1. 脂質合成経路の概略

生体内ではエネルギー貯蔵のための脂質として，主に中性脂肪（トリグリセリド）が用いられ，中性脂肪は体内の貯蔵エネルギーの大半を占める．食事から過剰に摂取された糖質は，体内での合成（de novo lipogenesis）によってエネルギー貯蔵物質である中性脂肪に変えられ，脂肪組織などに蓄えられる．過食に伴い体内の中性脂肪が過剰になる状態は肥満と言われ，糖尿病・高血圧・脂質異常症を併発しやすいことが知られている．これらはまた，動脈硬化の危険因子であり，肥満に伴ってこれらの危険因子が集積する病態がいわゆるメタボリックシンドロームで，医学的にも社会的にも大きな問題となっている．

糖質から中性脂肪への合成・変換は食後に顕著に増加し，逆に空腹時にはOFFとなる．この経路が食事摂取状況に応じてどのように調節されているのかという問いは，基礎医学のみならず，生活習慣病対策の観点からも大いに注目され，機序解明が待たれていた．最近我々は，この調節機構の主体が，KLF15-LXR/RXR-RIP140転写複合体であるという新たな知見を見出し，報告した⁽¹⁾1) Y. Takeuchi, N. Yahagi, Y. Aita, Y. Murayama, Y. Sawada, X. Piao, N. Toya, Y. Oya, A. Shikama, A. Takarada et al.: Cell Rep., 16, 2373 (2016).．

中性脂肪合成の代謝経路の概略は図2図2■中性脂肪合成系の概略の通りである．反応全体には約25種類の酵素が関わっているが，主要な調節段階は，acetyl-CoAを2分子重合させてmalonyl-CoAを作るacetyl-CoA carboxylase（ACC）のところと，続いてmalonyl-CoAを繋げて炭素数16まで伸長反応を行っていくfatty acid synthase（FAS）の段階とされている．これらの律速段階を含め，中性脂肪合成系の反応速度は，関与する酵素タンパクの発現量で主に調節されており，さらにタンパク発現量は主として各遺伝子のmRNA発現量レベルで調節されていることが明らかになっている．

図2■中性脂肪合成系の概略

肝臓や脂肪組織の中性脂肪合成系遺伝子群は絶食時に発現が抑制され，摂食時には逆に遺伝子発現が激的に増加する．以前，我々はこの肝臓の中性脂肪合成系遺伝子群の絶食・摂食応答は転写因子SREBP-1（sterol regulatory element-binding protein-1）の働きを介するものであることをSREBP-1ノックアウトマウスの解析から報告した⁽²⁾2) H. Shimano, N. Yahagi, M. Amemiya-Kudo, A. H. Hasty, J. Osuga, Y. Tamura, F. Shionoiri, Y. Iizuka, K. Ohashi, K. Harada et al.: J. Biol. Chem., 274, 35832 (1999).．SREBP-1ノックアウトマウスの肝臓においては，FASやACCなどの中性脂肪合成系酵素遺伝子の食事性の誘導が著明に減弱する．また，これらの中性脂肪合成系遺伝子群は，摂食応答で増加する遺伝子群の中でも増加率の上位を占めており，最も強く食事の影響を受けて発現変動する遺伝子群である⁽³⁾3) N. Yahagi & H. Shimano: in Understanding Lipid Metabolism with Microarrays and Other Omic Approaches (Berger A & Roberts MA eds.), CRC Press, 2005, pp237–248.．

2. 脂質合成酵素の転写調節におけるSREBP-1の役割

転写因子SREBP-1は，basic-helix-loop-helix-leucine zipper（bHLH-Zip）ファミリーに属する転写因子であり⁽⁴⁾4) C. Yokoyama, X. Wang, M. R. Briggs, A. Admon, J. Wu, X. Hua, J. L. Goldstein & M. S. Brown: Cell, 75, 187 (1993).，同じファミリーに属するSREBP-2がコレステロール合成系の諸酵素遺伝子の転写を司るのに対し，SREBP-1は主に脂肪酸・中性脂肪合成系の諸酵素遺伝子の転写を促進する働きを持つ．

絶食・摂食応答に際し，SREBP-1はその標的となる中性脂肪合成系遺伝子群の発現制御を行うが，それに先立って，SREBP-1自身の発現が絶食で著明に低下し，逆に，摂食で顕著に誘導される⁽⁵⁾5) J. D. Horton, Y. Bashmakov, I. Shimomura & H. Shimano: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 5987 (1998).．

