代表的なアセチル化反応であるアスピリンの合成反応を示した。円で囲われたサリチル酸の水酸基が無水酢酸との反応によりアセチル基に置換され、アスピリンが合成される。アセチル化とは、有機化合物の水酸基(-OH)やアミノ基(-NH2)などの水素原子をアセチル基(-COCH3)で置換することである(図1)。IUPAC命名法ではエタノイル化という。逆に、有機化合物からアセチル基が除かれる反応は脱アセチル化という。代表的なアセチル化剤として、無水酢酸、塩化アセチル、酢酸メチル、N-メチルアセトアミドなどが使われている。図2.ヒストンのアセチル化、脱アセチル化による転写活性状態の変化ヒストンがHATによりアセチル化された状態ではヒストン-DNA間の結合が緩むことで、TFやPolIIの結合が可能となり、転写は活性化される。逆にHDACにより、ヒストンが脱アセチル化されるとTF、PolIIが結合出来ないため転写は抑制される。factor:基本転写因子群、Ac:acetylation:アセチル化タンパク質のアセチル化は、クロマチンの構造制御や転写活性制御に重要な働きをしている。転写活性化に働く補因子の多くがアセチル化酵素活性を持っており、逆に転写抑制に働く補因子の多くは脱アセチル化酵素活性を有する。ヒストンタンパク質のアセチル化において最も多く報告されているのがヒストンのアセチル化及び脱アセチル化である。これらは遺伝子の発現制御に密接に関わっている。ヒストンはアセチル化されることでヒストン中の特定のリジン残基のアミノ基(-NH2(-NH3+))をアセトアミド(-NHCOCH3)に変換することにより電荷を中和し、ヒストン-DNA間の結合を部分的に弱める。これにより、DNA鎖に対して転写因子やRNAポリメラーゼ(PolII)がより結合しやすい状態になり、結果として転写が活性化される。逆に、ヒストンが脱アセチル化されるとアセチル基が加水分解により除去され、元のアミノ基に戻ることによりヒストンへのDNAの巻きつきが強められ転写が抑制される(図2)。factor)などが存在する。deacetylase)には5つのファミリーがあり、それぞれCLASSI(HDAC1、2、3、8)、CLASSIIa(HDAC4、5、7、9)、CLASSIIb(HDAC6、10)、CLASSIII(SIRT1~7)、CLASSIV(HDAC11)である。factor:TF)と協調して働くことが知られている。acid:SAHA)が知られている。E2F、MyoD、STAT3など数多くの非ヒストンタンパク質もまた、部位特異的にアセチル化されることが知られている[1](表1、2)。制御され、転写、増殖、アポトーシス、分化など、細胞の様々な過程がコントロールされている。現在では、ヒストンおよび非ヒストンタンパク質のアセチル化が、メチル化やリン酸化など他の修飾とクロストークし、最終的なシグナル発現に重要な働きをしていることが明らかとなっている。いくつかの修飾がある決まった順序で組み合わさることが、ある機能発現には必要であり、一方では、互いに阻害し合うこともある。このように組み合わせを変えることで、細胞内情報伝達のネットワークの多様性を生み出している[2]。1神経系でのタンパク質アセチル化アセチル化は神経機能にも関与している。密接に関わっていることが報告されている。神経幹細胞の分化は「ヒストン」の項を参考にして頂き、ここではヒストンアセチル化と神経機能、及び神経系疾患に着目する。哺乳類においてヒストンのアセチル化、脱アセチル化、及びHAT、HDACの活性はシナプスの可塑性や記憶の形成に関与する。C(PKC)経路の活性化はヒストンH3のアセチル化を誘導し[3]、海馬神経のKClによる脱分極はヒストンH2Bのアセチル化を促進する[4]。マウスでの記憶学習訓練もヒストンH3のアセチル化を誘導することが知られている[3][5]。factor:BDNF)プロモーター領域のヒストンH3のアセチル化とホスホアセチル化を亢進することが報告されている[6][7]。