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平成２６年３月１７日
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
慶應義塾大学 医学部
抗がん剤が効かなくなるがん細胞の新たなメカニズムを発見
治療効果の改善に期待
ポイント
がん細胞は、
抗がん剤などのストレスに対する耐性を持つことが知られている。
ストレス環境下では、
エネルギーを得るための代謝経路（解糖系）だけでなく、
抗がん剤の効果を下げる作用（解毒作用）や
増殖などに必要な物質を増加させる、
う回経路も利用することを発見。
代謝経路を切り替えるスイッチ分子も発見。
がんの質的診断への応用や、
治療抵抗性を低下させて治療効果を向上させることに期待。
ＪＳＴ 課題達成型基礎研究の一環として、
慶應義塾大学 医学部の末松 誠 教授と山本 雄広 助教らは、
がん細胞が抗がん剤治療に抵抗性を示す
メカニズムの１つを新たに解明しました。
がん細胞は、
ストレスに対する耐性を持っていて抗がん剤を使い続けていると、
さまざまな手段で耐性を獲得していきます。
その１つとして生体内ガスである一酸化炭素（ＣＯ）を
生成して生き残ることが知られていますが、
そのメカニズムは不明でした。
今回研究グループは、
ＣＯを多く生成しているがん細胞は
エネルギーを得るための代謝経路（解糖系注１））を、
一時的にう回させて抗がん剤を
効かなくさせる作用（解毒作用）などを獲得するとともに、
再び元の代謝経路に戻ってエネルギー源も確保していることを発見しました。
つまり、がん細胞は代謝系を巧妙に利用して、
生き延びようとする仕組みを持っていたのです。
さらに、ＰＦＫＦＢ３という酵素が
解糖系からう回経路に切り替えるスイッチの役割を果たしていることも
見いだしました。
がん細胞がストレスを受けるとＣＯが増加して、
ＰＦＫＦＢ３のメチル化修飾注２）が抑制され、
酵素活性が下がることにより代謝経路を切り替えています。
ＰＦＫＦＢ３のメチル化状態を調べることで、
がんの悪性度や治療抵抗性の有無などの質的診断ができる可能性があります。
また、ＰＦＫＦＢ３を標的にした治療法の開発により、
がんの治療抵抗性をなくして治療効果を向上させることも期待されます。
今回の発見には、
島津製作所がＪＳＴ 先端計測分析技術・機器開発プログラムにより開発した
質量分析イメージング技術が威力を発揮しました。
また、代謝システム解析技術の確立は、
文部科学省「オーダーメイド医療の実現化プログラム：保存血清のメタボローム解析による疾患診断の有用性の検証と応用」の支援を受けています。
本研究成果は、
２０１４年３月１７日（英国時間）に
英国科学誌
「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」
のオンライン速報版で公開されます。
本成果は、
以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。
戦略的創造研究推進事業
研究プロジェクト
「末松ガスバイオロジープロジェクト」
研究総括
末松 誠（慶應義塾大学 医学部 医化学教室 教授）
研究期間
平成２１年１０月〜平成２７年３月
上記研究課題は、
生体内で生成され受容される極小分子であるガス分子の生物作用を解明し、
病気の治療に役立てることを目指しています。
＜研究の背景と経緯＞
がんは国内死亡原因の第１位の病気で、
大きな社会問題となっています。
近年、多くの研究成果により、
がん細胞のさまざまな特徴が少しずつ分かってきました。
がん細胞は正常細胞よりもブドウ糖を多く取り込みます。
また正常細胞と異なり、
酸素の有無に関わらずブドウ糖を
乳酸に変換する代謝系である解糖系を主に利用し、
がん細胞のエネルギー源となるアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）を作ります。
がん細胞のもう１つの特徴として、
ストレスに対する耐性を持つことが挙げられます。
抗がん剤を使い続けていると、
がん細胞はさまざまな手段で
抗がん剤に対する耐性を獲得していきます。
このことが、
