九州大学大学院医学研究院
細胞生理学分野

　ミトコンドリアは、細胞小器官 (オルガネラ) という細胞を構成する構造体の一つで、摂取した栄養を ATP (アデノシン三リン酸) という細胞が使いやすいエネルギーに変換する役割があります。発電所が、石油、石炭、ガス、原子力など取り扱いにくいエネルギーの塊から、電灯からパソコンまで何にでも使える「電気」という使いやすいエネルギーに変換し、各家庭に送り届けるように、ミトコンドリアは、食物から得た糖や脂肪などの栄養を単一の ATP に変換し、細胞内に送り届けます。このミトコンドリアで産生された ATP を用いて、細胞は様々な活動ができるようになります。例えば、筋肉を動かすのも、頭を使って考え事をするのもミトコンドリアが作った ATP を利用しています。

　このように、ミトコンドリアは細胞が活動する上で必須のオルガネラですから、多くの研究者の興味を引きつけ、多くの研究が行われてきました。その中には、1978 年ノーベル化学賞受賞者ピーター・ミッチェルによる化学浸透圧説や、1997 年ノーベル化学賞受賞者ポール・ボイヤーとジョン・E・ウォーカーの ATP 合成酵素の研究など、多くの素晴らしい研究が含まれています。このような研究の結果、現在では、食べた栄養がミトコンドリアの中でどのように ATP に変換されるのか、かなり詳しく解明されています。また、最近の分子生物学の発展により、ミトコンドリアがどのように作られているのか、つまりミトコンドリアを構成する成分がどこで作られ、どのようにミトコンドリア内に運び込まれるのかも詳しく知られるようになりました。このように、これまで多くの研究者を惹きつけ、現在はさらに盛んに研究されるようになっているミトコンドリアですが、未だにほとんど解明されていない事があります。それが、私たちの研究テーマである「ミトコンドリアの分解」です。

　どのような物でも同じですが、例えば上記で例に用いた発電所の場合では、電力の需要に応じて発電所は新しく作られ、働き (発電すること)、古くなれば壊して新しいものに作り替えられます。電力の需要が減れば、壊すだけで新たに作らないということもあるでしょう。ミトコンドリアの場合も同じだと考えられます。私たちの体を構成している細胞の一部は、例えば神経細胞などは、100 歳の方なら 100 年間も同じ細胞が使われています。この中にあるミトコンドリアも 100 年間、入れ替わりが起こっていないとはとても考えられません。必ず壊して、新しいものに作り替えられているはずです。しかしながら、これまでミトコンドリアを壊すことに関しては、ほとんど研究されていませんでした。少し前までは、ミトコンドリアのような大きなオルガネラを分解する機構が存在するとは考えられなかったのだと思います。このミトコンドリアを分解する機構は、ミトコンドリアオートファジーまたはマイトファジーと呼ばれています。私たちは、様々な研究を通じてマイトファジーの存在を証明し、その分子機構の大部分を解明してきました (私たちの研究成果を参照)。マイトファジーのことは、後で詳しく説明するとして、まずはオートファジーについてです。

　オートファジーは、自食作用と訳されるように、細胞がタンパク質やオルガネラを細胞内で消化・分解する現象です。このオートファジーは、ほとんどの真核生物に見られる現象で、細胞が生きていくために重要な役割を持っています。私たちヒトでも、パンを焼いたりワインを作ったりする時に使われる酵母と呼ばれる単細胞生物でも、栄養が摂取できなくなるとオートファジーが強く誘導されます。誘導されたオートファジーにより、細胞内のタンパク質やオルガネラが分解され、新しくアミノ酸や脂質などに変わります。この新しくできたアミノ酸などを使って、細胞は栄養が無い環境下で生き延びるのに必要なタンパク質を作り出し、危機を乗り越えようとします。

　下図はオートファジーの模式図です。オートファジーが誘導されると隔離膜と呼ばれる脂質二重膜が細胞質内に現れ、伸長し、タンパク質やオルガネラなどの細胞質成分を包み込みます。完全に包み込んだ状態をオートファゴソームと呼びます。次に、このオートファゴソームがリソソーム (酵母の場合は液胞と呼ばれる) と融合します (正確にはオートファゴソームの外膜とリソソーム膜が融合します)。リソソーム内は酸性で、加水分解酵素で満たされており、これらの酵素により取り込まれた細胞質成分が分解されます。