3. SREBP-1の発現制御機構：KLF15-LXR/RXR-RIP140複合体の発見

では，そのSREBP-1の発現制御機構はどのようになっているのか？　この課題に対し，我々がニュートリゲノミクス研究手法を駆使して解明した結果を以下に紹介する．

SREBP-1遺伝子の発現制御機構については，まず，LXR（liver X receptor）αおよびβのダブルノックアウトマウスの肝臓においてSREBP-1発現が著名に低下していたことから，LXRがSREBP-1cプロモーターに結合し，転写調節に関与していることが2000年に報告された⁽⁶⁾6) J. J. Repa, G. Liang, J. Ou, Y. Bashmakov, J. M. Lobaccaro, I. Shimomura, B. Shan, M. S. Brown, J. L. Goldstein & D. J. Mangelsdorf: Genes Dev., 14, 2819 (2000).．

LXRは酸化ステロールをリガンドとする核内受容体型転写因子であり，RXR（retinoid X receptor）とヘテロダイマーを形成してLXREに結合し，ステロールの代謝調節などを司る．

ここで，SREBP-1の絶食・摂食応答が，酸化ステロールなどのLXRリガンドとなる食事由来の代謝物量の変化によってもたらされるのでは？　という仮説が浮上する．実はこの仮説は，LXRの，SREBP-1以外の標的遺伝子が絶食・摂食で発現変動を示さないことなどからも否定されるが，我々はさらに詳細なSREBP-1プロモーターに対するin vivoでのレポーター遺伝子解析（in vivo Ad-luc解析）（図3図3■SREBP-1遺伝子プロモーターのin vivo Ad-luc解析）を行った結果，SREBP-1の絶食・摂食応答にはLXREだけでは不十分であり，その近傍の別のcis-elementが必須の働きをしていることをつきとめた⁽¹⁾1) Y. Takeuchi, N. Yahagi, Y. Aita, Y. Murayama, Y. Sawada, X. Piao, N. Toya, Y. Oya, A. Shikama, A. Takarada et al.: Cell Rep., 16, 2373 (2016).．さらに，このcis-elementに結合して作用する転写因子を，我々が独自に構築した網羅的転写因子発現ライブラリー（Transcription Factor Expression Library : TFEL）⁽⁷⁾7) N. Yahagi & Y. Takeuchi: F1000 Res., 10, 51 (2021).から探索したところ，KLF15（Kruppel-like factor 15）が同定された．

図3■SREBP-1遺伝子プロモーターのin vivo Ad-luc解析

分子同士の相互作用を詳細に検討した結果，KLF15が絶食時に誘導されると，KLF15とLXR/RXRはSREBP-1遺伝子プロモーター上で複合体を形成すること，この複合体は転写抑制因子RIP140を呼びこむことでSREBP-1遺伝子の転写をOFFにすることが判明した．また，食後には逆に，KLF15の発現が低下し，この複合体から消失することで，転写抑制因子RIP140が転写促進因子SRC1と入れ替わり，SREBP-1遺伝子の転写がONになるという新たなメカニズムが明らかになった（図4図4■KLF15-LXR/RXR-RIP140複合体によるSREBP-1の発現制御）⁽¹⁾1) Y. Takeuchi, N. Yahagi, Y. Aita, Y. Murayama, Y. Sawada, X. Piao, N. Toya, Y. Oya, A. Shikama, A. Takarada et al.: Cell Rep., 16, 2373 (2016).．

図4■KLF15-LXR/RXR-RIP140複合体によるSREBP-1の発現制御

KLF15はそれまでに絶食時に発現誘導され，アミノ酸からの糖新生系の調節に関与することなどが報告されていたが^(8～10)8) K. Teshigawara, W. Ogawa, T. Mori, Y. Matsuki, E. Watanabe, R. Hiramatsu, H. Inoue, K. Miyake, H. Sakaue & M. Kasuga: Biochem. Biophys. Res. Commun., 327, 920 (2005).9) S. Gray, B. Wang, Y. Orihuela, E. G. Hong, S. Fisch, S. Haldar, G. W. Cline, J. K. Kim, O. D. Peroni, B. B. Kahn et al.: Cell Metab., 5, 305 (2007).10) D. Jeyaraj, F. A. Scheer, J. A. Ripperger, S. M. Haldar, Y. Lu, D. A. Prosdocimo, S. J. Eapen, B. L. Eapen, Y. Cui, G. H. Mahabeleshwar et al.: Cell Metab., 15, 311 (2012).，上記の発見により，糖・脂質・アミノ酸代謝制御の交差点の中心に位置することが見出されることとなった．

