal-SeekerTM Ubiquitin Enrichment Kit詳細データ CYT BK161 30 ASSAY
¥204,000

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