　このような過程を経て、細胞質成分を分解するのがオートファジーです。オートファジーは、電子顕微鏡観察などにより 1960 年代からその存在は知られていましたが、1990 年代に入るまでほとんど研究されることはありませんでした。1990 年代になって、大隅良典先生らが酵母を用いた実験により、オートファジーに必須な遺伝子群 (ATG 遺伝子) を同定したことを皮切りに研究が大きく前進し、現在ではオートファジーが分子機構レベルで解明されるに至っています。大隅先生は、オートファジーの仕組みの解明により、2016 年にノーベル生理学・医学賞を受賞されました。

　一般的にオートファジーは、細胞質のタンパク質やオルガネラを非選択的に分解する現象です。しかしながら、研究が進むにつれて、オートファジーにはミトコンドリアやペルオキシソーム、小胞体などを他の細胞質成分から選択して分解する機能が備わっていることが明らかとなってきました。分解対象を選択して分解するオートファジーは選択的オートファジーと呼ばれています。選択的オートファジーの中でも、私たちが研究対象としているのが、「オートファジーによる選択的ミトコンドリア分解」、すなわちマイトファジーです。

　マイトファジーもオートファジーの一種ですから、ミトコンドリアを分解する過程の多くは、オートファジーと共通です。下図にオートファジーとマイトファジーの模式図を示しますが、オートファジーとの大きな違いは、「隔離膜が分解対象としてミトコンドリアを選択しているかどうか」ということです。それ以外は、ほとんど同じと言えるかもしれません。実際、私たちが酵母で試したところ、オートファジーに必要な遺伝子 (ATG遺伝子) の全てがマイトファジーにも必要であるが、ミトコンドリアの選択に関わる部分のみがマイトファジー特有の遺伝子であるという結果でした (Kanki and Klionsky, J Biol Chem, 2008)。哺乳類の培養細胞でも、オートファジーに必要な遺伝子のほとんどはマイトファジーにも必要なようです。

　では、なぜオートファジーはミトコンドリアを選択的に分解する必要があるのでしょうか? マイトファジーは、細胞にどんなメリットをもたらすのでしょうか? その正確な答えは未だに分かっていません。しかし、推測はできます。細胞内にはたくさんのミトコンドリアが存在します。これらのミトコンドリアの一部を分解するときに、わざわざ元気なミトコンドリアを分解する必然性はないと思われます。逆に、異常なミトコンドリアや古くなったミトコンドリアがあれば、それらが優先的に分解されることに合理性があります (古くなった表現が適当かどうか判りませんが)。すなわち、マイトファジーは、細胞内の機能が低下してきたミトコンドリアを選択的に分解することにより、細胞内のミトコンドリア恒常性を維持しているだろうという考えです。この考えは、多くのマイトファジー研究者に支持されているようです。しかしながら、本当にマイトファジーが機能が低下したミトコンドリアだけを分解しているかどうか、実験的にはほとんど確かめられていません。このことを証明するのが、私たちの研究室の目的の一つです。

　ミトコンドリアは、細胞が必要とする ATP の大部分を作り出すオルガネラであるため、ミトコンドリアの異常は、様々な病気に結びつきます。上述のように、まだ完全に明らかになっているわけではありませんが、マイトファジーは、異常なミトコンドリアを分解することでミトコンドリア恒常性を維持していると考えられています。もしマイトファジーがうまく機能しなければ、細胞内に異常なミトコンドリアが蓄積し、様々な病気が発症するかもしれません。「老化」は病気ではありませんが、筋力が低下したり、動きが緩慢になったり、糖尿病や心血管疾患にかかりやすくなります。この原因の一部は、老化によるミトコンドリア機能低下です。マイトファジーは、老化による症状発症を抑制している可能性もあります。また、マイトファジーを誘導するような薬を見つけることができれば、老化に伴う症状やミトコンドリア関連疾患の治療・予防できるかもしれません。マイトファジーに関しては、未だに不明なことばかりで、これらはあくまで推測でしかありません。しかしながら、既に判っていることを組み合わせるだけでは、革新的な医療の進歩には結びつかないと思います。私たちの研究室では、マイトファジーを基礎から詳細に理解し、マイトファジーを利用した治療薬の開発にまで発展させようと、日々研究を進めています。

