NAD+はPARP-1の抑制とmTORC1-p300経路の活性化を防ぐことで、パルミチン酸誘発のリポトキシシティから肝細胞を保護

研究背景

代謝機能障害関連脂肪肝疾患（MAFLD）は、単純性脂肪変性から脂肪性肝炎、線維化/肝硬変、さらには肝細胞癌に至る広範な肝疾患スペクトルを含みます。メタボリックシンドロームの肝臓表現として認識されているMAFLDは、肥満やインスリン抵抗性と密接に関連しており、特に循環中の遊離脂肪酸（FFAs）レベルの上昇が特徴です。飽和脂肪酸（SFAs）であるパルミチン酸（palmitate）は、肝細胞において細胞毒性を持ち、細胞死を誘導します。このため、パルミチン酸はin vitroでの肝リポトキシシティ研究モデルとしてよく使用されています。しかし、パルミチン酸によるリポトキシシティのメカニズムについてはまだ完全には解明されていません。

近年、細胞内NAD+（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）レベルが細胞代謝やストレス応答において重要な役割を果たしていることが明らかになってきました。PARP-1（ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ1）はDNA損傷修復酵素であり、その活性はNAD+に依存しています。さらに、mTORC1（ラパマイシン複合体1）は細胞成長と代謝の中心的な制御因子としてリポトキシシティにおいても重要な役割を果たしています。しかし、パルミチン酸がどのようにPARP-1およびmTORC1経路を調節して肝細胞死を誘導するのかについては、さらなる研究が必要です。

研究の出典

本研究はRui Guo、Yanhui Li、Qing Song、Rong Huang、Xiaodong Ge、Natalia Nieto、Yuwei Jiang、Zhenyuan Songらによって共同で行われ、それぞれアメリカのイリノイ大学シカゴ校、パデュー大学などの機関に所属しています。この研究は2025年1月28日に『American Journal of Physiology-Cell Physiology』誌に掲載され、DOIは10.1152/ajpcell.00946.2024です。

研究の流れと結果

1. パルミチン酸暴露は肝細胞におけるPARP-1の発現と活性を抑制

研究ではまず、AML12およびHepG2の2種類の肝細胞株を0.4 mMのパルミチン酸に16時間暴露し、PARP-1の発現と活性を検査しました。その結果、パルミチン酸はPARP-1のmRNAおよびタンパク質発現レベルを有意に低下させ（図1A、B、D）、その酵素活性も抑制し、多聚ADPリボース化（PARylation）タンパク質の減少を引き起こしました（図1C、E）。これらの結果は、パルミチン酸がPARP-1の発現と活性を抑制することで肝細胞リポトキシシティに関与している可能性があることを示しています。

2. PARP-1の抑制はパルミチン酸誘発の肝細胞死を悪化させる

PARP-1がパルミチン酸誘発のリポトキシシティにおける役割をさらに確認するために、研究ではPARP-1特異的阻害剤PJ34およびTalazoparibで予備処理した後、AML12細胞にパルミチン酸を暴露しました。その結果、PARP-1の阻害はパルミチン酸誘発の細胞死を著しく悪化させ（図2A）、PARylationタンパク質のレベルをさらに減少させました（図2B）。一方、PARG（ポリ（ADP-リボース）グリコヒドロラーゼ）阻害剤PDD00017273を使用した予備処理は、パルミチン酸誘発の細胞死を軽減し（図2C）、PARylationタンパク質レベルを回復させました（図2D）。これらの結果は、PARP-1の阻害がパルミチン酸誘発の肝細胞死において重要な役割を果たしていることを示しています。

3. 細胞内NAD+枯渇とPARP-1の抑制との関連

研究ではさらに、NAD+がPARP-1の抑制において果たす役割について探求しました。NAD+前駆体（NRやNMN）またはNNMT（ニコチンアミドN-メチルトランスフェラーゼ）阻害剤（II399やJBSNF）で肝細胞を予備処理することにより、細胞内NAD+レベルを増加させ、PARP-1の発現と活性を回復させることに成功しました（図4A-C）。これらの処置はまた、パルミチン酸誘発の肝細胞死を大幅に軽減しました（図4D-F）。これにより、NAD+レベルの回復がPARP-1を活性化し、肝細胞をパルミチン酸のリポトキシシティから保護できることが示されました。

