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生化学部

新規成長ホルモン分泌促進ペプチド; グレリン(Ghrelin) に関する研究

生化学部では1999年12月に新しい成長ホルモン分泌促進ペプチド「グレリン」を発見し、その構造決定に成功しました。グレリンは成長ホルモンの分泌促進のみならず、中枢性或いは末梢性に摂食を促進するという新しい機能を持っています。さらに、循環器系やエネルギー代謝にも機能し、心機能改善やそれに伴うカヘキシアの改善に働くことが明らかとなり、現在、心不全や摂食障害の治療応用に向けて研究が始まっています。

(A1) グレリンの発見:構造、生体内分布、分泌調節

成長ホルモン(GH)の分泌は、これまで視床下部ホルモンである成長ホルモン放出ホルモン(GHRH)およびソマトスタチンによりそれぞれ促進性、抑制性に制御されていると考えられていました。一方、人工的に合成された成長ホルモン放出促進因子(GHS)が内在性の特異的な受容体(GHS-R)を介してGH分泌に関与することが示されていましたが、その受容体は結合する内在性リガンドが不明なオーファン(孤児)受容体でした。そのため、その内在性リガンドの探索が世界中の多くのグループにより行なわれていましたが、永年、成功していませんでした。

生化学部ではGHS-Rの安定発現細胞系を用いて、細胞内Caイオン濃度の上昇活性を指標に、GHS-Rに特異的な内在性リガンドの検索を行い、胃組織抽出物からそのリガンドを精製し、構造を決定することに成功しました。そのリガンドはアミノ酸28個からなるペプチドで、3番目のセリン残基が脂肪酸(n-オクタン酸)でアシル化修飾された特徴的な構造の新規ペプチドでした。このペプチドはその歴史的背景通り強力なGH分泌促進活性を持っていました。また、ペプチドの脂肪酸修飾はその活性発現に必須であることが明らかとなりました。私たちはこのGH分泌促進ペプチドを“グレリン(ghrelin)”と命名しました。Ghreは印欧基語でgrow(成長)を意味し、さらにGH-releasing peptideの語意も含んでいます。この発見は、GH分泌が脳の視床下部だけでなく、消化管である胃から分泌されるグレリンによっても調節されているという新たなGH分泌調節系の存在を示しました。

グレリンはどの動物種においても主に胃(胃体部・腺胃)で産生されています。グレリン産生細胞はクロモグラニンAと共存する管腔とは接していない閉鎖型の内分泌細胞で、以前からX/A様細胞として知られていた内容物が不明な細胞であることが判明しました。ヒトやラットの場合、胃以外に、腸、心臓、膵臓、視床下部、胎盤などでも産生が認められます。特に膵臓ではランゲルハンス氏島辺縁部のA細胞に局在しており、視床下部では弓状核外側部にグレリン産生ニューロンが局在しています。

ヒトやラットにおいて、グレリンの分泌は空腹時に刺激され、摂食やグルコース負荷で抑制されます。また、インスリン、ソマトスタチン、コレシストキニンなどのホルモンによっても分泌が抑制されます。胃での産生は絶食やインスリン、レプチンの投与により増加します。血漿グレリン濃度は肥満モデル動物やヒトの肥満者において低値で、体格指数(BMI)と負の相関を示します。一方、神経性食思不振症やカヘキシアを伴う重症心不全患者では高値を示します。グレリンは胃から分泌され、血中を循環するホルモンとして、後述のようにGH分泌、摂食および循環器系機能やエネルギー代謝の調節など多くの生理作用に係わっています。

