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ミトコンドリアにおけるアセチル化:新たな考え方と治療への応用の可能性 CYTOSKELETON NEWS 2017年11月号

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ミトコンドリアにおけるアセチル化:新たな考え方と治療への応用の可能性

健康と疾患に関するリジンアセチル化の概要

リジン残基のε-アミノ基におけるアセチル化 (Nε- アセチル化)は、アセチル補酵素A(アセチル-CoA)代謝と細胞内シグナル伝達を関連づける、古くからの非常に保存された翻訳後修飾(PTM)です1,2。これは主にリジンアセチルトランスフェラーゼ(KAT)とリジン脱アセチル化酵素(KDAC)の対立する活性を介して生じます1,2。ヒトでは、3種の主なKATファミリー(GCN5、CBP/p300、およびMYST)が存在し、何れもアセチル-CoAを必須補助因子として使用してアセチル基を標的リジン残基に供与します。KDACファミリーには、亜鉛依存型ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC1〜11)とNAD+依存性サーチュイン(SIRT1〜7)の2種類が存在します1-3


核内ヒストンのアセチル化が、クロマチン凝縮や転写活性を制御する上で、主要な役割を担うことが報告されています。比較的無防備で、しかも転写活性のあるクロマチンにおいてアセチル化が起こります1。近年のプロテオミクス研究では、ヒストンタンパク質ではないアセチル化標的が4,500以上も同定されており、リジンアセチル化が主な包括的な翻訳後修飾として確立されています。この翻訳後修飾は、核、細胞質、細胞膜、およびミトコンドリアといった、全てではないものの、多くの細胞区画で起こっています4。可逆的なリジンアセチル化によって、機能的に、酵素活性4-6、タンパク質間相互作用7、およびタンパク質局在化と安定性8,9が制御されることが示されています。さらに、遺伝子発現、細胞代謝、アポトーシス、細胞骨格制御、および膜輸送といった数々の細胞プロセスにおいて非常に重要な調節的役割を担います10


2006年に、HDAC阻害を介してヒストンエピジェネティクスを標的とする皮膚T細胞リンパ腫 (CTLC)の治療薬のVorinostatが初めてFDAに認可されました11。現在では、CTLC、末梢性T細胞リンパ腫、および多発性骨髄腫の治療用に4種のHDAC阻害剤がFDAの認可を受けており12、将来的に治療処置としてリジンアセチル化が標的となることは明らかです。臨床的な成功もあり、非ヒストンアセチルリジンを標的とするタンパク質が大量に同定され続けていることから、エピジェネティクスを超えてこの翻訳後修飾の制御機能と治療の将来性を探索することに関心が高まっています。本稿の後半部分では、ミトコンドリアにおけるリジンアセチル化とその治療標的としての潜在的な価値に焦点を当てます。

ミトコンドリアにおけるリジンアセチル化

ミトコンドリアでは、リジンのアセチル化が豊富で、およそ700種のタンパク質(63%)がこの修飾を受けると推定されています。この数は、ミトコンドリアで生ずるリン酸修飾に比べて3倍も多いものです13。ミトコンドリアがアセチル化を制御するメカニズムを解明し、治療標的を同定する研究分野は、新しく、かつ急成長を遂げています10。近年、以下に示すような一般的な概念が出来上がりつつあります。

1)リジンアセチル化は、主要なミトコンドリア代謝経路の酵素内で非常に多く分布しており、これらのタンパク質の多くは高アセチル化されています4

2) アセチル化部位の直近に負の電荷を持つ残基をもつことを好み、+2部位に疎水性残基をもつことを非常に好むように、ミトコンドリアタンパク質のアセチル化には特定の配列選択性があります4

3) ミトコンドリアタンパク質のアセチル化は、細胞の栄養分を得られるときや、エネルギー状態に応答して直ちに変化し、エネルギー恒常性を調節する主要なメカニズムであると考えられます14。また、ミトコンドリアのKATやKDACのレベルは栄養状態に応じて密接に制御されていると思われます15。エネルギー恒常性に関する疾患とミトコンドリアにおけるアセチル化とは関連性があることから、治療に応用できる可能性が高いのです14

4)リジンアセチル化は、ミトコンドリア酵素活性の阻害と広範に関連しており、特に酸化的代謝において顕著です13。一方で、注目すべき点として、700種程度のアセチル化されたミトコンドリアタンパク質のうち、40種に満たないものしか、その機構が分かっておらず13、組織種によってアセチル化により同一タンパク質が活性化または阻害されるケースもあるようです6,15

5) いくつかの研究グループが、ミトコンドリアにおけるリジンアセチル化は、酵素に依存しない機構であることを提唱していますが、酵素制御と非酵素的制御のそれぞれの相対的な寄与の割合が未だ特定されていないことが課題です16-18

6) 生物応答を翻訳する翻訳後修飾では、翻訳に関わるタンパク質の化学量論比(stoichiometry)が低いこと(< 1〜 5 %)が普通であり、これらの修飾を研究することが技術的に困難な理由のひとつとなっています19,20。化学量論比が低いことは、修飾されたタンパク質が高い動的性質を持ち、細胞内で局在し、細胞シグナル伝達において役割を果たしていることを反映しています19,20。ミトコンドリアタンパク質におけるアセチル化の化学量論は、このような傾向にあることが示唆されています23,24。低いレベルの化学量論比で、翻訳後修飾がどのようにしてミトコンドリア機能に顕著な効果を与えるのかは未解決問題です13,23,24

