転写因子Nrf2に次ぎセンサー分子Keap1を発見

岸本 本日は、山本雅之先生が発見・解明されたKeap1-Nrf2系を中心としたストレス応答のご研究についてと、いま先生が主導されている「東北大学 東北メディカル・メガバンク」の取り組みについて、お聞きしていきたいと思います。まず、Keap1-Nrf2のご研究については、どのような経緯で進められたのですか。

山本 赤血球などに含まれるヘムについての研究が原点にありました。東北大学大学院の医学研究科にいた時期、菊地吾郎先生からヘムの生化学を研究するようにとご指導いただきました。
ヘムは約8割が赤血球系の細胞においてつくられますが、残りは脳や肝臓などほかの部位でつくられます。赤血球でヘムをつくる酵素は特異的であり、ほかの部位でヘムをつくるハウスキーパー型の酵素とはちがうのだということを1985年に明らかにしました。では、どうして赤血球でのみ発現する遺伝子があるのでしょうか。遺伝子の細胞特異的な発現制御を決めるしくみはどうなっているのでしょうか。こうしたことに興味が移ってきました。
当時は転写因子のハンティング競争も起きていました。そうしたなか、赤血球に特異的な遺伝子発現を規定する転写因子群を1989年に見つけることができたのです。「GATA因子群」とよばれているものです。

岸本 たしか先生は「GATA」とはべつの名前をつけておられたのですよね。

山本 はい。論文には「NF-E1（Nuclear Factor-Erythroid 1）」と書いたのですが、米国ではハーバード大学やNIH（国立衛生研究所）のチームが、英国ではオックスフォード大学などのチームが研究を進めており、共通で「GATA-1」と呼ぶということになりました。科学研究における競争の厳しさを実感しました。

岸本 その後、Keap1-Nrf2系発見への道のりはどうでしたか。

山本 NF-E1（GATA-1）認識配列の隣にある遺伝子配列に結合する「NF-E2」という因子も赤血球の遺伝子発現を規定するということを明らかにしました。このNF-E2を同定したことが、Keap1‐Nrf2系の発見につながったのです。NF-E2因子群のなかで酸素毒性に対する応答に関わる因子として、まず転写因子のNrf2を見つけることができました。

岸本 どのようにNrf2の機能を見つけたのですか。

山本 Nrf2ノックアウトマウスをつくったとき、そのマウスが毒物や活性酸素種の刺激に対して反応しないということから見つけることができました。細胞が酸化ストレスを受けたり、多環芳香族の毒性分子に近づかれたりすると、普段は分解されてしまうNrf2が蓄積するようになり、細胞核で標的遺伝子の発現を誘導し、抗酸化タンパク質や解毒酵素などの誘導をもたらします。

岸本 さらに、そのNrf2を制御するタンパク質として……。

山本 Keap1を発見したということになります。Keap1は、Nrf2と直接結合して分解にもっていく因子です。けれども酸化ストレスや毒性分子を感知すると、Keap1はNrf2を壊すのを止めます。それでNrf2が増え、転写因子としてはたらくというしくみになっています。
私がKeap1-Nrf2系を発見する前段として、親電子性分子や環境毒物に対する生体応答に関する長い研究の歴史がありました。米国ジョンズ・ホプキンス大学のポール・タラレー先生や競合する研究者たちが、電子をほしがる性質をもった物質（親電子性分子）こそが真の化学発がん剤なのだということを突き止めるなど、素晴らしい生化学・毒性学の研究が進んでいました。そうした一連の研究のなかで、私が見つけたKeap1-Nrf2系は、多くの方が探し求めていた転写因子であり制御系でした。これら研究の蓄積こそが、自分自身の研究の発展を支えてくれてきたものだと考えています。

岸本 解毒という点では、AhR（芳香族炭化水素受容体：Aryl hydrocarbon Receptor）という転写因子のはたらきについてもよく聞きます。これと、Keap1-Nrf2系とではどうちがいますか。

山本 解毒の過程において、AhRはシトクロムP450の制御を主にしています。そして、P450の代謝産物をさらに転移酵素群、例えば、グルタチオンS-トランスフェラーゼやグルクロン酸転移酵素、硫酸転移酵素などが水溶性にします。これらの転移酵素群の発現の方をNrf2が制御します。
つまり、まず第1相としてAhRがシトクロムP450の制御をし、つぎの第2相でNrf2が転移酵素などを制御するという、きれいな役割分担ができています。

合わせ鏡のような酸化ストレスと低酸素ストレスの応答機構

岸本 先ほどの、常にKeap1がNrf2を壊しているというお話を聞いて、よく似ているなぁと思ったのが、今年（2019年）のノーベル医学・生理学賞で話題になった「低酸素応答」のしくみです。酸素が十分あるときは、HIF1αという転写因子が常に壊されているけれど、低酸素になるとHIF1αが壊されず核内に移って、低酸素応答にかかわる遺伝子群の転写を活性化させるのですよね。
つまり、常にすみやかに壊されている転写因子が壊されずに増えてはたらくという点では、山本先生のNrf2もノーベル賞のHIF1αも共通していますね。

