【ミトコンドリア】酸化ストレスとミトコンドリア【二つのストレス】

この辺はミトコンドリア、ラジカル、そしてストレスに絡んでくる話
但しこちらのストレスは｢酸化ストレス｣、論旨的に区別をつけたほうがいいかもしれませんね。
2011年12月25日
ラクトフェリンと、ミトコンドリアとストレスとラジカルと動脈硬化がつながっている件
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■放射性物質は魔法の物質ではなくて
酸化ストレス過剰を誤認させる物質＝ラジカルセンサー


1．心不全の発生メカニズムに関する基礎研究の進歩
不全心における酸化ストレスの
分子基盤の 解明と治療への応用 筒井裕之
北海道大学大学院医学研究科循環病態内科学教授

心筋障害や心筋梗塞から心不全に進展する過程において，交感神経系，レニン-アンジオテンシン系，サイトカインなどの神経体液性因子の活性化と，それによってもたらされる心筋のリモデリングが，非常に重要であることが知られている1）。神経体液性因子の活性化を抑制するβ遮断薬，ACE阻害薬，AII受容体拮抗薬は，大規模臨床試験でその有効性が示され，実際，心不全患者の治療に使われてきた。しかしFramingham Heart Studyによれば，心不全患者の予後は確かに1980年代よりも1990年代のほうが改善しているが，改善率はわずか数％である2）。心不全における新たな分子機序の解明と治療の開発がまさにいま求められている。

ミトコンドリアでの活性酸素の産生亢進と心不全
　心不全における分子機序のなかで，われわれは「酸化ストレス」に注目した。酸化ストレスとは，活性酸素の生成能が抗酸化能よりも勝り，活性酸素が過剰に存在している状態である。
　まず心不全の徴候を呈しているモデルを作製し3），電子スピン共鳴法を用いて心筋の活性酸素を直接測定し，マウスの心筋における酸化ストレスを調べた。すると，不全心のミトコンドリアにスーパーオキサイドアニオン（O2－）の産生亢進が認められた4）。　
そこでわれわれは，活性酸素の生成部位の近傍に存在し，ヒストン構造を欠くために酸化傷害を受けやすく修復能の低いミトコンドリアDNA（mtDNA）に着目した。不全心ではmtDNAコピー数が正常心に比し減少し5），mtDNAでコードされている複合体I，III，IVの活性も低下している。また不全心では，電子伝達系の機能低下によりATPの産生が減少するばかりでなく電子のリークにより活性酸素が生成される。さらにmtDNAが傷害されるとmtDNAでコードされている複合体I，III，IVが減少するため，さらに電子伝達系の機能が低下すると考えられる（図1）5）。
　電子伝達系の機能低下はさらなる活性酸素の生成をもたらすため，ミトコンドリアを舞台として，mtDNAと活性酸素とで悪循環が形成される。活性酸素は本来非常に反応時間が短いため，ただちに消去される可能性があるが，悪循環が一度形成されると，ミトコンドリア内で活性酸素の産生が亢進した状態が持続される。そして，ミトコンドリアから細胞質に出た活性酸素が細胞質の蛋白や脂質をターゲットとして心不全が形成されると考えられる。
酸化ストレス制御による新たな心不全治療の開発
　心不全においては，ミトコンドリアでの酸化ストレスが非常に重要な位置を占めていることがわかった。これを治療に役立てるとすると，ミトコンドリア酸化ストレスの制御を標的分子とした治療が考えられる。われわれが着目する標的分子は，ミトコンドリア抗酸化酵素のGSHPx（glutathione peroxidase）6）とmtDNAの複製・維持に密接に関係している転写因子のひとつであるミトコンドリア転写因子（TFAM）7）である。GSHPxやTFAM遺伝子発現マウスでは心筋リモデリングおよび心不全が抑制された（図2，図3）。したがってミトコンドリア酸化ストレス制御は新たな心不全治療戦略になりうると考えられる。

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心血管病におけるミトコンドリア転写因子の役割の解明と新規治療の開発
Analysis of the role of mitochondrial transcription factor in cardiovascular diseases and the development of novel therapeutic strategies

ミトコンドリア転写因子A(mitochondrial transcription factor A;TFAM)は、ミトコンドリアDNAの複製および転写調節を介してミトコンドリア機能制御を担う転写因子のひとつである。TFAMはさらに上流に存在するPPAR-gamma coactivator-1(PGC-1)やNuclear responsive factor(NRF-1/2)などの転写因子の制御を受けている。このような因子は、ミトコンドリアにおけるエネルギー産生、酸化ストレス、アポトーシスを制御し、共通の分子機構として、心血管病(動脈硬化や心不全)の発症・進展に密接に関与する。

