Nature掲載｜ベージュ脂肪産生を制御する新たな分子機構を解明

ベージュ脂肪組織と代謝疾患

脂肪組織は、空腹感や体温を調節するホルモンを分泌し、体内の恒常性維持において重要な役割を果たしています。体内には複数のタイプの脂肪組織が存在し、白色脂肪組織は余剰エネルギーを貯蔵する一方で、褐色脂肪組織はエネルギーを消費して熱を産生します。さらに、近年注目されている「ベージュ脂肪組織（Beige adipose tissue）」は、褐色脂肪と同様の熱産生機能を有する新しい脂肪タイプとして報告されています。

近年の研究から、褐色脂肪およびベージュ脂肪がインスリン抵抗性や2型糖尿病などの代謝性疾患の予防に寄与する可能性が示唆されています。特に、ベージュ脂肪の増加は、代謝健康の有意な改善と関連していることが明らかになっています。

こうした背景のもと、ハーバード大学医学部（Harvard Medical School，HMS）ベス・イスラエル・ディーコネス医療センター（Beth Israel Deaconess Medical Center）などの研究チームは、ベージュ脂肪細胞の生成を促進する新たな方法を開発しました。

研究材料と方法

本研究では、脂肪細胞特異的なCul2ノックアウトマウスおよびAppbp2ノックアウトマウスを作製するために、Cul2^flox/–マウスおよびAppbp2^flox/–マウス（後者はCyagenが提供）を用いました。さらに、Cul2およびAppbp2遺伝子の機能解析には、shRNAによる遺伝子ノックダウンおよび過剰発現技術が併用されました。

PRDM16タンパク質の安定性を制御する分子メカニズムを明らかにするために、研究チームはプロテオミクス（タンパク質網羅解析）、トランスクリプトーム解析（RNA-seq）、およびタンパク質間相互作用解析など、多角的なアプローチを組み合わせて解析を行いました。

技術的アプローチ

脂肪細胞内においてCUL2がPRDM16タンパク質の安定性を低下させる
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脂肪細胞におけるCUL2欠損により代謝健康が改善される
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APPBP2は、CUL2–RING型E3ユビキチンリガーゼ複合体の基質認識受容体として機能する
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CUL2–APPBP2複合体がPRDM16の多重ユビキチン化および分解を促進する
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APPBP2が全身のエネルギー代謝を制御する

研究結果

CUL2はPRDM16タンパク質の安定性を低下させる

これまでの複数の研究により、PRDM16タンパク質は、転写因子やエピジェネティック因子と複合体を形成することでベージュ脂肪細胞の分化を促進し、代謝健康の改善に重要なターゲットであることが示されています。しかしながら、PRDM16のタンパク質発現がどのように制御されているのかは十分に解明されておらず、転写プログラムを選択的に制御するための分子機構も未確立でした。

そこで研究チームは、PRDM16タンパク質の分解メカニズムに着目しました。解析の結果、neddylation（ネディレーション）と呼ばれる翻訳後修飾を阻害する低分子化合物「MLN4924」により、PRDM16のmRNA発現に変化がないにもかかわらず、タンパク質レベルが著しく上昇することが確認されました。ネディレーションはユビキチンリガーゼの活性化を促すことが知られており、この結果はPRDM16がE3ユビキチンリガーゼにより分解されている可能性を示唆しています。

研究チームは、cullin–RING型E3ユビキチンリガーゼファミリー（CUL1～CUL7）のうち、PRDM16タンパク質の発現を抑制する因子をスクリーニングした結果、CUL2のみがPRDM16タンパク質量を低下させる一方で、Prdm16のmRNA発現には影響を与えないことが明らかとなりました。さらに、アクチノマイシンDを用いたタンパク質追跡実験では、Cul2欠損によりPRDM16の半減期が顕著に延長されることが確認されました。

PRDM16タンパク質の安定性は、脂肪細胞内の代謝カスケードに大きく影響することが分かりましたが、脂肪生成（アディポジェネシス）自体には影響を及ぼしませんでした。後続の解析では、PRDM16が褐色／ベージュ脂肪に特異的な遺伝子プログラムを活性化し、ミトコンドリアでの分岐鎖アミノ酸（BCAA）および脂肪酸の酸化を促進する一方で、脂肪組織の炎症および線維化を抑制することが示されました。これらの結果から、CUL2はPRDM16の安定性を低下させることにより、脂肪細胞の代謝機能を抑制することが示唆されます。

さらに、CUL2–RING型E3ユビキチンリガーゼが全身のエネルギー代謝に与える影響を評価するために、研究チームは脂肪細胞特異的なCul2ノックアウトマウス（Adipo-Cul2-KO）を作製しました。高脂肪食負荷実験の結果、Adipo-Cul2-KOマウスではPRDM16タンパク質の発現が対照群よりも高く、肥満や耐糖能異常、インスリン抵抗性、高脂血症といった高脂肪食による代謝異常が顕著に抑制されました。

