肝臓の細胞膜から重要な栄養素コリンを取り出す仕組みを発見

発表者

村上 誠	東京大学大学院医学系研究科 附属疾患生命工学センター 健康環境医工学部門 教授
平林哲也	東京都医学総合研究所 細胞膜研究室　主席研究員

＜論文名＞

“Hepatic Phosphatidylcholine Catabolism Driven by PNPLA7 and PNPLA8 Supplies Endogenous Choline to Replenish the Methionine Cycle with Methyl Groups ”

＜発表雑誌＞

Cell Reports 2023; 42, 111940.（オンライン版：1月30日）
DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111940

＜著者＞

Tetsuya Hirabayashi^#*, Mai Kawaguchi#, Sayaka Harada^#, Misa Mouri, Rina Takamiya, Yoshimi Miki, Hiroyasu Sato, Yoshitaka Taketomi, Kohei Yokoyama, Tetsuyuki Kobayashi, Suzumi M. Tokuoka, Yoshihiro Kita, Emiko Yoda, Shuntaro Hara, Kyohei Mikami, Yasumasa Nishito, Norihito Kikuchi, Rieko Nakata, Mari Kaneko, Hiroshi Kiyonari, Kohji Kasahara, Toshiki Aiba, Kazutaka Ikeda, Tomoyoshi Soga, Makoto Kurano, Yutaka Yatomi, and Makoto Murakami*
^#共同筆頭著者、*責任著者

発表のポイント

• 肝臓の細胞膜リン脂質から必須栄養素であるコリンを取り出す新たな代謝経路を発見しました。
• リン脂質分解酵素であるPNPLA7またはPNPLA8の欠損により、肝臓の遊離型コリンが減少するとともに、コリンのメチル基を利用したメチオニンの再生が低下することで、コリンとメチオニンの欠乏症によく似た症状を発症することを明らかにしました。
• 本研究の成果により、コリンやメチル基の不足によって起きる疾患の病態解明と、これらの脂質分解酵素を標的とした新規治療法の開発が期待されます。

発表概要

東京大学大学院医学系研究科 附属疾患生命工学センター 健康環境医工学部門の村上誠教授、東京都医学総合研究所 細胞膜研究室の平林哲也主席研究員らの研究グループは、慶應義塾大学、昭和大学などと共同で、「肝臓のリン脂質に貯蔵されるコリン（注1）を取り出す新たな代謝経路」を発見しました。コリンは、発育、肝機能、認知機能、中性脂質の輸送などに重要な栄養素であり、肝臓において必須アミノ酸のメチオニンの再生にも利用されます。本研究成果は、コリンを体内でリサイクルする仕組みとその意義を解明した画期的な成果であることから、米国の医学・生物学を扱うセル出版（Cell Press）が発行する学術雑誌『Cell Reports（セル・リポーツ）』のオンライン版に2023年1月30日（米国東部時間）に公開されました。

発表内容

1) 研究の背景

コリンは体にとって非常に大切な栄養素であり、細胞膜、神経伝達物質などの合成に利用されます。さらには肝臓では、コリンに含まれるメチル基を利用して、様々な生命応答に利用される必須アミノ酸であるメチオニンを再生する回路（メチオニン回路（注2））が備わっており（図1）、コリンはメチル基の重要な供給源でもあります。また、コリンが不足すると中性脂質が肝臓に蓄積して脂肪肝になることも知られています。このように、コリンは、認知機能、肝機能、中性脂質の輸送などに重要な栄養素であることから、コリンやメチオニンは、家畜の飼料をはじめ、一部の粉ミルクやペットフードにも添加・配合されています。また、欧米やアジアではコリン摂取量の目安を設定する国が増えており、米国では必須栄養素として指定されています。一方で、高濃度のコリンはそのままの形（遊離型）では有害であるため、余剰のコリンを別の形で貯蔵し、必要に応じて貯蔵場所から取り出して使用し、使い終わった後にリサイクルする仕組みが必要です。実際、細胞内では遊離コリンの濃度は低く保たれており、生体内に存在するコリンの95%以上は細胞膜の主要構成要素であるホスファチジルコリン（注3）と呼ばれるリン脂質に貯蔵されています。しかしながら、この細胞膜に貯蔵されたコリンを取り出す酵素の正体はこれまでよく分かっていませんでした。