(A2) グレリンによる成長ホルモン分泌調節

グレリンは人工的に合成されたGHSの内在性物質として同定されたことから、GHS(グレリン)受容体に作用して強力なGH分泌促進活性を示します。ラット下垂体前葉細胞の培養系や静脈内投与による検討では、GHのみ特異的に分泌が促進され、他の下垂体ホルモンの分泌には影響しません。ヒトにおいては、グレリンの単回投与により用量依存的に血漿GH濃度の上昇が認められ、その効果はこれまで知られていた成長ホルモン放出ホルモンであるGHRHよりも強力でした。GHRHは1μg/kgの投与でGH分泌の最大反応を示しますが、グレリンは 5.0μg/kgでも最大反応を示さないことから、GH分泌刺激機序の違いが示唆されます。また、グレリンは低用量でGHRHと相乗的に、高用量で相加的に作用することがわかっています。高用量のグレリンを投与した場合には、血漿プロラクチンやACTH濃度の上昇も認められ、これはラットの場合と異なります。グレリンのGH分泌刺激の作用機序としては、視床下部のグレリンと胃から分泌されたグレリンの双方が関与すると考えられます。実際、脳室内にグレリンを投与すると血漿GH濃度が上昇します。一方、静脈投与によっても上昇しますが、迷走神経切断によって、その効果は著しく減弱します。また、静脈投与後に視床下部GHRHニューロンのFosタンパク発現が上昇することから、末梢性グレリンによるGH分泌促進機序には迷走神経による脳への情報伝達とその後に応答するGHRHが関与していると考えられます。

(A3) グレリンの摂食亢進作用とエネルギー代謝調節

グレリンは脳の視床下部弓状核でも産生され、グレリン受容体も脳の様々な部位で発現していることから、GHの分泌刺激以外にも種々の中枢生理機能に係わっていると考えられていましたが、実際、GH分泌促進作用に加え、グレリンの脳室投与は血漿インスリン、グルコース、中性脂肪、コレステロール値など生化学的因子を変動させずに摂食量の増加と体重増加を起こすことが明らかとなりました。GHはそれ単独で摂食亢進作用を持ちますが、遺伝的にGHを欠くラットでもグレリンによる摂食亢進作用が見られることから、この効果はグレリンにより増加したGHを介したものではないことがわかります。また、グレリン抗体を中枢投与すると摂食が強く抑制されることから、中枢のグレリンが実際に摂食調節に関与していると考えられます。グレリンの脳室内投与後に、ニューロン活性化の指標となるFosタンパク質の発現が、神経ペプチドY(NPY)産生ニューロン、アグーチ関連タンパク質(AGRP)産生ニューロン、オレキシン産生ニューロンなど摂食制御に重要な複数の神経細胞で起こります。また、これらのペプチドに対する抗体を前投与すると、グレリン誘発性の摂食行動は消失します。このことから、グレリンによる摂食行動は様々な摂食調節ニューロンが機能することにより調節されていることがわかりました。また、レプチンで誘発される摂食低下を抑えることから、グレリンとレプチンはこれらのニューロンにおいて摂食行動に関して拮抗的に作用していると考えられます。

胃から分泌されるグレリンによる摂食亢進は、前述のGH分泌の場合と同様、迷走神経末端に存在するグレリン受容体にグレリンが結合して、迷走神経求心路の電気活動を抑制することにより、空腹の情報が中枢へ伝達されることで起こります。多量のグレリンの連続皮下投与は体重を増加させますが、このとき呼吸商が増加しており、体脂肪利用の抑制に伴う脂肪組織の増大がその原因であると考えられます。ヒトやラットでは空腹によりグレリンの分泌が刺激されます。また、ヒトの血漿グレリン濃度は体格指数(BMI)と逆相関し、肥満者では低値、神経性食思不振症、重症心不全および肺ガンでカヘキシアの強い症例でも血漿グレリン濃度が高値を示すことから、グレリンは負のエネルギーバランス時に活性化され、摂食刺激、脂肪蓄積或いはGHによる同化作用により生体の恒常性を維持するために働いていると考えられます。

現在では、グレリンの摂食亢進機能が、摂食障害や肥満、低栄養状態などの治療に結びつくと期待されています。実際に、当センターを含む多施設共同研究が実施されており、慢性閉塞性肺疾患患者へのグレリン投与により、呼吸筋力と栄養状態の改善が認められました。