ヒストンH3のアセチル化亢進は記憶の再固定や想起の際に誘導されることも明らかになっており、ヒストンのアセチル化が記憶に密接に関わっていることが示されている[8]。同様にHDACやHATの活性も神経機能に重要である。potentiation:LTP)や記憶形成を増強させ[9][10]、恐怖条件付けによる恐怖の消去を促進させる[6][11]。代表的なHATであるCBPの変異マウスはLTP及び記憶形成が障害を受け[12]、抑制性の切断型p300のトランスジェニックマウスやPCAF欠損マウスでは記憶障害が起こることが報告されている[13][14]。重度の脳萎縮、及び神経脱落を起こしたマウスにHDAC阻害剤を投与すると、樹状突起の再形成とシナプスの増加が観察され、学習能力や長期記憶が回復することが明らかになっている[15]。これらのように、シナプス可塑性(LTP)や記憶形成においてヒストンのアセチル化とそれを制御する酵素は非常に重要な役割を果たしている。図3.神経変性状態でのHDAC阻害剤の働きHDAC阻害剤は神経変性状態におけるヒストンの低アセチル化状態を改善し、結果的に種々のタンパク質の発現を上昇させる。微小管タンパク質を高アセチル化状態にすることで微小管輸送を上昇させ、BDNFの細胞外放出を促進させる。上昇等を示し、神経変性状態を改善する。70:熱ショックタンパク質70HDACはヒストンタンパク質のアセチル化状態の恒常性を維持することで転写等の細胞の基本的な活性を制御するのに重要な役割を果たしており、多くの脳疾患でタンパク質のアセチル化レベルが不均衡となっていることが知られている。このような点からも種々のHDAC阻害剤が新たな脳疾患治療薬として有用である可能性が示唆されている。抗炎症の特徴を有し、学習記憶や脳疾患にみられる他の表現型などを改善できることが示されている[16][17](図3)。挙げられ、多くの脳疾患でヒストンの低アセチル化及び転写の機能障害が起こっている。ヒストンのアセチル化が関与する脳疾患の例を以下に示す。ルビンシュタイン・テイビ症候群ルビンシュタイン・テイビ症候群はHATとしての機能をもつCBPやp300の変異により引き起こされ、精神遅滞や記憶障害を示す脳疾患である[18]。CBPのヘテロ欠損マウスは発達遅滞や骨格異常がみられ[19]、クロマチンのアセチル化の欠損、及びLTPの障害などを示す[20]。近年の研究により、HDAC阻害剤であるトリコスタチンAを投与することでLTPの障害による長期記憶能低下の改善、及びシナプス可塑性の回復がみられることが明らかになっている[21]。このような研究結果から、HDAC阻害剤がルビンシュタイン・テイビ症候群治療の選択肢のひとつとして考えられている。パーキンソン病パーキンソン病は神経変性疾患で、黒質でのドーパミン神経の選択的欠損に伴う運動機能障害を特徴としている。パーキンソン病の大部分は孤発性である。ドーパミン毒素によりパーキンソン病様症状を呈したモデル動物に、HDAC阻害剤のフェニルブチレートを投与すると、黒質でのドーパミンの欠乏とドーパミンの生合成酵素であるチロシン水酸化酵素を発現する神経の減少が抑制される[22]。factor:GDNF)は、ドーパミン神経特異的に生存と軸索伸長に作用する因子である(図3)。そのため、HDAC阻害剤投与はパーキンソン病を含む神経変性疾患の治療において有望な治療法となると考えられている[23]。家族性のパーキンソン病ではシナプス前タンパク質であるΑ-シヌクレインの遺伝子変異が原因のひとつとされている。ヒト神経芽腫細胞において、α-シヌクレインはヒストンに結合し、HATであるCBPやp300、PCAFを不活性化することでヒストンの低アセチル化、及びアポトーシスを引き起こすことが示されている[24]。vivo両方においてα-シヌクレインの過剰発現による神経細胞死を減弱させることが明らかとなっている[24]。急性の神経変性疾患であり日本では死因の第三位を占めている。脳血管障害の一つの大きな原因として脳虚血が挙げられる。occlusion:MCAO)により作成することができる。