がん治療の大きな障壁となっています。
本研究グループは一酸化窒素（ＮＯ）、
一酸化炭素（ＣＯ）、
硫化水素（Ｈ２Ｓ）など、
生体内のガス分子が細胞内のどこでどのように発生し、
どのように機能するかを理解するために研究を進めています。
中でもＣＯは臓器における血流の制御や、
炎症を抑える作用を持つことが知られています。
がん細胞はこの仕組みを利用し、
化学療法・放射線治療・血管塞栓療法などのがん治療のストレスを受けると、
ＣＯを生成し細胞を死にくくすることが知られていましたが、
その作用メカニズムは不明でした。
＜研究の内容＞
これまでに研究グループは、
ＣＯがシスタチオニンβ合成酵素（ＣＢＳ）注３）を阻害することにより、
多くのたんぱく質のメチル化修飾を制御する機能があることを
明らかにしており（図１）、
この機能（ＣＯ−ＣＢＳ系）が
がん細胞の抗がん剤に対する耐性の獲得メカニズムと
関わりがあるのではないかと考えました。
今回の研究で、
がん細胞では解糖系の重要な調節酵素である
ＰＦＫＦＢ３（ホスホフルクトキナーゼ／フルクトース−ビスホスファターゼ−タイプ３）が
常にメチル化されることにより解糖系が活性化していること、
ストレスを受けたがん細胞ではＣＯを増加させることによって
この酵素のメチル化修飾の度合いが低下し、
ブドウ糖の代謝方向をペントースリン酸回路注４）に
う回させるスイッチの役割があることを世界で初めて明らかにしました。
具体的な研究の方法と結果を以下に示します。
１）ＣＯは取り込んだブドウ糖を
解糖系から一時的にペントースリン酸回路へう回させる
がん細胞は正常細胞よりも大量のブドウ糖を取り込み、
解糖系を通じ乳酸へ変換することによって、
エネルギー源である多くのＡＴＰを酸素なしで産生します。
一方で、
がん細胞はその急速な細胞増殖を支えるために、
大量の核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡの材料）やアミノ酸
、細胞膜の原料となる脂質、
さらにはエネルギーを合成するためのＡＴＰが必要になります。
これらを合成する代謝系の多くは解糖系から分岐しており、
分岐経路へ代謝を切り替えるスイッチ機能は、
がん細胞が増殖する上で非常に重要です。
本研究グループはがん細胞がストレス下でＣＯを産生する状況において、
取り込まれたブドウ糖がどのように利用されるかを明らかにするべく、
安定同位体注５）で標識したブドウ糖をがん細胞に取り込ませ、
どのように代謝されていくのかを質量分析装置を用いて測定しました。
その結果、ＣＯを多く生成しているがん細胞では、
取り込まれたブドウ糖は
核酸合成に重要な経路であるペントースリン酸回路へ
一度う回して解糖系の下流に戻ることにより、
増殖に必要な物質を合成しつつ、
ＡＴＰ合成量も維持して代謝されることが分かりました（図２）。
２）ＣＯは解糖系酵素ＰＦＫＦＢ３のメチル化レベルを制御する
次に、ペントースリン酸回路へう回させるメカニズムの解明を試みました。
ＰＦＫ−１（ホスホフルクトキナーゼ−１）は
解糖系の一連の反応系で最も重要な酵素です。
ＣＯが解糖系をペントースリン酸回路へう回させる「作用点」を精査したところ、
この酵素の活性によって触媒され産生される物質の下流の代謝産物が
減少していることを発見しました。
加えて、ＰＦＫ−１の活性化因子の１つの含量が、
ＣＯを多く産生しているがん細胞において低下していることを発見し、
これらの結果から、ＰＦＫ−１の活性が下がっていることが示唆されました。
さらに、このＰＦＫ−１の活性化因子の産生酵素であるＰＦＫＦＢ３という酵素が、
メチル化修飾を受けることが分かりました。
がん細胞ではこの酵素が常にメチル化され、
解糖系が活性化しています。
しかし、ストレスを受けると、
ＣＯがＣＢＳを阻害することによりＰＦＫ−１を制御する
ＰＦＫＦＢ３のメチル化レベルが低下し、
核酸合成とエネルギー産生を同時に
やりくりできるペントースリン酸回路へと、
巧みに代謝経路を切り替えていることが明らかになりました。
３）ＰＦＫＦＢ３の低メチル化は
グルタチオンの還元化を強めることでがん細胞の増殖を助ける
さらに、ＰＦＫＦＢ３の低メチル化が、
がん細胞にどのような作用をもたらしているのか
