———————————————————————-Page10910-1810/08/\100/頁/JCLSIIインスリンシグナルとインスリン抵抗性インスリンはその受容体に結合後,内在のチロシン残基が自己リン酸化されて活性化する.活性化した受容体はその下流にあるinsulinreceptorsubstrate(IRS)やSrchomologyandcollagenprotein(Shc)などをリン酸化する.IRSは代謝作用を調節するphosphatidylinosi-tol-3kinase(PI3K)経路を,Shcは増殖作用を調節すIメタボリックシンドロームとは肥満を基盤として高血圧,糖代謝異常,脂質代謝異常が心血管疾患発症の背景に存在し,このような危険因子を合併した病態がメタボリックシンドロームとよばれている.国際的にさまざまな診断基準が発表されているが,メタボリックシンドロームはインスリン抵抗性が病態の中心に位置している.(9)9図1インスリンシグナルとその作用機構PI3K経路MAPK経路IRSShcインスリンインスリン受容体細胞膜蛋白*HaruyoshiYamaza,TakuyaChiba&IsaoShimokawa:長崎大学大学院医歯薬学総合研究科生命医科学講座探索病理学〔別刷請求先〕山座治義:〒852-8523長崎市坂本1丁目12-4長崎大学大学院医歯薬学総合研究科生命医科学講座探索病理学特集●眼の病い─生活習慣病が原因あたらしい眼科25(1):914,2008メタボリックシンドロームとカロリー制限─糖代謝を中心に─RelationshipbetweenMetabolicSyndromeandCaloricRestrictioninGlucoseMetabolism山座治義*千葉卓哉*下川功*———————————————————————-Page210あたらしい眼科Vol.25,No.1,2008(10)ぼ一定に保たれているが,インスリンがその中心的な役割を演じている.グルコースの細胞内への取り込みは,骨格筋や脂肪組織ではインスリン依存性にグルコース輸送体(glucosetransporter:GLUT)4が働くが,肝臓ではインスリン非依存性にGLUT2がその役割を担い,細胞内外のグルコース濃度の格差により糖の取り込み・放出を行う.インスリンはグルコキナーゼ(glucokinase:GK)や解糖系の調節酵素であるホスホフルクトキナーゼ-1,グリコーゲン合成酵素の遺伝子発現を増加させ,グリコーゲン分解や糖新生の律速酵素であるホスホリラーゼキナーゼやホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ(phosphoenolpyrubatecarboxykinase:PEPCK),グルコース6-リン酸脱リン酸化酵素(glucose-6-phos-phatase:G6Pase)の活性や遺伝子発現を抑制する.以上のことから肝細胞内のグルコース濃度が減少して,間るmitogen-activatedproteinkinase(MAPK)経路を活性化して,インスリン作用を下流に伝達する(図1).インスリンシグナルは糖(グルコース)の細胞内への取り込みや糖新生に関与する遺伝子発現の調節など糖代謝に重要な働きをするが,この一連の反応が阻害されることによりインスリン抵抗性が生じると考えられている.一方,脂肪組織は,栄養過剰時に肝臓や脂肪組織で糖から合成された脂肪酸や中性脂肪を蓄積する機能に加え,脂肪細胞がサイトカインやホルモンなどのさまざまな生理活性物質を分泌することが最近明らかになった.このような生理活性物質は総称してアディポカインとよばれており,脂肪組織はエネルギー代謝の調節に関与する生体中では最大の内分泌臓器として非常に注目されている(図2).肥大化した脂肪細胞では,遊離脂肪酸やtumornecrosisfactor(TNF)-a,レジスチンなどのアディポカインの分泌が増加し,肝臓や骨格筋におけるインスリンシグナルを障害してインスリン抵抗性を惹起する.また,インスリン感受性の調節に関与するレプチンに対する抵抗性の出現や,抗動脈硬化作用やインスリン感受性を向上させる作用をもつアディポネクチンの分泌低下をひき起こし,病態の悪化を招く.III糖代謝とインスリン抵抗性糖はおもに脳や筋肉のエネルギー源として重要であり,血糖値はさまざまなホルモンや神経作用によってほ図3肝臓における糖代謝インスリンにより遺伝子発現が影響を受ける酵素を番号(インスリンにより抑制される酵素はイタリック,亢進する酵素は下線)で示している.