7) 翻訳後修飾クロストークは主な細胞制御機序であるという認識があります25。キナーゼ、ホスファターゼ、アセチルトランスフェラーゼ、および脱アセチル化酵素活性が階層的に協調して、ピルビン酸脱水素酵素複合体を制御していることが例に挙げられるように、ミトコンドリアにおけるアセチル化は、翻訳後修飾クロストークに関与することが示されています21

8) 心疾患や心不全は、心臓におけるミトコンドリアタンパク質のアセチル化増加と強い相関性があり22、主要なミトコンドリア脱アセチル化酵素であるサーチュイン3(表1)が心疾患に対して防御機能を発揮することが複数の論文で報告されています26,27。現在、治療に向けてSIRT3やミトコンドリアアセチロームを標的することに非常に強い関心が寄せられています28,29

9) 表1に示したとおり、ミトコンドリアのリジンアセチルトランスフェラーゼ(KAT)の存在は近年報告がなされたばかりです。しかしKATは、がん、心疾患、糖尿病、および肥満症を始めとする様々なヒト疾患に対する標的として強力な治療上の可能性を秘めると考えられています(図1に示した参考文献参照)。

結論

哺乳動物のミトコンドリアアセチロームに対しての治療の開発をすすめることで、ヒトの疾患治療に大きな可能性が開かれます。ただし、エピジェネティクス以上に、翻訳後修飾についての基礎生物学からも学ぶ必要があることは明らかです。細胞質、細胞膜、および他の細胞区画におけるリジンアセチル化の役割に関してもまた、非常に注目を集めています。したがって、これらの研究を助けるための、さらなるツールセットの開発が緊急課題です。


表1. 哺乳動物ミトコンドリアにおけるアセチルトランスフェラーゼと脱アセチル化酵素
タンパク質 遺伝子名 活性 疾病関連 活性
報告年
参考文献
Acetyl-CoA
acetyl-transferase 1
ACAT1 acetyl transferase C 2014 21
Males absent on the first MOF acetyl transferase H 2016 30
General control of amino acid synthesis 5 -like 1 GCN5L1 Lacks catalytic domain,
essential component
of acetyl transferase
complex
H,O,D 2012 31,32
Sirtuin 3 SIRT3 deacetylase H,O,D 2002 33
Sirtuin 4 SIRT4 Deacylase and very low
deacetylase
D 2014 34
Sirtuin 5 SIRT5 deacylase na na 35

C-がん、H-心疾患、O-肥満症、D-糖尿病

参考文献
  1. Kim G.W. and Yang X.J. 2011. Comprehensive lysine acetylomes emerging from bacteria to humans. Trends Biochem. Sci. 36, 211-220.
  2. Weinert B.T. et al. 2011. Proteome wide mapping of the Drosophila acetylome demonstrates a high degree of conservation of lysine acetylation. Sci. Signal. 4, ra48
  3. Choudhary C. et al. 2014. The growing landscape of lysine acetylation links metabolism and cell signaling. Nat. Rev. Mol. Cell. Bio. 15, 536-550.
  4. Lundby A. et al. 2012. Proteomic analysis of lysine acetylation sites in rat tissues reveals organ specificity and subcellular patterns. Cell Rep. 2, 419-431.
  5. Samant S.A. et al. 2014. SIRT3 deacetylates and activates OPA1 to regulate mitochondrial dynamics during stress. Mol. Cell. Biol. 34, 807-819.
  6. Bharathi S.S. et al. 2013. Sirtuin 3 (SIRT3) protein regulates long chain acyl-CoA dehydrogenase by deacetylating conserved lysines near the active site. J. Biol. Chem. 288, 33837-33847.
  7. Wei L. et al. 2013. Oroxylin A induces dissociation of hexokinase II from the mitochondria and inhibits glycolysis by SIRT3-mediated deacetylation of cyclophilin D in breast cancer. Cell Death Dis. 4, e601.
  8. Inuzuka H. et al. 2012. Acetylation-dependent regulation of Skp2 function. Cell. 105, 179-193
  9. De Boor S. et al. 2015. Small GTP-binding protein Ran is regulated by post translational lysine acetylation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112, E3679-E3688.
  10. Drazic A. et al. 2016. The world of protein acetylation. Biochim. Biophys. Acta. 1864, 1372-1401.
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  12. Yoon S. and Eom G.H. 2016. HDAC and HDAC inhibitor: from cancer to cardiovascular diseases. Chonnam Med. J. 52, 1-11.
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品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Anti Acetyl Lysine (Mouse) 詳細データ CYT AAC02 2*100 UL
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Anti Acetyl Lysine (Trial size) (Mouse) 詳細データ CYT AAC02-S 1*25 UL
¥30,000
Anti Acetyl Lysine (Mouse) 詳細データ CYT AAC03 2*100 UL
¥105,000
Anti Acetyl Lysine (Trial size) (Mouse) 詳細データ CYT AAC03-S 1*25 UL
¥30,000
Anti Acetyl Lysine (Mouse) Horseradish Peroxidase詳細データ CYT AAC03-HRP 1*100 UL
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Anti Acetyl Lysine (Trial size) (Mouse) Horseradish Peroxidase詳細データ CYT AAC03-HRP-S 1*25 UL
¥40,000
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¥155,000
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¥204,000
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