発表者
西宏起(東京大学大学院農学生命科学研究科応用動物科学専攻　特任研究員)
内田海登(明治大学農学部農芸化学科　修士)
齋藤真希(東京慈恵会医科大学小児科学講座　医師)
山中大介(東京大学大学院農学生命科学研究科獣医学専攻　特任助教)
長田悠加(東京大学大学院農学生命科学研究科応用動物科学専攻　修士)
朝重陽菜子(東京大学大学院農学生命科学研究科応用動物科学専攻　修士)
宮田市郎(東京慈恵会医科大学小児科学講座　教授)
伊藤公一(東京大学大学院農学生命科学研究科獣医学専攻　特任准教授)
豊島由香(宇都宮大学農学部生物資源科学科　准教授)
高橋伸一郎(東京大学大学院農学生命科学研究科応用動物科学専攻　教授)
伯野史彦(東京大学大学院農学生命科学研究科応用動物科学専攻　准教授)
竹中麻子(明治大学農学部農芸化学科　教授)

発表のポイント

  • 要求量を満たす必須アミノ酸の摂取は成長ホルモン(GH)の適切な活性発現に必要であり、給与条件によっては動物個体の成長に必須ではないことを示した。
  • 必須アミノ酸は、生体内で十分量生合成できず、体タンパク質合成のために要求量以上摂取することが成長に必須と考えられてきたが、必須アミノ酸不足による成長遅滞の新たな機構の存在を発見した。
  • 近年アミノ酸は代謝制御シグナル因子として再注目されつつあり、その分子基盤の解明が求められている。本研究はアミノ酸による新しい内分泌・成長制御機構解明の足掛かりとなる。

発表概要

　成長期にタンパク質の摂取量が不足した、もしくは必須アミノ酸の摂取量が要求量を満たしていない動物では体タンパク質のターンオーバーが低下して成長遅滞を呈することが古くから知られている。一方、成長ホルモン(GH)/インスリン様成長因子(IGF)-I axis(注1)も動物の成長制御に大きな役割を有する。そこで東京大学農学生命科学研究科伯野准教授、高橋教授、明治大学農学部竹中教授らは必須アミノ酸の摂取とGH/IGF-I axisの関係を調べた。まずタンパク質や必須アミノ酸が不足した餌を成長期のマウスやラットに給餌したところ、肝臓のIgf1 mRNA量、血中IGF-I濃度が低下し成長遅滞が観察された。そのようなマウスにIGF-Iを投与したところ必須アミノ酸摂取量が要求量を満たしていないにもかかわらず成長遅滞が改善された。またアミノ酸欠乏培地で培養した培養肝細胞の解析から、GHによるIGF-I発現促進にも必須アミノ酸が必要であることが示された。必須アミノ酸は生体内で十分量生合成できないことから、成長に必要なタンパク質合成を正常に行うには要求量以上の必須アミノ酸の食事からの摂取が必須と考えられてきた。しかし本研究から必須アミノ酸はGH/IGF-I axisの働きを正常に維持するために必要であり、個体成長には必ずしも必須ではないことが示された。