①:グルコキナーゼ,②:グルコース6-リン酸脱リン酸化酵素,③:ホスホリラーゼキナーゼ,④:グリコーゲン合成酵素,⑤:ホスホフルクトキナーゼ-1,⑥:ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ.グリコーゲングルコース1?リン酸グルコース6?リン酸グリセルアルデヒド3?リン酸1,3?ビスホスホグリセリン酸3?ホスホグリセリン酸2?ホスホグリセリン酸ホスホエノールピルビン酸ピルビン酸オキザロ酢酸アセチルCoA乳酸フルクトース6?リン酸フルクトース1,6?リン酸グルコースウリジン二リン酸グルコースジヒドロキシアセトンリン酸グルコースGLUT2細胞膜④①⑤③②⑥図2脂肪細胞から分泌されるおもなアディポカイン脂肪細胞の肥大化により,アディポネクチンの発現・分泌は抑制され,遊離脂肪酸やTNF-a,レジスチン,レプチンは亢進する.肥大化した脂肪細胞TNF?a遊離脂肪酸レジスチンレプチンアディポネクチン———————————————————————-Page3あたらしい眼科Vol.25,No.1,200811(11)ウスを中心とした研究からその効果はくり返し実証され,カロリー制限による寿命延長効果に関する仮説が提唱されている2)が,実際のメカニズムについてはいまだ謎である(表1).しかし,カロリー制限動物における共通の特徴は,血中グルコースおよびインスリン濃度の減少およびインスリン感受性の亢進であり,少なくともげっ歯類においてはアディポネクチンの血中濃度の上昇とレジスチンやTNF-aの減少が観察されている.この表現型はメタボリックシンドロームとは反対であり,大変興味深いところである.筆者らはカロリー制限の寿命延長のメカニズムを解明する目的で,下垂体特異的に成長ホルモン(growthhormone:GH)をアンチセンス遺伝子によりその発現を抑制することにより,適度にGH-インスリン様成長因子(insulin-likegrowthfactor:IGF)-1系を抑制させた遺伝子改変ラットを用いて研究を行った3).この遺伝子改変ラットはカロリー制限をすることなく寿命の延長が確認されただけでなく,血中のグルコースやインスリン濃度が低下しており,アディポネクチンの血中濃度は上昇していた.さらに体重の変化や摂食量はカロリー制限下のラットと類似していた.以上のことは,カロリー制限による寿命延長効果は,GH-IGF-1系が重要であることを示唆している.Vカロリー制限における糖代謝カロリー制限ラットに糖負荷試験を行ったところ,大変興味深い結果が得られた(図4).血中グルコース濃度の変化から,カロリー制限ラットの耐糖能は対照群である自由摂食群よりも耐糖能の成績は良かった(図4a)が,そのときの血中インスリン濃度は対照群のような変化がみられず,ほぼ一定のままであった4)(図4b).ま接的にインスリン作用によりグルコースの取り込みが行われる.また空腹時は血中のインスリン濃度が抑制されることにより,肝臓でのグリコーゲン分解や糖新生が亢進することにより肝細胞内のグルコース濃度が上昇し,グルコースが細胞外に放出されて血糖値が保たれている(図3).このように血糖値は,インスリンによるグルコースの細胞内への取り込みと糖新生の抑制のバランスによって維持されているが,インスリン抵抗性が生じるとインスリン作用の減弱によりこのバランスが崩壊し,耐糖能の障害が生じる.アディポカインの一つであるアディポネクチンは,肝臓や骨格筋においてアデノシン一リン酸(adenosinemonophosphate:AMP)キナーゼを活性化する.活性化したAMPキナーゼは,肝臓での糖新生の律速酵素であるPEPCKやG6Paseの発現を抑制し,骨格筋ではインスリン非依存性にGLUT4の細胞膜への移行を促進する.また脂肪細胞では,インスリン抵抗性に関与するTNF-aの分泌を抑制する.しかしアディポネクチンは脂肪細胞が肥大化するとその発現・分泌量が減少し,その結果,糖代謝のバランスの崩壊やインスリン抵抗性を増悪させる.IVカロリー制限食事をするときに満腹になるまで食べるよりも腹八分に抑えるほうが健康にいいとよくいわれるが,実験室レベルではそのことが実証されている.つまり,ラットやマウスなどのげっ歯類に摂食量の6070%の餌を与えると,自由に餌を摂取できる対照群(自由摂食群)よりも平均寿命や最大寿命が延長し,老化現象や疾患の発症を遅延または抑制できる1).