www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6150034/
要旨
我々は最近、酪酸に対する細胞応答が大腸上皮の分化状態に依存していることを明らかにした。ここでは、これらの知見の意味合いをがん生物学に適用し、がんの進行に対する酪酸の効果の矛盾について議論する。
キーワード
酪酸、大腸細胞、分化、Foxo3,HDAC
腸内細菌叢は宿主の生理機能や癌の進行などの病態生理学的プロセスに影響を与える。微生物代謝物のような低分子がしばしばメディエーターとして作用する宿主-微生物叢の相互作用によって駆動される機能的なメカニズムが、ますます多くの研究で明らかになってきている。短鎖脂肪酸である酪酸は、マウスおよびヒトの大腸内腔に豊富に存在する代謝物（ミリモル濃度で存在）である。これは、結腸上皮表面に存在し、宿主の食事由来の炭水化物を発酵させるFirmicutesを含む微生物のサブセットの産物である（図1）。酪酸は、大腸上皮のエネルギー恒常性維持の役割に加え、免疫調節機能2 を持つことが複数の研究で明らかになっている3 。
図1 走査型電子顕微鏡によるマウス盲腸の先端面
棒状の細菌が結腸細胞の先端面に関連している。これらの細菌の大きさと形態は、酪酸を産生することで知られるLachnospiracea-Ruminococcaceae細菌と一致している。このことは、酪酸を産生する微生物と、酪酸を代謝できる大腸細胞が密接に関連していることを示している。スケールバー= 50μm。
大腸がん細胞では、酪酸は増殖、分化、アポトーシスを含む幅広いプロセスを調節することが提案されている。多くの研究者の全体的な結論は、酪酸ががん細胞の増殖を抑制し、正常な大腸上皮の増殖を促進するというものであり、“酪酸パラドックス “と呼ばれる状況である。さらに、がんの発生および進行に対する酪酸塩の効果については、報告されている見解に相違がある。例えば、別個の研究では、酪酸はがん細胞の増殖を抑制または促進したと報告されている4,5 。酪酸に対する特異的な腫瘍反応は、特異的な変異、組織源、および腫瘍の微小環境に依存している可能性がある。しかしながら、酪酸に対する腫瘍の不均一な反応の原因となる重要な因子は不明のままである。
私たちは、初代上皮細胞培養において、酪酸が大腸幹細胞と結腸細胞に異なる効果を示すことを確認した1。その結果、幹細胞のヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）を阻害し、クロマチンリモデリングと遺伝子発現の広範な変化をもたらした。興味深いことに、幹細胞とは対照的に、大腸細胞は酪酸によるヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）の阻害に抵抗性であり、遺伝子発現に大きな変化は見られなかった。大腸細胞はまた、幹細胞と比較して、より高用量の酪酸の毒性にも耐性を持っていた。以上のことから、我々のデータは、細胞の分化状態が初代大腸上皮細胞における酪酸に対する細胞応答の重要な決定因子であることを示している。
幹細胞と結腸上皮細胞の酪酸に対する反応を区別する可能性のある特徴の一つは、その代謝プロファイルである。遺伝子発現と代謝解析の結果、大腸細胞は脂肪酸酸化やトリカルボン酸（TCA）サイクルを含む脂質代謝に関与する遺伝子がコードするmRNAに富むことが明らかになった。一方、幹細胞（癌細胞のような）は、より解糖に依存している。代謝プロファイリングとラジオラベリングにより、幹細胞ではなく大腸細胞が容易に酪酸を酸化して代謝できることが示された。
悪性変態時の好気性解糖への代謝スイッチは広範囲に特徴づけられており、“ワールブルグ効果 “として知られている。これまでの研究では、この代謝転換を受けたがん細胞は酪酸を効率的に酸化することができず、細胞内に酪酸が蓄積され、HDACや細胞増殖を阻害することが示唆されている6。ワールブルグ効果を抑制するための遺伝子操作を行ったところ、酪酸のヒストンアセチル化への影響が抑制され、細胞増殖が回復したことから、細胞の代謝と酪酸への反応との間に機序的な関連性が示唆された6。この用量依存性は、腸管ポリープ症の生体内試験モデルでも報告されている7 。このモデルでは、高用量ではなく低用量の酪酸がApcmin/+Msh2-/-マウスの腸管腫瘍サイズを増加させた。これらの研究は、酪酸の細胞内蓄積を制限する酪酸代謝の細胞閾値を示唆している。これらのデータは、がん細胞における酪酸代謝の障害についての以前の報告を説明する可能性を提供し、酪酸パラドックスは、がん細胞の代謝プロファイルにリンクしたがん細胞の分化状態によって説明できることを示唆している。興味深いことに、我々のHDAC発現の予備的な検査では、幹細胞と比較して、大腸細胞のいくつかのHDAC酵素の有意なダウンレギュレーションが明らかになった（未発表）。このことは、大腸細胞が酪酸を代謝する能力に加えて、HDACターゲットが減少した結果、酪酸の効果に対して耐性を持つ可能性があることを示唆している。大腸細胞が酪酸の効果に抵抗するための内在的なメカニズムを示すかどうか、または幹細胞および大腸細胞における酪酸の代謝を調節することが酪酸に対する反応を変化させるのに十分であるかどうかについては、まだ検討されていない。
腸管幹細胞の増殖に対する酪酸の影響は、フォークヘッドボックスO3（Foxo3）が細胞周期停止遺伝子のプロモーターへの結合を増加させることによって媒介される。クロマチン免疫沈降シークエンス（ChIP-seq）とマイクロアレイのデータを統合すると、酪酸処理後の幹細胞ではヒストンのアセチル化とFoxo3結合部位を含む遺伝子の発現が増加し、Foxo3を阻害すると酪酸の効果が試験管内試験と生体内試験で逆転することが明らかになった。Foxoファミリーの転写因子は、造血幹細胞、神経幹細胞、胚性幹細胞における増殖、アポトーシス、多能性の維持など、様々な基本的な生物学的プロセスを制御している8 。Foxo3は、発がん時にしばしば制御障害を受けるホスホイノシチド3-キナーゼ（PI3k）-Aktおよび細胞外シグナル制御キナーゼ（Erk）経路によって制御されており、腫瘍抑制因子として関与している9 。 Foxo3 の活性化を含む薬剤は、従来の治療法に抵抗性のある患者の白血病細胞にアポトーシスを誘導することから、Foxo3 が治療標的となる可能性が示唆されている。興味深いことに、Foxo3は造血幹細胞においてミトコンドリアの代謝を調節している10 。
我々の研究は、分化状態が酪酸に対する細胞応答を決定することを示唆しており、酪酸パラドックスを説明する可能性のあるメカニズムを提供している。癌細胞は初代大腸細胞と比較して、未熟なブラシ境界などの分化の悪い表現型を示している。これまでの研究では、がん細胞の多かれ少なかれ分化した表現型に関連した変異が報告されており、がん細胞は分化の範囲内にあることが示唆されている。我々のデータは、癌細胞で観察された酪酸の効果で観察された不一致は、潜在的には酪酸を酸化して忍容する代謝能力を介して、研究に使用された癌細胞の分化状態によって説明される可能性があることを示唆している。