　私たちがマイトファジーの研究を開始した当時は、オートファジーがミトコンドリアを選択的に分解しているかどうかですら明らかではありませんでした。選択的にミトコンドリアを分解するためには、これがミトコンドリアだと識別するための「目印」がミトコンドリア上に必要ですし、細胞質には目印を識別し捕まえる為の因子も必要です。しかしながら、このような因子は全く同定されていませんでした。私たちは、まず酵母でマイトファジーを観察する方法を確立し、最初に目印を識別し捕まえる因子が Atg11 であることを見いだしました (Kanki and Klionsky, J Biol Chem, 2008)。次に、マイトファジー関連因子のスクリーニングを行い (Kanki et al., Mol Biol Cell, 2009)、最終的にミトコンドリア上の目印に相当する Atg32 を同定することに成功しました (Kanki et al., Dev Cell, 2009)。下図に示すように、ミトコンドリア上の目印である Atg32 が、細胞質の Atg11 に識別され捕まえられる (結合する) ことによって、選択的なミトコンドリア分解が開始することが明らかとなったのです。

　さらに、Atg32 の 114 番目のセリン残基のリン酸化が Atg32 と Atg11 の結合に必須であること (Aoki et al., Mol Biol Cell, 2011)、カゼインキナーゼ 2 が Atg32 をリン酸化すること (Kanki et al., EMBO Rep, 2013)、マイトファジーの制御には Hog1 MAP キナーゼシグナル経路が重要であること (Aoki et al., Mol Biol Cell, 2011)、TOR 経路の下流で Ume6-Sin3-Rpd3 複合体が Atg32 遺伝子発現を抑制していること (Aihara et al., J Cell Sci, 2014) など (全て上図参照)、酵母におけるマイトファジーの分子機構の多くの解明に成功しています。

　「ミトコンドリアオートファジーと健康」の項目でも触れましたが、哺乳類ではマイトファジーは選択的に異常なミトコンドリアを分解することでミトコンドリア恒常性維持に貢献していると考えられています。しかしながら、酵母ではマイトファジー遺伝子である ATG32 を破壊することでマイトファジーを不能にした株でも、ほとんどミトコンドリアに異常は認められませんでした。酵母は、ワインなどアルコールを作るのに利用されている生物です。糖類が十分存在する環境では解糖系のみで ATP を産生し、ピルビン酸はエタノールに変換されます。哺乳類ならピルビン酸はアセチル CoA に変換されミトコンドリアでエネルギー源として利用されるのですが、酵母ではこの反応がほとんどおきていません。すなわち、ミトコンドリアはほとんど使われず、細胞内のミトコンドリアの量も非常に少なくなります。逆に、糖類が枯渇してくると、エタノールはピルビン酸に変換され、ミトコンドリアを使って ATP を産生するようになります。この時は、ミトコンドリア量も増加します。このように、酵母では、環境の栄養状態 (炭素源の状態) によってミトコンドリアの量を変化させているのですが、ミトコンドリア量を減らすときにマイトファジーが大きく貢献しているようです。実際、マイトファジーが不能な ATG32 遺伝子破壊株では、ミトコンドリア量が減らないために、ストレス環境下ではミトコンドリアから出る活性酸素をうまく処理できずに、ミトコンドリア自体が酸化傷害を受けることが判りました (Kurihara et al., J Biol Chem, 2012)。このように、酵母では、マイトファジーはミトコンドリア量の調整に大きく貢献しているようです。

　酵母では Atg32 を中心としたミトコンドリア選択的分解機構を明らかにしてきたのですが、哺乳類では、未だにどのようにしてオートファジーがミトコンドリアを分解しているのか明らかになっていません。残念なことに、Atg32 のホモログは、哺乳類には存在しないようです。さらに、哺乳類ではマイトファジーを観察するのが困難なことが研究をさらに難しくしています。

　私たちは、哺乳類におけるマイトファジー研究を進めていくために、高感度なマイトファジー観察法を確立しました。これは蛍光タンパク質 Keima を用いる方法で、理化学研究所の片山先生・宮脇先生らが開発された方法です (Katayama et al., Chem Biol, 2011)。この方法を用いてマイトファジーを観察したところ (下図左)、まずは、哺乳類細胞でも酵母と同様に p38 と Erk2 の MAP キナーゼシグナル経路が関わっていることが判明しました (下図右、Hirota et al., Autophagy, 2015)。p38 は、酵母の Hog1 に相当する MAP キナーゼですから、哺乳類には Atg32 ホモログが存在しないとしても、哺乳類と酵母の間でマイトファジーの誘導シグナルは共有されていそうです。我々は、培養細胞系を用いてマイトファジーの研究を進めていますし、新たにマウスモデルも導入して、マイトファジーの生理的意義や疾患との関わりにまで踏み込んで研究を進めているところです。