解明するために生化学的実験を行ったところ、
ＰＦＫＦＢ３のメチル化修飾が酵素活性に影響することが分かりました。
また、メチル化されたＰＦＫＦＢ３を特異的に認識する抗体を用いた実験から、
がん細胞ではこの酵素は常に高メチル化状態にあり、
解糖系が活性化されていることが分かりました。
一方、低酸素刺激などのストレスを与えることで
ＣＯ生成酵素であるヘムオキシナーゼ１が誘導されたがん細胞、
あるいはＣＯそのもので処理されたがん細胞では
ＰＦＫＦＢ３はそのメチル化レベルが低下し、
酵素活性が低下しました。
これにより、
取り込まれたブドウ糖の流れがペントースリン酸回路へう回の切り替えには、
ＰＦＫＦＢ３のメチル化状態が鍵を握っていることが
明らかになりました（図２）。
ペントースリン酸回路は核酸の合成に必要なだけでなく、
ＮＡＤＰＨ注６）の合成経路でもあります。
ＮＡＤＰＨは、細胞内に存在するグルタチオン注７）
という解毒物質を還元することにより、
その再利用に極めて重要な作用を持ちます。
グルタチオンの再利用は、
がん細胞のストレス耐性の獲得に重要なメカニズムであることが知られています。
今回の実験において、
ＰＦＫＦＢ３の低メチル化を誘導したがん細胞では
ＮＡＤＰＨ量および還元型グルタチオン量が増加し、
抗がん剤の１つであるシスプラチンに対して抵抗性を示しました（図３）。
さらに、免疫不全マウスを用いたがん細胞の移植実験においても、
低メチル化されたＰＦＫＦＢ３を持つがん細胞では、
高メチル化されたＰＦＫＦＢ３をもつがん細胞（対照群）に比べ
肝臓内における腫瘍占有率が高く、
質量顕微鏡を用いた測定より
腫瘍内のグルタチオンの還元型／酸化型の比率（ＧＳＨ／ＧＳＳＧ比）が高いことが
分かりました（図４）。
つまり、ＰＦＫＦＢ３のメチル化の度合いが、
がん細胞の酸化ストレス耐性を
決定するという新しい分子メカニズムを解明しました（図５）。
４）まとめ
このように、がんは抗がん剤などのストレスに対抗するために、
糖代謝をペントースリン酸回路へ一時的にう回させて
抗がん剤を効かなくさせる作用（解毒作用）を獲得しつつ、
がん自身のエネルギー源であるＡＴＰをも確保できるように
巧妙に代謝系を利用し、
生き延びるようとするあざとい仕組みを持っていることを見いだしました。
＜今後の展望＞
今回の研究で明らかになった、
がん細胞の代謝制御メカニズムの鍵になる
新しいスイッチ分子であるＰＦＫＦＢ３の発見は、
ＰＦＫＦＢ３のメチル化状態を調べることで、
がんの悪性度や治療抵抗性の有無などの質的診断が
できる可能性があります。
また、今後スイッチングの詳細なメカニズムが解明され、
解糖系とペントースリン酸回路の
切り替えスイッチのＯＮ／ＯＦＦを人為的に制御することが
可能になれば、
がん細胞を「兵糧攻め」することによって
治療効果を向上させる可能性があります。
今後の研究で、
これまでのがん治療の限界を克服できる、
新しいがん治療法の開発につながることが期待されます。
＜用語解説＞
注１） 解糖系
ブドウ糖をピルビン酸や乳酸などの有機酸に分解する代謝経路。反応に酸素を必要としないため、嫌気的条件化でもＡＴＰを作ることができる。
注２） メチル化修飾
ＤＮＡやＲＮＡ、たんぱく質、脂質などさまざまな基質にメチル基(−ＣＨ３)が置換もしくは結合することを指す。メチル化反応はメチオニン代謝の中間代謝物質ｓ-アデノシルメチオニン(ＳＡＭ）がメチル基転移酵素によってメチル基が供与されることによって起こる。たんぱく質の場合は主にアルギニン、リジン残基がメチル化修飾を受け、その機能調節に極めて重要な翻訳後修飾である。
注３） シスタチオニンβ合成酵素（ＣＢＳ）
必須アミノ酸の１つであるメチオニン代謝系の酵素。
この酵素はヘム含有たんぱく質で
ＣＯガスがヘムに含まれる鉄に結合することで
酵素活性が低下することが知られている。
注４） ペントースリン酸回路
解糖系から分岐する代謝系で
ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸合成の原料になる
五炭糖や還元当量ＮＡＤＰＨが産生される。
注５） 安定同位体
放射線を出さず、
自発的にはほかの各種に変化しない同位体を指す。
安定同位体で目印をつけた化合物はその質量数の違いで