特定の栄養素を制限するのではなく摂取量を抑制することからカロリー制限といっているが,その効果はげっ歯類にだけではなく,酵母から線虫,ショウジョウバエなどの下等生物,さらには現在進行中である米国でのサルを用いたカロリー制限でもげっ歯類と同様の生理学的変化が観察されている.このことから,カロリー制限による抗老化・寿命延長作用には進化論的に保存された機構の関与が示唆される.1935年,MacCayらがカロリー制限により実験動物の寿命が延長することを初めて報告して以来,ラット・マ表1カロリー制限のメカニズムに対する仮説仮説脂肪仮説代謝仮説スス仮説グルースインスリン仮説仮説ルメシス仮説———————————————————————-Page412あたらしい眼科Vol.25,No.1,2008(12)けるインスリン感受性の亢進にはアディポネクチンが大きく関与していることが考えられる.カロリー制限ラットの肝臓において,糖新生の律速酵素であるPEPCKの遺伝子発現および酵素活性は,摂食直後に一時的に減少するが,カロリー制限では自由摂食群よりも高い状態にある8).また,GKや解糖系とクエた,グルコースを投与したカロリー制限ラットにおいて,肝臓や骨格筋でのインスリン受容体のリン酸化レベルも有意に上昇しなかった5).このことはカロリー制限では糖代謝においてインスリン非依存性のシステムが存在することを示唆するものであり,今後の研究課題である.さらに18カ月齢から4カ月間カロリー制限を行ったラットの糖負荷試験では,耐糖能の改善がみられ(図4c),グルコース濃度がピークとなるグルコース投与後15分の血中インスリン濃度は,対照群よりも低値であった6)(図4d).またカロリー制限ラットのインスリン負荷試験では,対照群よりも早く血中グルコース濃度が減少した4)(図5).以上のことから,カロリー制限は耐糖能を改善するとともにインスリン感受性を亢進するといえる.そしてアディポネクチンは,カロリー制限によってその血中濃度が上昇すること7),18カ月齢から4カ月間カロリー制限を行ったラットにおいても血中濃度が上昇する(未発表データ)ことから,カロリー制限にお図4耐糖能試験におけるカロリー制限の影響生後6週よりカロリー制限を行った6カ月齢のラットのグルコース濃度(a)とインスリン濃度(b)の変化.18カ月齢より4カ月間カロリー制限を行ったラットのグルコース濃度(c)とインスリン濃度(d)の変化.(文献4,6より改変)180a12060204060時間(分)グルコース濃度(mg/d?)80100120:対照群:カロリー制限群:対照群:カロリー制限群:対照群:カロリー制限群00250c2001501005030時間(分)グルコース濃度(mg/d?)6090対照群カロリー制限群005d4321対象インスリン濃度(ng/m?):0分:15分0120b10040206080102030時間(分)インスリン濃度(ng/m?)40506000図5インスリン負荷試験におけるカロリー制限の影響(文献4より改変)12010040206080204060時間(分)グルコース濃度(mg/d?)80100120:対照群:カロリー制限群00———————————————————————-Page5あたらしい眼科Vol.25,No.1,200813(13)カロリー制限においてはショウジョウバエや哺乳類においても,その相同蛋白質の発現が上昇している報告がある14,15).この蛋白質は,グルコース濃度の減少により活性が上昇し16),またインスリン/IGF-1シグナル伝達系との関連も示唆されており16,17),カロリー制限のメカニズムを解明する分子の一つであることが示唆されている.Sir2の哺乳類相同蛋白質であるSirT1は,転写共役因子peroxisomeproliferationactivatedreceptor(PPAR)gcoactivator(PGC)-1aと相互作用して脱アセチル化をすることにより,絶食時の糖代謝関連酵素の遺伝子発現を制御していること,PGC-1aはFoxO1と相互作用してインスリンによる糖新生を制御している18)ことから,これらの分子の関係はカロリー制限での転写制御に重要な役割を演じていることが推察される.厚生労働省によると,中高年の男性の2人に1人,女性の5人に1人がメタボリックシンドロームもしくはその予備軍といわれている.食生活を含む生活習慣の欧米化に伴い,患者および予備群はさらに増加することが十分に予想されることから,その予防対策は急務である.