山本 まさにそうなのです。酸化ストレス応答を研究する私どもと、低酸素ストレス応答を研究する人たちが、まったく別々にしくみを追究していったら、じつは似ていたというわけです。
Nrf2にしてもHIF1αにしても、合成されてはすぐに壊されてしまうので、経済的には無駄なことをしています。

岸本 どうして、無駄に思えるしくみがあるのでしょう。

山本 急激な環境変化にあっても、それに対応する遺伝子発現の応答が素早くできるからだと考えます。このようなしくみにより、酸化ストレスや低酸素ストレスが生じたとき、転写因子のメッセンジャーRNAをつくってタンパク質にするという段階をスキップすることができます。経済性を犠牲にして、迅速なストレス応答のしくみを獲得しているのです。

岸本 酸素が多いときと少ないときとで、真逆のようなしくみではたらく転写因子の組み合わせというのは、他にもあるのですか。

山本 これほどきれいに鏡のようなイメージではたらいているというのは、これだけだと思います。本当に学術の世界でユニークな成果になったと思います。

岸本 では、Nrf2とHIF1αのしくみで、ちがう点はなにかありますか。

山本 ストレス感知のメカニズムがちがいます。Keap1-Nrf2系の方が鋭敏なしくみをつくりあげていると考えています。

岸本 と、おっしゃいますと……。

山本 まずHIFの場合は、プロリン水酸化酵素の基質にあたる（分子状）酸素そのものの濃度低下が感知の対象となっています。しかし、基質は酵素にくらべて過剰にありますから、基質の量的変化を感知するセンサーというのは、酵素反応速度論のミカエリス・メンテン式から考えてもあまり効率が良いとはいえません。
これに対し、Nrf2の場合には、活性酸素種を酵素にあたるKeap1に含まれるシステインの酸化修飾を通して感知するということが、最近の私どもの研究でわかりました。過剰にある基質ではなく、量のかぎられた酵素の修飾を感知するので、こちらのほうがセンサーメカニズムとしては良くできていると思っています。

医薬品への応用も続々と宇宙ストレスの軽減にも

岸本 Nrf2は、毒性物質などを防御する遺伝子の転写を活性化させるわけですが、それゆえに、がんの悪性化などにもつながるとも聞きます。

山本 そのとおりです。実際、Nrf2を非常に多くもっているがん細胞があります。そのようながん細胞は、肺がんでは3〜4割にものぼります。Nrf2高活性系を獲得したがん細胞は、抗がん剤や周囲の微小環境からの攻撃を防御するようになります。それにより、がんの悪性化が生じます。

岸本 そうすると、がんについてはKeap1-Nrf2系の阻害剤というものが考えられますか。

山本 はい。2017年に化合物ライブラリーをスクリーニングしてアカデミア創薬として阻害剤を1つ見つけました。確かにそのようなNrf2活性化型のがんには良く効きます。

岸本 逆に、Keap1-Nrf2系のはたらきを誘導するような薬の状況はいかがですか。

山本 すでに認可されているNrf2誘導剤があります。フマル酸ジメチル（商品名テクフィデラ）という多発性硬化症の治療薬で、世界中で第一選択薬として使われています。　それから、糖尿病性腎症に対する利尿剤として、バルドキソロンメチルという薬があり、日本で第3相の臨床試験まで進んでいます。世界に先駆けて日本で認可されればと期待しているところです。
ところで、Nrf2誘導剤に炎症抑制の効果が見出されています。じつは、岸本先生が発見されたインターロイキン6（IL-6）の遺伝子の発現を直接抑制するのです。そこで、Nrf2誘導剤がアルツハイマー病やパーキンソン病など、炎症をともなう中枢性の疾患に対する治療薬としても臨床試験が進められているところです。

岸本 そうでしたか。Keap1-Nrf2系の研究から、さまざまな応用がされようとしているわけですね。

山本 はい。もうひとつ、ぜひ紹介したいのが、Nrf2が宇宙環境下でのストレスを軽減させるのに役立つのではないかというお話です。

岸本 宇宙、ですか。

山本 はい。宇宙放射線は酸化ストレスを誘導します。また、合わせて微少重力ストレスをNrf2が抑制するという仮説を立てました。そして2018年4月、Nrf2ノックアウトマウスを6匹と野生型マウス6匹を、米国のジョン・F・ケネディ宇宙センターから国際宇宙ステーションに送り、日本実験棟「きぼう」で31日間にわたり滞在させたのです。行き2日と帰り1日を合わせて34日間の“宇宙旅行”です。宇宙に運んだ遺伝子組換えによる病態モデルマウスを地球に帰還させたのは人類史上初めてのこと。それがNrf2ノックアウトマウスたちだったことを、とてもよろこんでいます。

岸本 どんな成果が上がりそうですか。

山本 いまお話しした宇宙ストレスの軽減の効果がありそうです。それと、宇宙で早く進行する加齢変化に対しても、抑制するような効果を得られるのではと期待しているところです。この研究は私が機構長をしている「東北大学 東北メディカル・メガバンク機構」の活動として取り組みました。

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酸化ストレスや毒物に対する 生体の応答のしくみKeap1-Nrf2系を解明