1. アミノ酸代謝経路の概略

図5図5■アミノ酸代謝経路の概略にタンパク質・アミノ酸から糖質・Acetyl-CoAへの代謝経路の概要を示す．タンパク質を構成する20種類のアミノ酸からはグルコースまたはケトン体がエネルギー基質として産生される．ちなみに一部の植物などではAcetyl-CoAからグリオキシル酸回路によってコハク酸が合成され，そこから糖新生が可能となるが，ヒトを含めて動物細胞にはそのような代謝経路は存在せず，Acetyl-CoAからはケトン体が産生される．

図5■アミノ酸代謝経路の概略

https://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid#/media/File:Amino_acid_catabolism_revised.png

これらの代謝経路（アミノ酸分解経路）に関与する代謝酵素は約70種類に及び，代謝経路の全容は明らかになっているものの，それらの遺伝子発現調節機構についてはまだ未知のことが多い．

2. アミノ酸代謝酵素の転写調節におけるKLF15の役割

アミノ酸代謝酵素の転写調節を司る転写因子としては，KLF15と核内受容体型転写因子Glucocorticoid receptor（GR）がよく知られている．ここではKLF15の役割について取り上げる．

前述のように，KLF15については，アミノ酸代謝酵素のうち，Alaの代謝を司るAlt（Gpt）（alanine transaminase）遺伝子，Proの代謝に関わるProdh（proline oxidase）遺伝子，Leu/Ile/Val（分岐鎖アミノ酸）の代謝に関与するBcat2（branched-chain amino acid aminotransferase 2）遺伝子，Tyrの代謝に関わるHpd（4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase）遺伝子，Trpの代謝に携わるTdo2（tryptophan 2,3-dioxygenase）遺伝子についてはKLF15の関与がこれまでにJain MKらのグループにより明らかにされていたが^{(9, 10)}9) S. Gray, B. Wang, Y. Orihuela, E. G. Hong, S. Fisch, S. Haldar, G. W. Cline, J. K. Kim, O. D. Peroni, B. B. Kahn et al.: Cell Metab., 5, 305 (2007).10) D. Jeyaraj, F. A. Scheer, J. A. Ripperger, S. M. Haldar, Y. Lu, D. A. Prosdocimo, S. J. Eapen, B. L. Eapen, Y. Cui, G. H. Mahabeleshwar et al.: Cell Metab., 15, 311 (2012).，最近我々は，これら7種類のアミノ酸に加えて，Metの代謝に関わるCth（cystathione γ-lyase）遺伝子，Glnの代謝に関わるGls2（glutaminase 2）遺伝子，Lysの代謝を司るAass（alpha-aminoadipic semialdehyde synthase）遺伝子，Pheの代謝に関わるPah（phenylalanine hydroxylase）遺伝子などもKLF15によって転写調節を受けるアミノ酸代謝酵素遺伝子であることを報告した⁽¹¹⁾11) Z. Mehrazad Saber, Y. Takeuchi, Y. Sawada, Y. Aita, M. H. Ho, S. Karkoutly, D. Tao, K. Katabami, C. Ye, Y. Murayama et al.: Biochem. Biophys. Res. Commun., 582, 35 (2021).．すなわち，20種類のアミノ酸のうちの実に11種類（Ala, Pro, Gln, Met, Ile, Val, Leu, Lys, Trp, Phe, Tyr）のアミノ酸の代謝調節にKLF15が直接的に関与していることが明らかとなり，KLF15がアミノ酸代謝調節において中心的な役割を果たしていることが判明した．さらにKLF15非依存的経路の一部には，KLF15ノックアウトマウスで代償的な過剰応答が見られることもわかり，KLF15依存性経路に渋滞する代謝産物が，KLF15非依存的経路のadaptationの鍵となっている可能性が示唆された．

1. インスリンによるKLF15の調節

ここまで，KLF15が糖→脂質代謝とアミノ酸→糖代謝の双方に対し，制御機構の要となっていることを述べてきたが，それではこのような三大栄養素間のエネルギーフロー調節の鍵を握るKLF15遺伝子は一体どのように制御されているのだろうか？　この点については，我々自身，全容解明に向けて邁進中であるが，最近，その一部として，インスリンによるKLF15の調節機構を明らかにすることができたので紹介する⁽¹²⁾12) Y. Takeuchi, N. Yahagi, Y. Aita, Z. Mehrazad Saber, M. H. Ho, Y. Huyan, Y. Murayama, A. Shikama, Y. Masuda, Y. Izumida et al.: iScience, 24, 103446 (2021).．

