2016/11/23

インスリン刺激の時間変化と濃度による選択的遺伝子発現制御機構

 

佐野 貴規(新領域創成科学研究科メディカル情報生命専攻 博士課程)

川田 健太郎(生物科学専攻 博士課程)

大野 聡(生物科学専攻 特任助教)

黒田 真也(生物科学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • インスリン刺激により発現が増加または減少する遺伝子を同定し、それら遺伝子がインスリンの時間変化や濃度により発現制御が異なることを明らかにしました。
  • 発現が増加する遺伝子群はインスリン刺激に対して速く応答しますが高濃度に応答すること、発現が減少する遺伝子群は遅く応答しますが低濃度に応答することを見出しました。
  • インスリン刺激の時間変化や濃度に対して遺伝子の応答が異なる仕組みを明らかにすることは、インスリンの生理的な作用や、その破綻である2型糖尿病のメカニズム解明に役立つと考えられます。

発表概要

東京大学大学院新領域創成科学研究科博士後期課程の佐野貴規と同大学大学院理学系研究科博士後期課程の川田健太郎、大野聡特任助教、黒田真也教授らは、東京大学大学院新領域創成科学研究科の鈴木穣教授との共同研究により、インスリンの時間変化や濃度により遺伝子発現の制御が異なることを明らかにしました。

血中インスリンは血糖値を下げる唯一のホルモンであり、インスリンが作用できなくなると糖尿病を発症します。血中インスリンは、食後の血糖上昇に応じて高濃度で一過的に分泌される追加分泌、絶食時でも低濃度で持続的に維持される基礎分泌などの時間変化を示します。インスリンは代謝など多彩な生理現象を制御しますが、その一部は遺伝子発現を介していることが知られていました。しかし、インスリンの時間変化や濃度により、どのように遺伝子発現が制御されるのかについては不明でした。

今回、本研究チームは、肝がん由来の培養細胞を用いて、インスリン刺激に対して発現が増加する遺伝子と発現が減少する遺伝子を同定しました。実験と数理モデルを用いた解析から、発現が減少する遺伝子群はインスリンに対する濃度感受性が高い(低濃度インスリンに応答する)ものの応答は遅く、逆に発現が増加する遺伝子群は濃度感受性が低い(高濃度インスリンに応答する)ものの応答は速いことが分かりました。さらに、ラットを用いた個体レベルの解析から、発現が増加あるいは減少するインスリン応答性遺伝子群のうちの一部は、実際に生体内でも同様の応答をすることが確かめられました。このことは、発現が増加あるいは減少するインスリン応答性遺伝子群は、インスリンの時間変化や濃度に依存してそれぞれ選択的に制御されることを示しています。

発表内容

1. 研究の背景
血中インスリンは膵臓β細胞より分泌制御される血糖値を下げる唯一のホルモンであり、インスリンが作用できなくなると糖尿病を発症します。健常人では、血中インスリンは、食後の血糖上昇に応じて高濃度で一過的に分泌される追加分泌、絶食時でも低濃度で持続的に維持される基礎分泌などの時間変化を示します(図1)。

 

図1. 血中インスリンの日内変化の概念図。血中のインスリン波形は、食後の高濃度で速く一過的な追加分泌と、低濃度からゆっくりとした濃度変化を示す基礎分泌からなる。

 

インスリンは代謝など多彩な生理現象を制御しますが、その一部は遺伝子発現を介していることが知られていました。これまでは、インスリン刺激による遺伝子発現変動を網羅的に調べた報告はありましたが、インスリンの時間変化や濃度により、どのように遺伝子発現が応答するのかについては不明でした(図1)。

本研究チームは、インスリンの時間変化や濃度に対する遺伝子応答について解析しました。

 

2. 研究内容
インスリン応答性遺伝子の選定
本研究チームは、ラット肝がん由来のFAO細胞にインスリン刺激を施し、細胞から抽出したRNA量の時間波形を、RNA-seq実験(注1)より網羅的に取得しました。その結果、インスリン刺激に対して応答する遺伝子を278種類同定し、これらをインスリン応答性遺伝子と呼ぶことにしました。これらのうち、機能的に重要な役割を担っていると考えられる遺伝子群を53種類選定しました。インスリン応答性遺伝子のうち、発現が増加する遺伝子が13種類と発現が減少する遺伝子が16種類含まれていました。これらのインスリン応答性遺伝子には、細胞の代謝や増殖、分裂などに関与する遺伝子が含まれることが分かりました。