不全心筋においては、ミトコンドリアDNAのコピー数の減少に伴いTFAMタンパク量が減少した。TFAMによるミトコンドリアDNA保護作用を検討するため、ヒトTFAM遺伝子を過剰発現したマウスを作成した。このマウスに心筋梗塞を作成したところ、梗塞サイズには影響せずに生存率が著明に改善した。TFAM遺伝子を過剰発現したマウスでは、心室リモデリングおよび心機能が改善した。これらは心筋細胞の肥大、アポトーシス、間質の線維化および酸化ストレスの減少を伴っていた。TFAM過剰発現マウスでは、梗塞後不全心筋でみとめられるミトコンドリアDNAのコピー数の減少およびミトコンドリア複合体活性の低下が抑制され、正常レベルに保たれた。以上より、TFAMは酸化ストレスによる損傷からミトコンドリアDNAを保護する働きを有しており、TFAMの誘導や活性化は新たな心不全治療となる可能性があることがあきらかとなった。

本研究によって心血管病の分子基盤としてのミトコンドリア転写因子およびミトコンドリアDNA損傷の役割が明らかとなり、心血管病の病態に関する理解が一層深まった。

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生体における酸素の功罪 研究集会報告 1 「ミトコンドリアゲノムの維持:ミトコンドリア転写因子Aと活性酸素」

ミトコンドリアは原始ミトコンドリア細胞が原始真核細胞に寄生,共生の後,オルガネラ化したと想像されている。ミトコンドリア電子伝達系において好気的ATP合成のために消費される酸素は,一般的な好気的細胞における酸素消費の90%を占め,その1〜5%は活性酸素に転換されると考えられている。このような強い酸化ストレス元である電子伝達系の細胞内への取り込みは,その後の真核生物の進化にも決定的な影響を与えたと思われる。一方,このような強い酸化ストレスにいまださらされているミトコンドリアゲノムの障害は,がん化や加齢に伴う各種の病態に関与していると予想されており,ミトコンドリアゲノム維持は細胞の正常な機能の維持に極めて重要である。
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付録：　ミトコンドリアＤＮＡ
ミトコンドリアは（ミトコンドリアは、食べ物から取り出された水素を、呼吸によって取り入れられた酸素と反応させて、その時に発生するエネルギーを使ってＡＴＰ(アデノシン三リン酸)という物質を合成します。ＡＴＰは、神経細胞が興奮したり、筋肉が収縮したり、肝臓が物質を合成したりする時に消費されます。電気を貯められないのと同じように、大量のＡＴＰを細胞内に貯めておくことはできません。そこで、ＡＴＰの必要量に応じて、ミトコンドリアは水素や酸素をすみやかに反応させたり、あるいはゆっくり反応させたりして、呼吸の速度を調節しています。運動をすると呼吸や心拍が激しくなり、休むと次第におさまります。これはミトコンドリアの活動を反映しているのです。）、エネルギー産生を司る重要な細胞小器官で、例外を除き、酵母からヒトに至るすべての真核生物（真核生物とは核膜に覆われた細胞から成る生物です。細菌類やらん藻類以外の生物です。つまり原核生物以外です。核が膜に包いて、ＤＮＡが核内中に存在しています。ほとんど私たちが認識している生物はこの真核生物に属します。）の細胞内に存在する。脊椎動物の細胞内には数千～数百のミトコンドリア（細胞質内に分布している細胞小器官。ATPを合成している。）が存在すると見られている。主にエネルギー需要によってその数が制御されていると考えられている。ミトコンドリアの特徴は、核遺伝子とは独立した独自の遺伝子を持っている。ミトコンドリアＤＮＡはミトコンドリア当たり数コピーずつ存在する。そのため、ミトコンドリアＤＮＡにコードされる遺伝子は、細胞一個あたり数千コピー存在することになり、通常の2コピーの核遺伝子に比べ、圧倒的に数が多く、最近明らかになったミトコンドリア病の発生機構は、従来の核遺伝子の異常による遺伝病の発生のメカニズムは、従来の核遺伝子の異常の遺伝病の発生メカニズムと異なっている。

