酪酸はヒートショックファクター1およびAMP活性化プロテインキナーゼ経路を介し、ヒト腸管Caco-2細胞でヒートショックプロテイン70を増加させる。

オンラインで利用可能 23 1月 2023, 109525
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速報
酪酸はヒートショックファクター1およびAMP活性化プロテインキナーゼ経路を介し、ヒト腸管Caco-2細胞でヒートショックプロテイン70を増加させる。
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https://doi.org/10.1016/j.abb.2023.109525
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要旨
腸管上皮の機能低下は、腸管および腸管外疾患の原因である。熱ショックタンパク質70（HSP70）は、細胞保護タンパク質であり、腸の恒常性維持に重要な役割を果たす。HSP70の腸管内発現は、局所微生物叢と関連している。本研究では、ヒト腸管Caco-2細胞において、腸内細菌叢の主要代謝物であるn-butyrateによるHSP70の発現上昇の分子機構を検討した。Caco-2細胞をn-butyrateで処理すると、用量依存的にHSP70タンパク質とmRNAのレベルが上昇した。ルシフェラーゼレポーターアッセイを用いて、n-butyrateがHSP70の転写活性を増強することを明らかにした。これらの効果は、転写因子である熱ショック因子1（HSF1）とAMP-activated protein kinase（AMPK）の阻害に感受性があった。N-酪酸はHSF1およびAMPKのリン酸化（活性）を増加させた。以上のことから、n-酪酸はマイクロバイオータ依存的なHSP70の腸内発現に一部関与しており、その効果はHSF1およびAMPK経路を介して発揮されることが明らかとなった。

グラフの要旨
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はじめに
腸管上皮は、栄養の消化・吸収の主要な場であるだけでなく、体内環境と管腔内環境とを隔てている[1]。ヒトの場合、結腸は、潜在的に病原性や炎症性のある数種類の常在菌を大量に保有している。腸管上皮の完全性が損なわれると、リポ多糖を含む細菌やその成分が粘膜に浸透し、腸管組織に制御不能な炎症反応が誘発されます[2]。したがって、腸管上皮の健全性をきめ細かく制御することは、腸の健康と恒常性を維持するために極めて重要である。

腸管上皮の健全性は、上皮を覆う緻密な粘液層の形成、細胞間接合構造の構築、上皮細胞における細胞保護タンパク質の発現など、様々な細胞機構によって制御されている[3]。熱ショックタンパク質（HSP）は、強力な細胞保護機能を持つ分子シャペロンとして高度に保存されているファミリーである[4]。分子シャペロンは、生理的および病理学的な条件下で、細胞内タンパク質のフォールディング、リフォールディング、分解に関与しています[5]。HSPは、炎症性ストレスや酸化性ストレスなどの様々なストレスによって引き起こされる損傷やミスフォールドしたタンパク質の修復を助ける。細胞内にミスフォールドタンパク質が蓄積すると、正常な細胞機能が損なわれ、細胞死に至る可能性があることを示す証拠が増えつつあります[6]。HSPのアイソフォームのうち、HSP70はHspa1aとHspa1bという2つの転写産物にコードされており、高い相同性を持ち、腸のホメオスタシス維持に重要な役割を果たすことが知られています[4,6]。以前の研究では、腸管HSP70の発現がマウス大腸炎モデルにおける疾患症状を軽減することが示されました[7]。

我々は以前、無菌マウスにおける大腸上皮のHSP70発現は、特定の病原体を持たないマウスの約50％であることを報告し、その発現は腸内細菌叢の存在に大きく依存していることを示している[8]。微生物叢依存的なHSP70発現の制御についてはまだ研究中であるが、微生物叢が産生する主要な短鎖脂肪酸（SCFA）であるプロピオン酸とn-酪酸が少なくとも部分的に関与している [8]．プロピオン酸は熱ショック因子1（HSF1）、細胞外シグナル制御キナーゼ（ERK）、哺乳類ラパマイシン標的（mTOR）経路を介して腸のHSP70発現を増加させることが知られているが [8] 、n-酪酸によるHSP70発現の基礎メカニズムはほとんど不明である。そこで、我々は、ヒト腸管Caco-2細胞における酪酸によるHSP70発現の分子機構を検討した。本研究で得られた知見は、宿主-微生物共生の成立の理解に貢献するものである。