これらの発現が増加または減少するインスリン応答性遺伝子のいくつかは、実際にラットの生体内の肝臓でもインスリン刺激に対して同様の応答をすることが確かめられました。

複数の時間変化のインスリン刺激を駆使した遺伝子発現解析
本研究チームは、インスリン応答性遺伝子がインスリン刺激の時間変化や濃度に対してどのように制御されているかを詳細に解析しました。インスリンの濃度に対する感受性を実験により調べたところ、発現が減少する遺伝子の方が増加する遺伝子に比べて感受性が高い(低濃度インスリンに応答する)ことが分かりました。さらに、インスリン刺激に対する応答の速さも実験により調べたところ、インスリン刺激の時間変化に対して発現が増加する遺伝子の方が発現が減少する遺伝子に比べて速く応答することが分かりました(図2)。

 

図2. 発現が増加または減少するインスリン応答性遺伝子の応答性の差異が生じる概念図。発現が増加する遺伝子が追加分泌(血中インスリンの高濃度への速い変動)に応答しやすい一方で、発現が減少する遺伝子が基礎分泌(血中インスリンの低濃度域での変動)に応答しやすいことを示唆しています。

 

応答速度や濃度感受性の差異が生じるメカニズムのシミュレーション解析
本研究チームは、発現が増加する遺伝子が速く応答するメカニズムや発現が減少する遺伝子が高い感受性で応答するメカニズムを探るために、これら遺伝子発現のシミュレーション解析を行ないました。その結果、発現が増加するインスリン応答性遺伝子群はインスリン刺激に対して速く応答し、インスリン刺激に対して濃度感受性が低い(高濃度インスリンに応答する)ことが分かりました。これはシミュレーションが実験結果をよく再現していることを意味します。実験から得られた結果と比較して注目すべきことに、応答速度の差異は遺伝子が転写される過程で生じることが示唆されました。以上のことは、たとえば速く高濃度のインスリン(追加分泌)に対しては、発現が増加する遺伝子の方が主に変動することを示唆しています。一方、遅く低濃度のインスリン(基礎分泌)に対しては、発現が減少する遺伝子の方が主に変動することも同時に示唆しています。

 

3. 社会的意義
遺伝子発現制御の数値化からインスリン作用全貌の数値化へ:
本研究における複数の時間変化の刺激を駆使した解析手法は、遺伝子発現だけでなく、応答の時間波形が得られる全ての生命現象に適用することができます。広範なインスリン作用の全貌を効率的に予測・制御するには、重要な生体応答の応答特性を数値化して評価することが、理解への近道になると思われます。

細胞から個体へ:
本研究では、ラットを用いた個体レベルの解析から、発現が増加あるいは減少するインスリン応答性遺伝子群のうちの一部は、実際に生体内でも同様の応答をすることが確かめられました。このことは、発現が増加あるいは減少するインスリン応答性遺伝子群は、インスリンの時間変化や濃度に依存して、発現制御が異なることを示しています。

例えば疾患モデルの動物個体に対して刺激を与える場合も、刺激の時間変化や濃度を能動的に変化させることにより、生体内での応答を選択的に制御するなど、投薬や治療指針の提示に繋がる可能性があります。

なお、本研究は、JST CREST「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」研究領域の研究課題名「時間情報コードによる細胞制御システムの解明」(研究代表者:黒田真也)の一環として得られました。また、JST戦略的創造研究推進事業(さきがけ)「生体における動的恒常性維持・変容機構の解明と制御」(研究代表者:久保田浩行)、JST戦略的創造研究推進事業(さきがけ)「疾患における代謝産物の解析および代謝制御に基づく革新的医療基盤技術の創出」(研究代表者:柚木克之)からの支援も受けて行われました。

 

発表雑誌

雑誌名 Science Signaling
論文タイトル Selective control of up-regulated and down-regulated genes by temporal patterns and doses of insulin
著者 佐野 貴規1,†、川田 健太郎2,†、大野 聡2,†、柚木 克之2,3、角田 裕晶1、久保田 浩行4,5、宇田 新介4、藤井 雅史2、国田 勝行2、星野 太佑2、幡野 敦2、伊藤 有紀1、佐藤 みはる2、鈴木 穣1、黒田 真也1,2,6,※
1 東京大学大学院新領域創成科学研究科メディカル情報生命専攻
2 東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻
3 PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan.
4 九州大学生体防御医学研究所トランスオミクス医学研究センター
5 PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Higashi-ku, Fukuoka, Fukuoka, 812-8582, Japan.
6 CREST, Japan Science and Technology Agency, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
† 共同筆頭著者
※ 責任著者
DOI番号 10.1126/scisignal.aaf3739
論文URL http://stke.sciencemag.org/content/9/455/ra112

 

用語解説

注1 RNA-seq

次世代シーケンサーを用いた網羅的な遺伝子発現計測技術。

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―