ラット及びマウスのMCAOモデルでは、虚血脳全体のヒストンのリジン残基でアセチル化が抑制されるが、この変化はHDAC阻害剤の投与により梗塞体積の減少と共に回復される[25][26][27]。ラットのMCAOモデルでは傷害後のVPA、SB、TSAの投与により、状態の改善がみられることが示されている[25][26]。SBを投与したMCAOラットでは虚血脳で、神経新生の増加が確認されるが、これはBDNF-TrkBの経路を遮断すると消失してしまう[28]。stress)から虚血脳を保護できることが報告されている[29]。70(HSP70)の発現を誘導することが知られている[25][26][27](図3)。NF-κBを不活性化することで抗炎症作用を示すことが明らかにされている[30]。細胞骨格タンパク質の発現は虚血条件においてHDAC阻害による神経保護効果と関連している。例としてHDACの阻害はアクチンフィラメントの構成に重要なゲルソリンタンパク質を増加させ、虚血傷害から神経を保護する[31]。抑制して抗炎症効果を示すことにより、脳血管障害の脳内出血モデルにおいて神経保護を示す[32]。以上の報告より、急性の神経疾患においてもHDACの阻害が効果的であることが示されている。本文では以上3つの例を紹介したが、これらの例からも、脳機能においてヒストンのアセチル化は重要な役割を担い、HDAC阻害剤は脳疾患治療薬として有用であると考えられる。してきたように、一般にHDACの阻害は脳疾患治療に有用であると思われる。HDAC6のようにHDACの働きが脳機能に重要であることも知られており、HDACの阻害が常によい方向に働くとは限らない。HDAC6は脳で高く発現しており、ヒストンのみならずα-チュブリン、HSP90、コルタクチンを脱アセチル化する。なかでもHDAC6の主要な基質はα-チュブリンであり、α-チュブリンのアセチル化レベルを制御することで微小管の安定性をコントロールし、その輸送等に重要な役割を果たすことが報告されている[33][34]。1やBDNFなどのキネシン-1のカーゴタンパク質の極性輸送が促進される[35]。脳疾患に関係することが知られている[37]。HDAC6は軸索の末端領域に局在することで軸索の伸長にも重要な役割を果たしており、TSAなどのHDAC阻害剤によるtubulinの脱アセチル化阻害は軸索の伸長を阻害することが報告されている[38]。逆に、HDAC6はマウスの情動行動に関与し、HDAC6の欠損やHDAC6阻害剤が運動亢進、不安の軽減などの抗うつ様の行動を誘導することで、うつ病等の治療によい影響を与えることも明らかになっている。神経細胞に多く存在している。Inhibitors:SSRI/SNRI)に対する応答性には変化がなく、SSRI/SNRIの急性投与による大幅なうつ様行動の改善はHDAC6の欠損マウスと野生型マウスで同程度である。このことからHDAC6阻害剤による抗うつ作用メカニズムは既存の抗うつ薬とは異なると考えられており、HDAC6の阻害はうつ病の病態解明や新規抗うつ薬の開発につながる可能性が示唆されている[39]。終わりに今回紹介した例以外にも、タンパク質のアセチル化と脳機能に関しては多くの報告がなされており、ヒストンのアセチル化や非ヒストンタンパク質のアセチル化は脳の発達や機能に重要な機構であるといえる。一般にHDAC阻害剤は脳疾患の治療に有用であり、記憶形成を増強させることなどが知られている。上に示したように、軸索輸送や軸索伸長に対してHDAC6が重要な役割を果たすこと、また、HDACがオリゴデンドロサイトの分化に必須であること(ヒストンの項参照)、さらにはHDAC1、2を同時に欠損させたマウスでは海馬や小脳、大脳皮質の形成に異常が生じ、胎生致死となることなども知られている[40]。これらのことから、HDACは脳の発生や機能に正および負の働きを示すものであり、HDACによる脳でのアセチル化レベルのバランスの維持が、正常な脳機能を果たす上では重要であるといえる。Internationalのもとで利用可能です。プライバシーデスクトップ。