胎生期の悪環境が成人後に生活習慣病を発症させる記憶のメカニズムを解明

妊娠時低栄養の子が成長後に塩分感受性高血圧を発症するエピゲノム機序

2018-11-02 東京大学

1. 発表者:
藤田　敏郎
(東京大学名誉教授/ 東京大学先端科学技術研究センター　臨床エピジェネティクス寄付研究部門　フェロー)
2.発表のポイント:

妊娠中の栄養不足が子の成人後の高血圧を引き起こす原因として、胎児への過剰なストレスホルモンの暴露とそれによる脳内の遺伝子発現調節機構の破綻が関与することを明らかにしました。
ストレスホルモンの妊娠中の一過性の上昇の影響が子の成人後まで残存する理由として、脳内の遺伝子調節機構の異常が関与することが初めて明らかになりました。
本研究成果は食塩感受性高血圧の新たな治療選択の可能性を示すとともに、妊娠中の飢餓や過剰なダイエットによる栄養不足、さらには精神的なものも含めたストレスといった妊娠中の悪環境が、子の生活習慣病の原因となりうることを示し、周産期の環境整備の観点からもさらに研究をすすめる必要があると考えられます。

3.発表概要:
東京大学先端科学技術研究センター臨床エピジェネティクス寄付研究部門の藤田敏郎フェローと森典子特任研究員、西本光宏特任助教らの研究グループは、妊娠時の低栄養を含む妊婦へのストレスが、子の成長後に食塩摂取による高血圧を生じる原因になることをエピゲノム解析により明らかにしました。妊娠母体の低栄養暴露などの悪環境によって子の出生体重が小さくなると成長後にさまざまな生活習慣病を合併しやすくなるということはこれまで知られていましたが、詳細な機序は不明でした。一方、日本を含め世界的に広く低出生体重が認められており、今後ますます大きな問題になっていくことが予想されています。本研究により妊娠中に加わる栄養不足をはじめとする種々のストレスが胎児の脳に記録され、成長後の食塩感受性高血圧の発症原因となっていることが突き止められました。低出生体重の原因は世界的に未だ解決されていない飢餓、痩身志向によるダイエットの過剰、高齢出産、妊娠中の喫煙などの他、物理的、精神的に大きなストレスも含まれると考えられます。本研究成果は周産期におけるこれらの要因についてさらに予防、環境整備の重要性を示唆したものであり、また、新しい食塩感受性高血圧発症機序が明らかになったことで、新たな治療選択の可能性につながることが期待されます。
本成果は2018年11月2日に米国医学会雑誌「JCI-Insight」に掲載されました。