セクション スニペット
化学物質
細胞培養試薬はナカライテスク（日本、京都）から購入した。Rabbit anti-HSP70 and anti-phospho HSF1 (Ser326) はEnzo Life Sciences (Farmingdale, NY, USA)から購入した。ウサギ抗ホスホAMPK、西洋わさびペルオキシダーゼ標識抗ウサギおよび抗マウスIgG抗体は、それぞれCell Signaling Technology（Danvers、MA、USA）およびSeraCare（Milford、MA、USA）より購入した。マウス抗β-アクチン抗体はMerck (Darmstadt,Germany)から購入した。その他すべての試薬

N-酪酸は転写制御により腸管内HSP70の発現を増加させる
腸管HSP70タンパク質の発現に対するSCFAの影響を調べるために、Caco-2細胞を異なる濃度の個々のSCFA（酢酸、プロピオン酸、およびn-酪酸）と24時間インキュベートした（Fig. 1A）。プロピオン酸およびn-酪酸は、酢酸ではなく、5 mMを超える濃度でHSP70の発現を増加させた。タンパク質レベルと同様に、HSP70をコードするHspa1a/b mRNAはプロピオン酸およびn-酪酸によって用量依存的に発現が上昇した（Fig. 1B）。HSP70をコードするHspa1a/b mRNAは、プロピオン酸およびn-酪酸によって用量依存的に発現上昇した（Fig.

考察
本研究は、腸内微生物の主要代謝物であるn-酪酸が、腸管上皮細胞において転写調節を介して細胞保護タンパク質であるHSP70の発現を増加させることを証明するものであった。最近の基礎・臨床両分野の研究により、腸内細菌叢がヒトの健康や疾病に密接に関与していることが明らかにされています[14,15]。腸管上皮は、様々な細胞メカニズムを通じて、腸内細菌に対する抵抗性と耐性を維持しており、また、腸内細菌叢は腸内細菌に対抗するための重要な役割を果たしている。

結論
HSP70は、強力な細胞保護作用を発揮することが知られている。我々の研究は、n-酪酸が腸管Caco-2細胞においてHSF1およびAMPK経路を通じてHSP70の発現をアップレギュレートすることを実証している。このメカニズムは、ヒト大腸細胞に腸内細菌に対する抵抗性と耐性を与え、共生に寄与している可能性がある。

資金提供
本研究の一部は、日本学術振興会科研費（助成番号22H03512）の助成を受けた。

著者
プレシャス・アデダヨ・アデシナ、佐伯逸紀。概念化、調査、形式分析。山本良成: 形式解析. 鈴木拓也：構想、調査、形式分析、執筆-原案、執筆-校閲・編集、監修。

データの記載
すべてのオリジナルデータは、要望に応じて提供する。

競合利益に関する宣言
利益相反がないことを宣言する。

謝辞
英文校正はエディテージ(www.editage.jp)にお願いしました。

参考文献 (21)
N. Singh et al.
ナイアシンおよび腸内常在菌代謝物酪酸の受容体Gpr109aの活性化は、大腸の炎症および発がんを抑制する
Immunity
(2014)
Z. Tang et al.
MEKはプロテオームの安定性をガードし、HSF1を介して腫瘍抑制性アミロイド形成を抑制する
細胞
(2015)
M. Guo et al.
クルクミンは腸管上皮細胞において異なるシグナル伝達経路を介し熱ショックタンパク質70の発現を増加させる
Arch. Biochem. Biophys.
(2021)
M. 大高ら.
腸管粘膜保護における熱ショックタンパク質（分子シャペロン）の役割
Biochem. Biophys. Res. Commun.
(2006)
M.P. メイヤー
Hsp70シャペロン動態と分子機構
Trends Biochem. Sci.
(2013)
W. Choi et al.
腸管上皮バリアーの健康と疾患への貢献
Exp. Cell Res.
(2017)
T. 鈴木
タイトジャンクションによる腸管上皮の透過性制御
Cell. Mol. Life Sci.
(2013)
M.M. France et al.
粘膜バリアー早わかり
J. Cell Sci.
(2017)
F. Kriegenburg et al.
ミスフォールドしたタンパク質をユビキチン依存性分解に向ける際の分子シャペロン
FEBS J.
(2012)
Y. Wang et al.
細胞内熱ショックタンパク質70の消化管ホメオスタシス維持における異なる役割
Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol.
(2018)
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