上で述べたSREBP-1遺伝子の発現調節機構をニュートリゲノミクスの研究手法で解析したのと同様の戦略に従い，KLF15遺伝子上流のプロモーター領域に対してin vivo Ad-luc解析を行ったところ，KLF15遺伝子上流のプロモーター領域の中に，肝臓でインスリンによる調節に重要な機能を持つDNA配列が存在することが判明した．さらに，そのDNA配列に結合する転写因子がFoxO1/3であることを，前述のTFELを用いたスクリーニング法（TFEL scan法）により同定した．

FoxO1/3は，Forkhead転写因子ファミリーのサブグループFoxO（Forkhead Box O）の4つの遺伝子（FoxO1/3/4/6）うち肝臓で機能する2つの遺伝子であり，インスリン欠乏時に肝細胞の核内でタンパク質発現が誘導され，糖新生系の遺伝子の転写に関与することが知られている⁽¹³⁾13) R. A. Haeusler, T. E. McGraw & D. Accili: Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 19, 31 (2018).．今回，分子メカニズムを詳細に検討した結果，FoxOはKLF15遺伝子プロモーター上に結合することがわかり，インスリン欠乏時にONになるFoxO-KLF15経路は脂質合成系（SREBP-1）を抑制すると同時に，タンパク質分解経路を活性化することが判明した．また逆にインスリン存在下では，FoxOの減少を介してKLF15の発現が低下し，タンパク質分解系がOFFになるとともに脂質合成系がONになることがわかった（Graphical abstract参照）．

このように，FoxO-KLF15経路がエネルギー代謝の1つの重要な制御機構であることが明らかになった．この経路は絶食時のKLF15発現誘導にも寄与しているものと考えている．

2. 高タンパク食によるKLF15の誘導

一方，KLF15は高タンパク食負荷時にも発現が誘導されるが⁽¹⁰⁾10) D. Jeyaraj, F. A. Scheer, J. A. Ripperger, S. M. Haldar, Y. Lu, D. A. Prosdocimo, S. J. Eapen, B. L. Eapen, Y. Cui, G. H. Mahabeleshwar et al.: Cell Metab., 15, 311 (2012).，この誘導現象にはインスリンは関与しておらず，別の機序が存在していると我々は考えている⁽¹¹⁾11) Z. Mehrazad Saber, Y. Takeuchi, Y. Sawada, Y. Aita, M. H. Ho, S. Karkoutly, D. Tao, K. Katabami, C. Ye, Y. Murayama et al.: Biochem. Biophys. Res. Commun., 582, 35 (2021).．先に述べたように，高タンパク食負荷時には，KLF15経路とKLF非依存経路とがともに活性化され，結果的に，20種類すべてのアミノ酸について，それらの分解系の遺伝子発現上昇が見られることがわかった⁽¹¹⁾11) Z. Mehrazad Saber, Y. Takeuchi, Y. Sawada, Y. Aita, M. H. Ho, S. Karkoutly, D. Tao, K. Katabami, C. Ye, Y. Murayama et al.: Biochem. Biophys. Res. Commun., 582, 35 (2021).．

高タンパク食・アミノ酸負荷が，どのようなメカニズムでセンシングされ，遺伝子発現変動をもたらすのか⁽¹⁴⁾14) A. Efeyan, W. C. Comb & D. M. Sabatini: Nature, 517, 302 (2015).？　そこにmTORは関与しているのか否か？　関与しているとすれば，比較的最近発見されたロイシンセンサーのSestrin2⁽¹⁵⁾15) R. L. Wolfson, L. Chantranupong, R. A. Saxton, K. Shen, S. M. Scaria, J. R. Cantor & D. M. Sabatini: Science, 351, 43 (2016).やSAR1B⁽¹⁶⁾16) J. Chen, Y. Ou, R. Luo, J. Wang, D. Wang, J. Guan, Y. Li, P. Xia, P. R. Chen & Y. Liu: Nature, 596, 281 (2021).の関与はあるか？　あるいはアルギニンセンサーのCASTOR1/2⁽¹⁷⁾17) L. Chantranupong, S. M. Scaria, R. A. Saxton, M. P. Gygi, K. Shen, G. A. Wyant, T. Wang, J. W. Harper, S. P. Gygi & D. M. Sabatini: Cell, 165, 153 (2016).やSLC38A9⁽¹⁸⁾18) S. Wang, Z. Y. Tsun, R. L. Wolfson, K. Shen, G. A. Wyant, M. E. Plovanich, E. D. Yuan, T. D. Jones, L. Chantranupong, W. Comb et al.: Science, 347, 188 (2015).は関わっているか？　など，解決すべき課題は尽きないが，今後の研究の進展に期待したい．