4.発表内容:
生活習慣病の発症には遺伝因子だけでなく、環境要因が深く関与することが知られています。生涯ほぼ不変な遺伝因子に対して経時的に変化する環境因子は、一度変化すると変化を保持しやすいエピジェネティックな変化(注1)を起こすことで疾患関連遺伝子の異常な発現を起こし、不可逆な発症につながると考えられます。高血圧においては食塩の過剰摂取、運動不足による肥満や精神的ストレスなどの生活習慣の歪みが環境因子として作用すると考えられています。食塩摂取による血圧上昇の程度(食塩感受性)には個人差を認め(Fujita T et al. Am J Med 1980)、肥満や加齢によって食塩感受性が亢進することが報告されています。本研究グループは既に、肥満による食塩感受性高血圧発症機序としてホルモン(アルドステロン)と交感神経系の異常による腎ナトリウム排泄機能障害(注2)の2経路を明らかにしてきました(Shibata S et al. Nat Med 2008, Mu S et al. Nat Med 2011)。さらに今回、脳内でのエピジェネティク変化が関与する食塩感受性高血圧の発症機序を解明しました(図1)。
本研究グループは、妊娠母体の低栄養暴露などのストレスによって出生体重が小さくなると、成長後に高血圧をはじめとするさまざまな生活習慣病を合併しやすくなるということに着目しました。最初に注目されたのは第二次世界大戦中の飢餓中の出生に関連する成人後生活習慣病の増加でしたが、現代においても栄養摂取の不足している人口は世界的に膨大と考えられます。さらに食糧事情のよい日本を含む先進国でも、若年女性に広がる痩身志向により妊娠年齢の女性の過度なやせが珍しくないことから、妊娠時の低栄養を原因とする生活習慣病の発症はますます大きな問題になると考えられます。さらに出生体重の減少は精神的なものも含むさまざまな妊婦の悪環境においても増加することが知られています。しかし、それらの要因による出生体重の低下が子の生活習慣病をもたらす詳細な機序は不明でした。
正常妊婦では妊娠後期にストレスホルモンである糖質コルチコイドのコルチゾール(注3)の血中レベルが高くなりますが、胎盤でそれが代謝分解されるために、胎児には移行せず保護されています(防御機構)。一方、低栄養の妊婦では、この防御機構の破綻によりコルチゾールが胎児に移行するため、胎児が高濃度のコルチゾールに暴露されます。過去の知見から高濃度コルチゾールへの暴露が発症の原因であることは推測されていましたが、出生後の血中コルチゾール値が正常化するにも関わらず、何故成長後に高血圧や糖尿病を発症するのかが明らかでありませんでした。これに関して、胎児期の高濃度コルチゾール暴露により生じた高血圧遺伝子の活性化が、エピジェネティク機構(ヒストン修飾やDNAメチル化:注4)により、記憶として残り、成長後に高血圧を発症させるのではないかと推測されていました(DOHaD仮説)。エピジェネティク機構の中でもDNAメチル化は持続的な遺伝子発現の変化をきたすことから、妊娠時低栄養の子の高血圧発症過程におけるDNAメチル化異常の関与について検討しました。初めに、低蛋白食(LP)を妊娠時に与えたラットと胎盤透過性の合成糖質コルチコイド(デキサメサゾン(DEX):注5)を妊娠時に投与したラットを作成したところ、いずれのラットでもその子の出生時体重は低下する一方、成長後には過体重(肥満)となり、食塩負荷によって血圧が上昇する食塩感受性高血圧を発症しました(図2)。そこで、このモデルラットにおける高血圧発症機序を検討するために、血圧調節を司る視床下部の室傍核(PVN:注6)に着目し、その部位の網羅的遺伝子解析を行った結果、912個の遺伝子の発現増加を見出しました。その中で、脳内レニン・アンジオテンシン系(注7)は交感神経を活性化させ高血圧を生じることから、血圧調節に関連するアンジオテンシンI型受容体(AT1a)遺伝子(注8)に焦点を当て、実験を進めました。エピゲノム解析の結果、妊娠時LP及びDEX投与ラットの子のPVNでは、メチル化酵素DNMT3aの発現低下とAT1a遺伝子座(注9)への結合低下により、DNAメチル化が減少し(図3)、その結果AT1a遺伝子発現の増加を認めました。培養PVN神経細胞を用いた実験においてもDEX添加により、 DNMT3a の発現低下とDNA脱メチル化によるAT1a発現増加を認め、さらにDNMT3aのノックダウンにより、DEX添加と同程度にAT1a発現が増加することを確認しました。最後に、生体内におけるDNMT3aの役割を検討するために、PVN特異的DNMT3a欠損マウス(注10)を作成したところ、本マウスでは肥満と共に、LPやDEX投与を行うことなくAT1a発現増加が認められ、食塩負荷により血圧が上昇し、食塩感受性高血圧を呈しました。これに対して、AT1a欠損マウスでは妊娠時DEX投与にも関わらず食塩負荷による血圧上昇反応は消失しました。以上の結果により、妊娠時低栄養による食塩感受性高血圧発症機序として、脳内糖質コルチコイド過剰によるDNAメチル化異常がAT1a遺伝子発現を増加させ、それが記憶として残り、成長後に食塩感受性高血圧を生じることが明らかになりました。
本研究成果は、初めてDOHaD仮説をエピゲノム解析により実験的に証明しただけでなく、肥満と高血圧の関連性の観点からも意義ある結果を示しました。さらに、生活習慣の歪みによる食塩感受性高血圧の発症過程にエピゲノム異常が関与していることから、エピジェネテック修飾薬(注11)が新たな高血圧治療薬となる可能性があります。また、日本では、「小さく産んで大きく育てる」ことが良いとする考えが根強く残るとともに、妊娠年齢女性のやせの増加(図4)が進んでいますが、本研究の結果はその風潮に警鐘を鳴らすものであります。一方、ストレスホルモンの増加は低栄養以外のストレスによっても引き起こされ、周産期医療の高度化と相まって出生体重の低下と低出生体重児の増加が見られる(図5)現在、妊婦の物理的、精神的ストレスが生活習慣病の増加につながっている可能性も示唆されました。妊婦の置かれた環境の整備や、妊娠中栄養摂取の見直しといった課題は生活習慣病予防の観点からも重要であり、さらに研究をすすめる必要があると考えられます。
本研究は、以下の事業・研究課題による支援を受けて行われました。

日本医療研究開発機構(AMED) 革新的先端研究開発支援事業AMED-CREST研究開発領域「エピゲノム研究に基づく診断・治療へ向けた新技術の創出」課題名「生活習慣病による進行性腎障害に関わるエピジェネティック異常の解明と診断・治療への応用」
日本医療研究開発機構(AMED)循環器疾患・糖尿病等生活習慣病対策実用化研究事業「糖尿病腎症の発症・重症化予測とそれに基づく予防に関する研究」課題名「エピゲノム情報を用いた糖尿病性腎症に対する新規診断・治療法の開発」(課題番号:JP18ek0210093)
日本学術振興会　科学研究費助成事業　基盤研究(S)「生活習慣病の高血圧/臓器障害における糖質・鉱質コルチコイドの役割と新規治療探索」(課題番号:15H05788)
日本学術振興会　科学研究費助成事業　基盤研究(A)「生活習慣病の高血圧/臓器障害における糖質・鉱質コルチコイドの役割と新規治療探索」(課題番号:15H02538)
日本学術振興会　科学研究費助成事業　基盤研究(S)「生活習慣病の病態におけるアルドステロン/鉱質コルチコイド受容体活性化機構の解明」(課題番号:21229012)
日本学術振興会　科学研究費助成事業　若手研究(B)「慢性酸化ストレスによる中枢ミネラルコルチコイド受容体の非ゲノム作用への影響」(課題番号:24790834)