2) 研究内容

肝臓では、ホスファチジルコリンからコリンを取り出す際に、ホスファチジルコリン→リゾホスファチジルコリン（注4）→グリセロホスホコリン（注5）→コリンという順序（リン脂質分解経路）で分解が進むことが以前の研究から予想されていました（図1)。ホスファチジルコリンやリゾホスファチジルコリンを分解する酵素には様々なタイプが知られていますが、研究グループは、その中でもホスホリパーゼA₂（注6）と呼ばれる脂質代謝酵素群の研究を長年に渡って行ってきました。候補酵素群の遺伝子を欠損する様々なマウスを網羅的に解析した結果、PNPLA7やPNPLA8を持たないマウスの肝臓で、水溶性のグリセロホスホコリンの量が大きく減少しており、それに伴って遊離型コリンの量も減少していました（図2）。さらにはコリンが肝臓のミトコンドリアで酸化されてできるベタイン（注7）や、メチオニンから合成されるS-アデノシルメチオニン（注8）と呼ばれるメチル化反応（注9）に不可欠な化合物も、これらの欠損マウスの肝臓では有意に減少していました（図2)。PNPLA7やPNPLA8の欠損マウスは、成長不良、体脂肪の減少、肝臓から分泌されるリポタンパク質（注10）と中性脂質の減少、血糖値の低下などをはじめとした、コリンやメチオニンの欠乏症によく似た特徴を示しました（図2)。さらに、上述のリン脂質分解経路の中で、PNPLA8は第一段階のホスホリパーゼA₂反応（ホスファチジルコリン→リゾホスファチジルコリン）、PNPLA7は第二段階のリゾホスホリパーゼ（注11）反応（リゾホスファチジルコリン→グリセロホスホコリン）に関わることがわかりました。これらの結果から、PNPLA8とPNPLA7によるリン脂質分解反応は、細胞膜のホスファチジルコリンの中に蓄えられたコリンを水溶性のグリセロホスホコリンとして取り出す役割を持ち、さらにこのグリセロホスホコリンがコリンとグリセロール3-リン酸（注12）に分解されて、前者はメチオニン回路へのメチル基の供給に利用され、後者は中性脂質（トリグリセリド）の合成や糖の新生に利用されることが明らかとなりました。

3) 本研究の意義・今後の予定

今回の研究により、PNPLA7とPNPLA8という二つの脂質分解酵素が肝臓の細胞膜に蓄えられたコリンを取り出す役割を担うことを初めて明らかにしました。この経路はメチル基の供給や、肝臓での中性脂質の合成・分泌のみならず、成長、血糖値、体脂肪量などにも関与することが示されました。本研究の成果により、コリンやメチル基の不足によって起きる疾患の病態解明と、これらの脂質分解酵素を標的とした新規治療法の開発が期待されます。

4) 謝辞

本研究は、日本医療研究開発機構（AMED）の革新的先端研究開発支援事業（AMED-CREST）「生体組織の適応・修復機構の時空間的解析による生命現象の理解と医療技術シーズの創出」研究開発領域における研究開発課題「疾患脂質代謝に基づく生体組織の適応・修復機構の新基軸の創成と医療技術シーズの創出」（研究開発代表者：村上誠、課題番号22gm1210013）、革新的先端研究開発支援事業ステップタイプ（課題番号20gm4010005）、ならびに日本学術振興会科研費（新学術領域研究、基盤研究、挑戦的萌芽研究；課題番号JP15H05905、JP15K15094、 JP16H02613、JP18H05025、JP18K06978、JP19K22483、JP20H05691）の支援により実施されました。