(A4) グレリンの循環器系に対する作用

グレリンは循環器系にも作用します。グレリンを慢性心不全モデルラットに1日2回、3週間投与を続けると、末梢血管抵抗の低下、心拍出量の増加、左室駆出率の増加、左室リモデリング進展の抑制、非梗塞部の代償性心肥大の促進など心機能の改善が認められました。これはグレリンによる直接作用と、グレリンにより増加したGH/IGF-1を介した効果と考えられます。また、ヒトの前腕動脈における局所投与やGH遺伝子欠損dwarfラットを用いた検討により、グレリンはGHやIGF-1非依存性に血流増加や血圧低下を起こしますが、これはグレリン受容体が血管にも存在するため、グレリンの血管拡張作用が現れたと考えられます。また、グレリンの健常者の静脈内への単回投与は、血漿GH濃度の上昇と共に比較的長時間持続する約10mmHg程度の血圧(平均動脈圧)低下作用を示し、さらに心拍数を変化させずに心係数、心拍出量を増加させました。このことは、グレリンが交感神経系を抑制することにより循環動態を変化させていることを示します。さらに、カヘキシアを伴う慢性心不全患者において血漿GHおよびグレリン濃度の上昇が認められました。血漿グレリン濃度は心不全の重傷度の指標であるHYHA機能分類および左室駆出率とは相関しませんでしたが、BMI、血中TNF-α、血漿GH濃度と正相関することから、エネルギー代謝が異化に傾いたカヘキシアの病態において代償的に機能していると考えられます。このように、生体内分子であるグレリンが様々な心機能改善効果を示すことから、当センターでは、当高度先駆的医療・研究専門委員会および倫理委員会の承認のもと、「グレリン投与による心機能不全改善および、エネルギー代謝是正効果の臨床評価」の研究が心臓血管内科において実施されました。この結果、グレリン反復投与(1日2回、3週間)は、慢性心不全患者の左室機能および運動能力、筋消耗を改善することが示されました。

上記の研究結果を受けて、生化学部ではグレリンの生理作用を応用した循環器疾患の新たな治療法開発を目指した研究を行っています。特に私たちはグレリンの自律神経調節作用に注目しています。自律神経系は交感神経と副交感神経から成り、両者はバランスを取りながら生体の恒常性を維持しています。交感神経活性が優位になると、血圧や心拍数の上昇・血管収縮が起こり、副交感神経が優位になると血圧や心拍数は低下し、血管拡張が起こります。心筋梗塞や心不全といった循環器疾患においては交感神経活性の増加が生じますが、これは血圧を維持するための代償機転です。しかし、過剰な交感神経の活性化によって致死性不整脈が出現したり、長期的な心不全の予後が悪化したりすることが分かって来ました。私たちは動物実験によってグレリン投与が過剰な交感神経活性化を抑制し、心筋梗塞急性期の致死性不整脈発現を抑制すること、慢性期の心臓リモデリングを改善し、心機能を保持することを明らかにしました。慢性心不全を生じる原因の一つに心肥大がありますが、私たちは心肥大モデル動物を用いた実験により、心肥大の病態においては副交感神経活性が低下しており、グレリンによって副交感神経活性を上昇させることで心肥大の病態が改善することも明らかにしました。このように、グレリンは交感神経活性抑制・副交感神経活性賦活化という二つの作用を併せ持つ大変ユニークなホルモンであり、私たちは近い将来、循環器臨床においてグレリンが実用化されることを目指して日々研究を続けています。

(A5) 系統進化学的な観点におけるグレリンの重要性

グレリンは哺乳動物のみならず非哺乳類の胃腸管にも存在します。生化学部では、これまでに鳥類および爬虫類、両生類、真骨魚類、軟骨魚類など様々な脊椎動物において、グレリン(あるいはグレリン様ペプチド)の構造を明らかにしてきました。その結果、(1)グレリンは調べた全ての脊椎動物で第3位のアミノ酸に脂肪酸修飾を持つこと、(2)脂肪酸修飾されるアミノ酸がセリンだけでなくスレオニンの場合があること、(3)活性発現に必須な部分の基本的な構造は真骨魚類から鳥類まで動物種を越えて保存性が高いこと、(4)真骨魚類のグレリンのC末端は他の動物では見られないアミド構造を有していること、(5)軟骨魚類のアカエイのグレリンは脂肪酸修飾の他にムチン型糖鎖修飾を有し、この修飾はサメにはないことなど、構造の多様性を明らかにしました。また、機能的には、(i) 哺乳類と同様に、鳥類、両生類、真骨魚類において成長ホルモン分泌促進作用があること、(ii)エネルギー代謝にも関わっていますが、魚類や両生類のように摂食が亢進する動物と、鳥類のように抑制される動物がいること、(iii)胃腸管運動作用は魚類や両生類では認められず、鳥類になって部位特異的な作用が認められることなど、系統進化学的な観点における機能の普遍性と多様性に関する新知見を見いだしています。以上のことは、グレリンが動物の進化上、普遍的に保存されてきた機能的に重要なホルモンであることを示しています。

最終更新日 2016年07月01日

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