5.発表雑誌:
雑誌名:「JCI-Insight」(オンライン版:2018年11月2日付)
論文タイトル:
Aberrant DNA methylation of hypothalamic angiotensin receptor in prenatal programmed hypertension
著者:
Fumiko Kawakami-Mori, Mitsuhiro Nishimoto, Latapati Reheman, Wakako Kawarazaki, Nobuhiro Ayuzawa, Kohei Ueda, Daigoro Hirohama, Daisuke Kohno, Shigeyoshi Oba, Tatsuo Shimosawa, Takeshi Marumo, Toshiro Fujita*
DOI番号:10.1172/jci.insight.95625
アブストラクトURL:https://doi.org/10.1172/jci.insight.95625

6.問い合わせ先:
東京大学先端科学技術研究センター　臨床エピジェネティクス寄付研究部門
フェロー　藤田　敏郎(ふじた　としろう)

7.用語解説:　
(注1)エピジェネティックな変化
遺伝子そのものではなく、遺伝子の発現を調節する機構の変化。たとえば一人の人間の細胞は基本的にすべて同じ遺伝子をもっているが、個々の細胞でそれぞれの遺伝子発現はことなる。これはそれぞれ異なる発現調節機構をもっているためである。
(注2)腎ナトリウム排泄機能障害
血圧の調節に重要な体液の量は体内のナトリウム量(食塩量)に依存している。この量は腎臓での尿へ捨てる量で主に調節されており(腎ナトリウム排泄)、正常に機能している限り、多量の塩分を飲食しても体内のナトリウムが増えることはないようになっている。この機能の障害は体内のナトリウム量の増加と体液量の増加、血圧の上昇につながる。
(注3)コルチゾール
ヒトにおいて糖質コルチコイドと呼ばれるホルモンの機能の大部分を司る。活動のためのエネルギーの代謝、脂肪や筋肉の量、免疫機能、骨代謝、認知や精神状態の調節を含む非常に多岐にわたる機能を持ち、ヒトの活動に不可欠なホルモンである。病気や怪我などの物理的ストレスあるいは精神的ストレスが加わると通常の数倍量が迅速に分泌されることが知られている。
(注4)ヒストン修飾やDNAメチル化
いずれも遺伝子の発現を調節する機構の一つ。遺伝子の発現では遺伝子が情報としてコードされているDNAからmRNAへ情報の読み取り(転写)が起きる。このためには転写を行う一群のタンパク(転写装置)がDNAへ近づき結合する必要がある。ヒストン修飾やDNAメチル化は物理的、電気的にDNAの状態を変えることで転写装置のDNAへの近づきやすさ、結合しやすさを調節する。
(注5)デキサメサゾン(DEX)
人工的に合成されたコルチゾール同様の機能をもつ糖質コルチコイド。コルチゾールと異なり、胎盤や腎臓で分解されない。強力な炎症抑制作用、免疫抑制作用を持つためさまざまな炎症疾患の治療に広く使用されている。
(注6)室傍核(PVN)
自律神経の最上位の制御中枢であり、体温、摂食、睡眠、心血管機能などの総合的な生命維持活動調節の根幹である視床下部を構成する神経細胞集団(神経核)の一つ。血圧制御の重要な中枢の一つ。
(注7)脳内レニン・アンジオテンシン系
強力な血管収縮物質で血圧制御を行うホルモンであるアンジオテンシンIIとそれを制御する一連の内分泌ホルモンをまとめてレニン・アンジオテンシン系と呼ぶ。過剰な活性化は全身性には高血圧を引き起こすが、各臓器局所でも活性化がおき、炎症を背景として動脈硬化や腎障害、心肥大などの臓器障害の原因となる。
(注8)アンジオテンシンI型受容体(AT1a)遺伝子
アンジオテンシンの受容体の一つ。アンジオテンシンIIが結合すると血管収縮をはじめとする種々の作用を起こす。
(注9)遺伝子座
特定の遺伝子が染色体上で占める部位のことでその遺伝子の転写の状態を規定するプロモーターなどの転写調節領域を含む部分。
(注10)PVN特異的DNMT3a欠損マウス
遺伝子操作によって室傍核の神経細胞でのみDNAメチル化酵素DNMT3aを発現できなくしたマウス。
(注11)エピジェネテック修飾薬
エピジェネティックな変化を促す薬物。DNAメチル化の阻害薬やヒストンアセチル化阻害薬が、がん治療などですでに実用化されている。