以上の結果から、脂肪組織におけるCUL2の欠失はPRDM16の安定性を高め、全身の代謝健康を改善する可能性があることが示されました。

APPBP2はCUL2とPRDM16をつなぐキー分子である

CUL2は、足場タンパク質（スキャフォールド）として機能し、複数の基質認識受容体（substrate receptors）と結合することで、標的タンパク質のユビキチン化を媒介します。PRDM16の特異的な基質受容体を同定するために、研究チームは分化したベージュ脂肪細胞からCUL2複合体を免疫精製し、液体クロマトグラフィー–タンデム質量分析（LC–MS/MS）により構成因子を解析しました。

さらに、得られたプロテオーム解析データとshRNAによる機能スクリーニングを統合することで、APPBP2の発現低下が分化脂肪細胞において熱産生関連遺伝子Ucp1のmRNA発現を有意に上昇させることが明らかになりました。Ucp1は、ミトコンダリア内膜に存在する脱共役タンパク質であり、熱産生を担う重要な分子です。

この結果を受け、研究チームはCUL2–APPBP2がPRDM16の多重ユビキチン化を触媒しているという仮説を検証するため、複数の実験を実施しました。タンパク質間相互作用解析の結果、APPBP2はELOBおよびELOCと複合体を形成することでCUL2と結合し、さらにPRDM16とは直接結合することが確認されました。

その後のユビキチン化アッセイ、質量分析および点変異解析の結果、CUL2–APPBP2複合体がPRDM16の多重ユビキチン化を媒介していることが実証されました。加えて、Appbp2を欠損させた細胞では、PRDM16のユビキチン化が抑制され、その半減期が顕著に延長することが明らかになりました（図1）。

これらの結果から、APPBP2はCUL2–RING型E3ユビキチンリガーゼ複合体における基質認識受容体として機能し、PRDM16のユビキチン化および分解を制御する中核的因子であることが示されました。

図1. CUL2–APPBP2複合体はPRDM16の多重ユビキチン化を触媒する

続く実験では、脂肪細胞特異的なAPPBP2の抑制がベージュ脂肪の産生を促進するかどうかを検証しました。研究チームは、サイヤジェン株式会社に委託してAppbp2 floxedマウスを作製し、Adiponectin-Creマウスと交配させることで、脂肪細胞特異的Appbp2ノックアウトマウス（Adipo-Appbp2-KO）を樹立しました。

解析の結果、Appbp2の欠失によりPRDM16タンパク質の発現量が上昇し、同時に褐色／ベージュ脂肪に特異的な遺伝子の発現が増加していることが確認されました。また、対照群と比較して、Appbp2-KO脂肪細胞ではミトコンダリア関連遺伝子の発現レベルも有意に上昇していました。

さらに、研究チームは、プロテオミクス解析、トランスクリプトーム解析、および細胞呼吸能解析という3つの補完的なアプローチを組み合わせることで、CUL2–APPBP2複合体の基質特異性を包括的に検証しました。

APPBP2は全身の代謝調節に関与する

CUL2–APPBP2がPRDM16のE3ユビキチンリガーゼ複合体であることを明らかにした研究チームは、さらにPRDM16タンパク質の安定性を調節する上位制御因子の解析を進めました。その結果、EHMT1が用量依存的にPRDM16複合体からAPPBP2を置換することが確認されました。重要な点として、APPBP2が複合体から外れることでPRDM16の多重ユビキチン化が減少し、結果的にPRDM16タンパク質の安定性が向上することが示されました。

加えて、加齢した脂肪組織ではAPPBP2およびCUL2の発現が増加し、それに伴ってPRDM16およびUCP1タンパク質の発現が低下する傾向が見られました（図2）。

先行研究においても、APPBP2が代謝健康に影響を与える可能性が示唆されていました。そこで研究チームは、Adipo-Appbp2-KOマウスを用いて高脂肪食負荷後の代謝表現型を評価しました。その結果、Appbp2-KOマウスは対照群と比較して体重の増加が抑制され、脂肪滴の蓄積も少ないことが判明しました。さらに、これらのマウスはグルコース耐性とインスリン感受性が改善されており、肝臓におけるトリグリセリド量も有意に低下していました。

これらの結果から、脂肪組織におけるCUL2–APPBP2経路の欠損は、食餌性肥満、耐糖能異常、インスリン抵抗性、脂質代謝異常といった代謝疾患の発症を抑制する可能性があることが示されました。

図2. APPBP2は全身のエネルギー代謝を制御する

研究結論

本研究は、PRDM16タンパク質の安定性制御を介してベージュ脂肪の産生を調節する新たな分子モデルを提唱しました。具体的には、CUL2–APPBP2から成るE3ユビキチンリガーゼ複合体がPRDM16の多重ユビキチン化および分解を触媒することで、ベージュ脂肪の形成を制御することが明らかになりました（図2i）。

CUL2–APPBP2経路の抑制は、PRDM16タンパク質の半減期を延長させ、脂肪細胞内において熱産生関連遺伝子の自律的な活性化を引き起こすとともに、炎症および線維化に関与する遺伝子の発現を抑制します。

研究チームは、今後の課題として、様々な病理生理的条件下においてCUL2–APPBP2–PRDM16相互作用をどのように制御するかを解明することが、代謝疾患の新たな治療戦略につながる重要なテーマであると述べています。

論文情報

Wang, Q., Li, H., Tajima, K. et al.

Post-translational control of beige fat biogenesis by PRDM16 stabilization.

Nature 609, 151–158 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05067-4