カロリー制限の特徴はメタボリックシンドロームと反対の状態にあり,カロリー制限の抗老化・寿命延長機構を解明することは,メタボリックシンドロームへの治療法・予防法の開発につながっていくであろう.文献1)WeindruchR,WalfordRL:Thereductionofaginganddiseasebydietaryrestriction.CharlesCThomasPublish-er,Springeld,IL,USA,19982)MasoroEJ:Overviewofcaloricrestrictionandaging.MechAgeingDev126:913-922,20053)ShimokawaI,HigamiY,UtsuyamaMetal:Lifespanextensionbyreductioningrowthhormone-insulin-likegrowthfactor-1axisinatransgenicratmodel.AmJPathol160:22592265,20024)YamazaH,KomatsuT,ChibaTetal:Atransgenicdwarfratmodelasatoolforthestudyofcalorierestric-tionandaging.ExpGerontol39:269272,20045)山座治義,小松利光,樋上賀一ほか:長寿ラットにおけるグルコースインスリン機構;カロリー制限とGHIGF1系抑制の影響.基礎老化研究29:2529,20056)ParkS,KomatsuT,HayashiHetal:Calorierestrictioninitiatedatmiddleageimprovedglucosetolerancewith-outaectingagerelatedimpairmentsofinsulinsignalinginratskeletalmuscle.ExpGerontol41:837-845,2006ン酸回路の橋渡しをするピルビン酸デヒドロゲナーゼの活性は,摂食後一時的に上昇するがその変化は自由摂食群に比べて小さく,解糖系を調節するピルビン酸キナーゼの活性も含めて,カロリー制限では低い状態に保たれている8).糖代謝関連の多くの酵素はインスリンの制御を受けている(図3)ことから,カロリー制限での肝臓における糖代謝は,カロリー制限の特徴である低インスリン血症と深く関連している.カロリー制限におけるグルコースの細胞内への取り込みは低インスリン血症にもかかわらず,自由摂食群よりも亢進していた.また臓器別では,骨格筋や白色脂肪組織,褐色脂肪組織などのGLUT4を発現するインスリン感受性臓器において,摂食前後に関係なくグルコースの取り込みが亢進していた9)ことから,インスリン感受性の高い状態であるカロリー制限では,グルコースを効率よく利用して血中グルコース濃度を常に低く保つことができる.さらにカロリー制限では,摂食直後は炭水化物をエネルギー源として利用し,その後は脂質を利用するという代謝のシフトが生じている10).このように,低インスリンおよび低グルコース状態やインスリン感受性の亢進,エネルギー代謝のシフトなどのカロリー制限の特徴は,カロリー制限の抗老化・寿命延長機構を明らかにする糸口になると考えられる.おわりにカロリー制限の抗老化・寿命延長機構にはまだ謎が多い.前述のようにカロリー制限では血中アディポネクチン濃度が上昇しているが,アディポネクチンのシグナルの下流に位置するAMPキナーゼは,GLUT4を細胞膜に転移させてインスリン非依存性にグルコースを細胞内に取り込むことができ,カロリー制限における重要な分子の一つと考えられている.しかし,筆者らの最近の研究により,少なくともカロリー制限下の肝臓と骨格筋ではAMPキナーゼの活性が有意に高いとは言えない11)ことから,カロリー制限でのアディポネクチンのシグナルは別の経路を活性化していることが考えられる.また酵母や線虫において,Sir2とよばれるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)依存性脱アセチル化酵素の発現量を増加させることによりその寿命が延長し12,13),———————————————————————-Page614あたらしい眼科Vol.25,No.1,20087)YamazaH,KomatsuT,ToKetal:Involvementofinsu-lin-likegrowthfactor1intheeectofcaloricrestric-tion:regulationofplasmaadiponectinandleptin.JGeron-tolABiolSciMedSci62:27-33,20078)DhahbiJM,MotePL,WingoJetal:Caloricrestrictionaltersthefeedingresponseofkeymetabolicenzymegenes.MechAgeingDev122:1033-1048,20019)WetterTJ,GazdagAC,DeanDJetal:Eectofcalorierestrictiononinvivoglucosemetabolismbyindividualtis-suesinrats.EndocrinolMetab39:E728-E738,199910)McCarterRJ,PalmerJ:Energymetabolismandaging:alifelongstudyofFisher344rats.EndocrinolMetab26:E448-E452,199211)ToK,YamazaH,KomatsuTetal:Down-regulationofAMP-activatedproteinkinasebycalorierestrictioninratliver.ExpGerontol42:1063-1071,200712)KaeberleinM,McVeyM,GuarenteL:TheSIR2/3/4complexandSIR2alonepromotelongevityinSaccharo-mycescerevisiaebytwodierentmechanisms.GnesDev13:2570-2580,199913)TissenbaumHA,GuarenteL:Increaseddosageofasir-2geneextendslifespaninCaenorhabditiselegans.Nature410:227-230,200114)WoodJG,RoginaB,LavuS:Sirtuinactivatorsmimiccaloricrestrictionanddelayageinginmetazoans.Nature430:686-689,200415)CohenHY,MillerC,BitternmanKJetal:Calorierestric-tionpromotesmammaliancellsurvivalbyinducingtheSIRT1deacetylase.Science305:390-392,200416)LinSJ,DefossezPA,GuarenteL:RequirementofNADandSIR2forlife-spanextensionbycalorierestrictioninSaccharomycescerevisiae.Science289:1319-1332,200017)YamazaH,ChibaT,HigamiY:Lifespanextensionbycaloricrestriction:anaspectofenergymetabolism.MicroscResTechniq59:325-330,200118)RodgersJT,LerinC,HaasW:NetrientcontrolofglucosehomeostasisthroughacomplexofPCG1-aandSIRT1.Nature434:113-118,2005(14)お申込方法:おとりつけの書店,また,その便宜のない場合は直接弊社あてご注文ください.メディカル葵出版年間予約購読ご案内眼における現在から未来への情報を提供!あたらしい眼科HFFNVol.25月刊/毎月30日発行A4変形判総140頁定価/通常号2,415円(本体2,300円+税)(送料140円)増刊号6,300円(本体6,000円+税)(送料204円)年間予約購読料32,382円(増刊1冊含13冊)(本体30,840円+税)(送料弊社負担)【特集】毎号特集テーマと編集者を定め,基本的事項と境界領域についての解説記事を掲載.【原著】眼科の未来を切り開く原著論文を医学・薬学・理学・工学など多方面から募って掲載.【連載】セミナー(写真・コンタクトレンズ・眼内レンズ・屈折矯正手術・緑内障・眼感染アレルギーなど)/新しい治療と検査/眼科医のための先端医療他【その他】トピックス・ニュース他■毎号の構成■株式会社〒113-0033東京都文京区本郷2-39-5片岡ビル5F振替00100-5-69315電話(03)3811-0544http://www.medical-aoi.co.jp