ミトコンドリアＤＮＡ構造は１６５６９塩基対の環状ＤＮＡで、2種のリボゾームＲＮＡ，22種のtＲＮＡおよび１３種のmＲＮＡをコードしていて、mＲＮＡの間にtＲＮＡが仕切るように配置されている。１３種のｍRNAは電子伝達系酵素複合体およびＡＴＰ合成酵素複合体のサブユニットをコードしており、これら酵素複合体は、核由来のサブユニットとミトコンドリア内で合成されたサブユニットが、ミトコンドリア膜内で分子集合されて初めて活性を持つようになる。脊椎動物のミトコンドリアＤＮＡはイントロンを持たず、コンパクトに遺伝子が詰め込まれている。ミトコンドリヤアＤＮＡの一方は重鎖（Ｈ鎖）、もう一方は軽鎖（Ｌ鎖）といわれる。遺伝子をコードしない非コード領域は、置換グループ（Ｄグループ）と呼ばれ約１Kbpの転写および複製調節領域とｔＲＮＡクラスター内に存在する軽鎖複合製開始点のみである。ｍＲＮＡ中には、ポリＡテールが付加されて初めて、停止コドンの読まれ方することが知られている。ＵＧＡコドン通常終始コドンであるが、ミトコンドリアではトリプトハンと認識される。同様に、ＡＵＡは通常イソロイシンであるが、メチオニン、ＡＧＡ（Ｇ）は通常アルギニンであるが、終始コドンとなっている。リボゾームも細胞質のものと異なり、細菌型である。真核生物では、クロラムフェニコールはミトコンドリアの蛋白質合成系のみを阻害する。ミトコンドリアＤＮＡはヒストンのような蛋白質で保護されておらず、またミトコンドリア内で発生する活性酸素により生じる８－ヒドロキシデオキシグアノシンなどにより、核ＤＮＡに比べ10倍も異変を受けやすい。ミトコンドリアの多型が生じ、個体差および人種差別の基礎となる。

ミトコンドリアの複製
脊椎動物のミトコンドリアＤＮＡの複製は著しく特徴的である。まず、複製は軽鎖を鋳型に重鎖の合成から始まる。重鎖合成のためのプライマーＲＮＡは、Ｄ－ループ内の軽鎖プロモーターにより合成されたＲＮＡがＧＣに富む保存配列ブロック領域で、リボムクレアーゼＭＲＰ（mitochondorial RNA processing）、あるいはエンドヌクレアーゼＧ（Endo G）により切断されて作られる。形成されたＲＮＡ鎖をプライマーとして、ミトコンドリアに特異的なＤＮＡポリメラーゼγが重鎖ＤＮＡを合成していく。重鎖合成が約三分の二まで完了すると、ｔＲＮＡクラスター内に存在する軽鎖複製開始点が一本鎖状態で露出され、特異な二次構造が形成される。これをプライマーゼが認識し、軽鎖合成のためのプライマーが合成され、軽鎖ＤＮＡ合成が進行する。ミトコンドリアのＤＮＡポリメラーゼγは合成速度が著しく遅く、一方のＤＮＡ鎖を合成するのに約60分もかかる。軽鎖複製開始点を通過するのにかなりの時間を親重鎖は一本鎖の状態で存在する。ミトコンドリアＤＮＡの欠失は、二つの複製開始点の間に集中しており、複製中に共通配列を通じて一本鎖の一部をスキップすることにより生じると考えられている。１０ｂｐの繰り返し配列を通じ欠失が起こりことが実験で示されている。この特徴的な複製機構により、ミトコンドリアＤＮＡ欠失を伴うミトコンドリア病が生じると考えられている。

ミトコンドリアＤＮＡの転写
脊椎動物のミトコンドリアＤＮＡの転写は、Ｄ－グループに存在するお互いの逆向きのプロモーターから行われ、一続きの一次転写物が産生される。ミトコンドリアｒＲＮＡの転写量は通常、ミトコンドリアｍＲＮＡ転写量の１５～５０倍高く保たれている。これはｔＲＮＡ遺伝子上の塩基配列に特異的に結合する転写終結因子により調節されている。重鎖プロモーターから転写物の多くは、転写終結因子の結合した領域で転写が停止し、ｒＲＮＡのみが合成される。残りの一部の転写物だけが完全長であり重鎖上コードされるｍＲＮＡやｔＲＮＡを産生する。この転写終結因子は３４ｋＤａの蛋白質で、この因子の結合部位はＭＥＬＡＳ（mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes）の点変異部位（３２４３Ａ－Ｇ）を含んでおり、この変異を持つＤＮＡへの結合能の低下も示されている。ミトコンドリアのＲＮＡポリメラーゼの構造が明らかになっているのは酵母だけである。