4. PARP-1の抑制はmTORC1-p300経路の活性化を通じてリポトキシシティを媒介

研究では、パルミチン酸暴露がmTORC1経路を活性化することがわかり、これはその下流標的p-S6タンパク質量の増加として現れました（図5A）。PARP-1阻害剤PJ34は、パルミチン酸誘発のmTORC1活性化をさらに悪化させ（図5B）、一方でPARG阻害剤PDD00017273はこれを抑制しました（図5C）。さらに、NAD+前駆体NRとNNMT阻害剤も、パルミチン酸誘発のmTORC1活性化を大幅に軽減しました（図5B、F）。これらの結果は、PARP-1の抑制がパルミチン酸誘発のmTORC1活性化において重要な役割を果たしていることを示しています。

さらに研究では、mTORC1がp300（一種のヒストンアセチルトランスフェラーゼ）を活性化することでリポトキシシティを媒介することがわかりました。パルミチン酸暴露はp300の活性を著しく増加させ、アセチル化H3-K27タンパク質量の増加として現れました（図6A）。mTORC1阻害剤ラパマイシン（Rapamycin）はこのプロセスを抑制でき（図6A）、p300阻害剤C646または遺伝子ノックダウンは、パルミチン酸誘発の肝細胞死を大幅に軽減しました（図6E、F）。これらの結果は、mTORC1-p300経路がパルミチン酸誘発のリポトキシシティにおいて重要な役割を果たしていることを示しています。

5. TLR4-NF-κB経路はパルミチン酸誘発のPARP-1抑制を媒介

研究ではさらに、パルミチン酸がどのようにPARP-1の発現を低下させるかについて探求しました。TLR4（Toll様受容体4）拮抗薬CLI-095およびNF-κB阻害剤Bay11-7082で肝細胞を予備処理したところ、TLR4-NF-κB経路の活性化がパルミチン酸誘発のPARP-1抑制において重要な役割を果たしていることがわかりました（図7B、D）。これらの結果は、パルミチン酸がTLR4-NF-κB経路を活性化し、PARP-1の発現を低下させることで肝細胞死を誘導することを示しています。

研究結論と意義

本研究は、PARP-1がパルミチン酸誘発の肝細胞リポトキシシティにおける重要な役割を持つことを初めて明らかにしました。研究によると、パルミチン酸はTLR4-NF-κB経路を活性化し、PARP-1の発現と活性を低下させ、その後mTORC1-p300経路を活性化し、最終的に肝細胞死を引き起こします。細胞内NAD+レベルを向上させることで、PARP-1の活性を回復させ、肝細胞をリポトキシシティから保護できます。これらの発見は、MAFLDの病態生理に関する理解を深め、リポトキシシティに対する治療戦略の開発に潜在的な標的を提供します。

研究のハイライト

1. PARP-1の役割の初めての解明：研究では、PARP-1の阻害がパルミチン酸誘発の肝細胞死の主要なメカニズムであることがわかりました。
2. NAD+の保護作用：細胞内NAD+レベルを向上させることで、PARP-1の活性を回復させ、リポトキシシティを軽減できます。
3. mTORC1-p300経路の制御作用：研究では、mTORC1がp300を活性化することでリポトキシシティを媒介する新しいメカニズムが明らかになりました。
4. TLR4-NF-κB経路の関与：研究では、パルミチン酸がTLR4-NF-κB経路を活性化し、PARP-1の発現を低下させていることがわかりました。

研究の価値

本研究は、MAFLDの病態生理に関する理解を深めるだけでなく、リポトキシシティに対する治療戦略の開発に新たな方向性を提供します。細胞内NAD+レベルを向上させたり、mTORC1-p300経路を阻害することで、MAFLDの治療法として有効になる可能性があります。さらに、研究ではTLR4-NF-κB経路がリポトキシシティにおいて重要な役割を果たしていることを明らかにし、今後の研究に新たな方向性を示しました。