細胞内に元々存在する化合物との違いを
質量分析計で区別することができる。
今回の実験では質量数が
通常よりも＋１だけ重い炭素原子（１３Ｃ）を含むブドウ糖を
がん細胞に取り込ませ、
一定時間後にブドウ糖がどのような経路で代謝されたかを追跡調査した。
注６） ＮＡＤＰＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）
生体内における還元的生合成に用いられる活性型電子伝達体。
脂肪酸の合成や肝臓における解毒、
グルタチオンの還元化などに使われる。
注７） グルタチオングルタミン酸、
システイン、グリシンの３つのアミノ酸がこの順番で結合したトリペプチドである。
活性酸素や過酸化物などの酸化ストレスから細胞を守る、
抗酸化作用を持つ。
また体内の有害物はグルタチオンと結合し、
細胞外へ排出するような解毒作用も知られている。
細胞が酸化ストレスに晒されると、
その還元力で無毒化し自身は酸化されるが、
グルタチオンレダクターゼによって還元型に再び変換
（この際にＮＡＤＰＨの還元力が必要とされる）され、
細胞内では常に還元型グルタチオン濃度を高く維持する機構が備わっている。
また、グルタチオンの還元型・酸化型の比率は
しばしば細胞毒性の指標として用いられる。
注８） ヘム
２価の鉄原子とポルフィリンからなる錯体。
ヘモグロビンやミオグロビンなどのたんぱく質に結合する
重要な非たんぱく質要素。
ガス分子はヘムの鉄原子の部分への結合能があり、
そうすることでヘム含有たんぱく質の機能を変化させる作用がある。
＜論文タイトル＞
“Reduced methylation of PFKFB3 in cancer cells shunts glucose towards the pentose phosphate pathway”
（がん細胞における解糖系酵素ＰＦＫＦＢ３のメチル化減少はブドウ糖をペントースリン酸回路にう回させる）
doi: 10.1038/ncomms4480
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
末松 誠（スエマツ マコト）
慶應義塾大学 医学部 医化学教室 教授
〒160-8582 東京都新宿区信濃町３５番地
Tel：03-5363-3753 Fax：03-5363-3466
E-mail：
山本 雄広（ヤマモト タケヒロ）
慶應義塾大学 医学部 医化学教室 助教
〒160-8582 東京都新宿区信濃町３５番地
Tel：03-5363-3461 Fax：03-5363-3466
E-mail：
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
坂本 祥純（サカモト ヨシズミ）
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
Tel：03-3512-3528 Fax：03-3222-2068
E-mail：
（英文）
Discovery of Cancer's metabolic trick to escape from toxicity of anticancer drugs - Towards improvement of cancer chemotherapy
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20140317-2/#YOUGO4
http://www.nature.com/articles/ncomms4480
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20140317-2/index_e.html
生体内ガス分子が介するがん細胞の代謝制御機構 慶応大学病院ＨＰより と補足記事
http://www.asyura2.com/16/iryo5/msg/515.html
投稿者 BRIAN ENO 日時 2017 年 2 月 01 日 08:07:02: tZW9Ar4r/Y2EU QlJJQU4gRU5P
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