ヒト、マウスミトコンドリアＲＮＡポリメラーゼは、転写開始点付近の配列では正確な転写は行えず、さらに上流の配列が必要である。この上流の特異的に結合し、無細胞転写系で転写を活性化する因子としてミトコンドリア転写因子（ミトコンドリアＴＡＦ）が精製・クローン化された。ミトコンドリア遺伝子の協調発現の可能性を指摘されているＮＲＦ（nuclear respiratory factor）1の結合配列があり、ヒトミトコンドリアＴＦ１遺伝子発現調節を通じて、ミトコンドリアＤＮＡの転写調節が行われる可能性が指摘されている。

ミトコンドリアＤＮＡは核に遺伝子と異なり卵細胞から伝わり、母性遺伝（また細胞質遺伝）する。卵、精子に含まれるミトコンドリアの数が著しく異なり、子どものミトコンドリアＤＮＡのほとんどすべてが卵由来するからである。そのため、母性遺伝する疾患は、ミトコンドリアＤＮＡに異常を持つミトコンドリア病核遺伝子の変異によって起こるミトコンドリア病もまれにありますが、大部分のミトコンドリア病（細胞の中でエネルギーを作り出す働きをしているミトコンドリアの機能が低下することによって、主に心臓、骨格筋、脳などに異常を生じる疾患です。疲れやすく長い距離を歩けない、意識を失って手足が麻痺するなど、さまざまな症状を現すことがあります。）はミトコンドリア遺伝子の変異が原因です。

＊核遺伝子の変異が原因の場合には、多くの場合、常染色体劣性遺伝です。母親と父親から1個ずつ異常な遺伝子が伝わり、２個の異常な遺伝子をもった子が病気になります。従って、兄弟が同じ病気にかかる確率は1/4、保因者（1個の異常な遺伝子を持っているが発病しない）となる確率は1/2、正常な遺伝子を2個持つ確率は1/4です。ミトコンドリア遺伝子の変異が原因の場合には、遺伝する場合と遺伝しない場合があります。 ミトコンドリア遺伝子の挿入や欠失などの再配置を原因とするミトコンドリア病は、ほとんどの場合、弧発例（兄弟・姉妹は正常）で、遺伝しません。まれに、ミトコンドリア遺伝子の多重欠失が家族性に起こり、常染色体優性遺伝を示す場合があります。この場合は、父親または母親のどちらかから異常な核遺伝子が1個伝えられると、ミトコンドリア遺伝子の欠失が複数生じて、病気になります。この場合、兄弟・姉妹が病気にかかる確率は1/2です。　ミトコンドリア遺伝子の点突然変異を原因とするミトコンドリア病は、母性遺伝することがあります。

ミトコンドリア病の原因となるミトコンドリアDNAの変異は、大きく分けて、ミトコンドリアDNAの中の遺伝子の連なり方が異常になった再配置と、ミトコンドリアDNAの1個所の正常な塩基が異常な塩基によって置き換わった塩基置換あるいは点突然変異に分類することができます。

再配置はさらに挿入と欠失に分けられます。挿入とは、一揃いの遺伝子（ミトコンドリアゲノム）の中に、別のミトコンドリア遺伝子の断片（多くの場合には数千塩基対の長さ）が割り込んでしまった状態を言います。正常の遺伝子が分断されてしまうために、遺伝子の機能が失われ、細胞が呼吸によってエネルギーを得ることができなくなってしまいます。

欠失とは、ミトコンドリアゲノムの一部分が欠けてしまった状態をいいます。多くの場合には、数千塩基対の長さのDNAが失われていますので、複数の蛋白質を作りだすための遺伝子や、トランスファーRNA遺伝子がなくなっていますので、ミトコンドリアの中で、これらの呼吸機能を果たす酵素が作られなくなり、細胞がエネルギー不足に陥ります。

点突然変異はどの遺伝子に生じるかによって、その結果が少しずつ異なります。蛋白質を規定する遺伝子に点突然変異が生じた場合には、その蛋白質の機能、例えばATPを合成する働きが失われて、細胞がエネルギー不足になります。ｔRNA遺伝子に点突然変異が生じた場合には、ミトコンドリアの中での蛋白質の合成が低下し、呼吸鎖を構成する酵素の機能が悪くなって、細胞がエネルギー不足に陥ります。22種のトｔRNA遺伝子のうち、どの遺伝子に変異が起きたかによって、どの臓器・組織に異常が生じるか、どんな症状を表すかがほぼ決まっています。