発表内容

　成長期にタンパク質の摂取量が不足した、もしくは必須アミノ酸の摂取量が要求量を満たしていない動物では体タンパク質のターンオーバーが低下して成長遅滞を呈することが古くから知られている。特に必須アミノ酸は生体内で十分量を生合成できないことから、必須アミノ酸の摂取不足は成長の重要な阻害要因とされてきた。一方成長の制御には、下垂体から分泌される成長ホルモン(GH)とGHに応答して肝臓から分泌促進されるインスリン様成長因子(IGF)-Iが協調的に機能することが重要と考えられている。GHが肝臓に作用すると細胞内のJanus kinase (JAK)2およびsignal transducer and activator of transcription (STAT) 5が活性化され、Igf1の転写が促進される。血中に分泌されたIGF-Iは下垂体でのGH分泌を抑制し、フィードバックループが成立する。この仕組みはGH/IGF-I axisと呼ばれ、この活性が厳密に制御されることで正常な個体成長が実現している。そこで我々はアミノ酸の摂取不足がGH/IGF-I axisに与える影響を解析した。
　まず20種類の主要なアミノ酸を全てまたは1種類だけ不足させた餌をラットやマウスに給餌したところ、一部を除く多くの必須アミノ酸に関して、その摂取が不足することにより成長遅滞が認められた。それらの動物では肝臓中のIgf1 mRNA量の低下やIgfbp1 mRNA(注2)量の増加が観察され、血中IGF-I濃度が低下していた。そこで低タンパク食を給餌したマウスにIGF-Iを投与したところ、必須アミノ酸の摂取量が要求量を満たしていないにもかかわらず成長が促進され、成長遅滞が改善された。低タンパク食や低アミノ酸食を給餌した動物では血中アミノ酸濃度が大きく変化し、特に必須アミノ酸の血中濃度が大きく低下することから、次に血中アミノ酸が肝細胞に与える影響を評価するために、培養肝細胞モデルをアミノ酸欠乏培地で培養する実験を行った。その結果、肝がん由来細胞株(Fao、HepG2)やラット初代培養肝細胞をアミノ酸欠乏培地で培養するだけで、アミノ酸を含む対照培地で培養した場合と比較してIgf1 mRNA量が有意に低下することが明らかになった。対照培地中で肝細胞をGH刺激するとIgf1 mRNA量は顕著に増加するが、アミノ酸欠乏培地で培養するとGHに対する応答性が全く観察されなくなることも示された。特に培地中の必須アミノ酸を1種類欠乏させるだけで、GH刺激時のJAK2やSTAT5のリン酸化は抑制され、GH感受性がほぼ認められなくなった。これらの結果は、肝細胞が細胞外のアミノ酸濃度変化に自律的に応答してIgf1 mRNAの発現量を調節する仕組みを有すると同時に、GHに応答したJAK/STATシグナル経路の活性化およびIgf1 mRNAの発現促進にも必須アミノ酸の存在が必要であることを示している。
　タンパク質は生体の構成要素のうち水分以外の大部分を占めることから、これまでは十分量の必須アミノ酸を食事から摂取することは成長するための材料を確保するという点で重要と考えられてきた。しかし本研究成果から必須アミノ酸は単なるタンパク質の合成材料のみならずGH/IGF-I axisの適切な活性発現に必須の代謝制御分子として機能していることが示された。近年アミノ酸は代謝制御シグナル因子として再注目されつつあり、その分子基盤の解明が求められている。本研究成果はアミノ酸による新しい内分泌制御機構・成長制御機構解明の足掛かりとなることが期待される。小児科分野では、低身長症と診断された児に対してGHを投与する治療がなされているが、その効果は個人差が大きいといわれている。本研究成果を応用することでGH治療の効果を促進させるような食事療法を提案できる可能性がある。

発表雑誌

雑誌名
「Cells, 11(9), 2022, 1523」
論文タイトル
Essential Amino Acid Intake Is Required for Sustaining Serum Insulin-like Growth Factor-I Levels but Is Not Necessarily Needed for Body Growth
著者
Hiroki Nishi*, Kaito Uchida*, Maki Saito*, Daisuke Yamanaka, Haruka Nagata, Hinako Tomoshige, Ichiro Miyata, Koichi Ito, Yuka Toyoshima, Shin-Ichiro Takahashi, Fumihiko Hakuno* and Asako Takenaka*
DOI番号
10.3390/cells11091523
論文URL
https://www.mdpi.com/2073-4409/11/9/1523

問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科　応用動物科学専攻　動物細胞制御学研究室
准教授　伯野史彦
113-8657東京都文京区弥生1-1-1、7号館B棟331号室
Tel:03-5841-8043
FAX:03-5841-1311
E-mail:hakuno<アット>g.ecc.u-tokyo.ac.jp 　<アット>を@に変えてください。

用語解説

  • 注1　GH/IGF-I axis
    　下垂体から分泌される成長ホルモン(GH)は肝臓に作用してGH受容体の下流シグナル伝達タンパク質であるJAK2とSTAT5を活性化し、Igf1 mRNAの転写が促進される。その結果肝臓から血中に分泌されたインスリン様成長因子(IGF)-Iが下垂体に到達するとGHの分泌が抑制される。これによりフィードバックループが成立し、血中のGH、IGF-I濃度は適切に調節される。このような内分泌システムをGH/IGF-I axisと呼ぶ。
  • 注2　IGFBP1
    　6種類あるIGF結合タンパク質(IGF-binding proteins)の一つで、血中でIGF-Iと結合することでIGF-Iのクリアランスを促進する。