酵母＜田中　雅嗣氏（名古屋大学生化学教室）引用＞
ミトコンドリアを発電所にたとえると、水素と酸素を反応させるエンジンが｢電子伝達系｣で、電子伝達系によって駆動される発電機が｢ＡＴＰ合成酵素｣です。エンジンと発電機の設計図は、ミトコンドリアの中のＤＮＡと、核の中のＤＮＡに分かれて保存されています。エンジンと発電機の主要な部品の設計図は、ミトコンドリアＤＮＡの中に書かれており、ミトコンドリア自身の蛋白合成装置によって作られます。その他の部品の設計図は、核のＤＮＡに書かれており、そこから読み出され、細胞質の蛋白合成装置によって作られ、ミトコンドリアの中に運ばれてきます。二つの系統の遺伝子産物が組み合わされ、エンジンと発電機ができあがります。

スペースシャトルは水素と酸素を爆発的に反応させています。これに対し、ミトコンドリアは３７度という穏和な条件で水素と酸素を反応させています。上手に反応させているとはいっても、どうしてもミトコンドリアの電子伝達系から電子が漏れます。電子が酸素に直接わたされてしまうと活性酸素が発生します。通常でもミトコンドリアは細胞内における活性酸素の主要な発生源になっています。この活性酸素がミトコンドリアの蛋白質や脂質を攻撃します。
もっと恐ろしいのは、活性酸素がミトコンドリアの設計図であるＤＮＡを攻撃することです。設計図にキズができると、正しい部品を作ることができなくなり、電子伝達系からさらに活性酸素が漏れやすくなります。車がポンコツになると、エンジンから排気ガスがモウモウとでるようなものです。

加齢とともにミトコンドリア遺伝子に変異が蓄積し、ミトコンドリアからの活性酸素の漏出が増大し、それが細胞機能に悪影響を与えるという「老化におけるミトコンドリア遺伝子変異蓄積説」は、多くの観察から支持されています。
ミトコンドリアゲノム(ミトコンドリア遺伝子の一揃い)は母親から子供へと伝えられます(母性遺伝)。精子が鞭毛を使って泳ぐ時のエネルギーはミトコンドリアによって供給されます。受精の時に、精子のミトコンドリアも卵子の中に入りますが、精子のミトコンドリアは排除され、卵子のミトコンドリアだけが子供の細胞で働きます。
ミトコンドリアゲノムは16569塩基対からなる環状二重鎖ＤＮＡです。ミトコンドリアゲノムの中には３７種類の遺伝子があります。蛋白の遺伝子が１３個、その蛋白遺伝子の情報を翻訳するために必要な２種類のリボソームＲＮＡと２２種類のトランスファーＲＮＡの遺伝子があります。

ミトコンドリアの遺伝子は核の遺伝子よりも約１０倍も進化速度が速いことが知られています。核のＤＮＡについてヒトとチンパンジーを比べると、稀にしか相違点が見つかりませんが、ミトコンドリアＤＮＡを調べると、ヒトとチンパンジーの間で多くの相違点が見つかります。
電子伝達系を構成する蛋白質の７６％は核の遺伝子によって規定されており、その２４％がミトコンドリアの遺伝情報に基づいて作られます。ミトコンドリア遺伝子の進化速度が核遺伝子の１０倍速いとすると、電子伝達系というエンジンについて、ある人ともう一人の人との間の違いを計算すると、核の設計図の従って作られた部品の相違点が約７カ所であるのに対し、ミトコンドリアの設計図に従って作られた部品の相違点は２４カ所になります。すなわち、エンジンの性能に対して、ミトコンドリア遺伝子の多型は核遺伝子の多型よりも約３倍も大きな影響を与えていると推定できます。田中　雅嗣（名古屋大学生化学教室）

1. 心不全におけるミトコンドリアDNA (mtDNA)障害と活性酸素産生
我々は、心不全において、心筋において活性酸素そのものが増加していること、mtDNAの障害からミトコンドリア電子伝達系の機能低下による活性酸素産生、さらなるmtDNAの障害という悪循環メカニズムを明らかにした。現在は、これらのmtDNA障害を抑制することで、心不全を始めとする種々の慢性疾患の新たな治療法の開発につながる研究を展開している。
1.心不全におけるミトコンドリアDNA (mtDNA)障害と活性酸素産生
2.心不全におけるミトコンドリア転写因子Ａ（Tfam）の役割に関する研究
3.迷走神経刺激による活性酸素制御メカニズムの解明
(九州大学)


そしてなかなか面白い論文を発見。
関連する臭いがとてもあります。(心臓に関してですが)
ミトコンドリアの機能障害を起こす遺伝子の話です。