生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

加齢に伴う細胞・組織の機能低下（老化）は生物種を超えてみられる普遍的な生命現象であり，高齢化が大きな問題である昨今の社会においてその克服は喫緊の課題である．従前，老化はゲノムDNAやオルガネラの経時的な劣化による，受動的かつ避けがたい生命現象であると捉えられてきた．一方，近年の研究では，細胞や組織内の特定の要因の加齢依存的変化が老化現象を制御しうる可能性が提示され，老化の理解と克服の機運が高まっている．本稿では，特に著者らが近年報告したメチオニン代謝変化による組織老化の制御を中心に，老化研究の潮流の一端を述べたい．

老化に関する研究は，細胞から個体までそれぞれの階層で行われてきたが，その主なものは次の二点，すなわち個々の細胞老化（cell senescence）と個体の寿命（life span）である．細胞老化は1960年代に発見され，細胞増殖の恒久的な停止という現象に基づいている．細胞老化については培養細胞を用いた研究の進展により，その原因としてDNA損傷やテロメア短縮，酸化ストレス等が特定されている．このように，細胞レベルでの老化要因が古くから研究されてきた一方で，個々の細胞老化が組織・個体の老化にどのように結びつくかについての研究は比較的後発であり，現在に至るまで精力的に研究がなされている．細胞老化については優れた総説が多数存在するので^1），本稿では扱わない．

もう一つの研究対象である個体寿命については，寿命が短い小型動物を用いて精力的に研究が行われてきた．その代表例が線虫（Caenorhabditis elegans）およびショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）を用いた研究である．これらの動物はそれぞれ1, 2か月を寿命とするため，細胞や個々の組織老化の帰結としての寿命を指標に老化研究の優れたモデルとなってきた．特に1980年代からの線虫を用いた一連の寿命関連突然変異体の単離の試みにより，老化を制御する遺伝子の特定が進み，insulin/insulin-like growth factor-1シグナルやtarget of rapamycin（TOR）シグナルといった細胞・個体の代謝制御を担う遺伝子群が寿命制御に重要な役割を担うことが明らかにされた^2）．そのような寿命関連遺伝子の単離の試みの中で，上述のシグナル経路と独立に寿命制御に関与することが明らかになったのが，以下詳述するS-adenosyl-methionine synthase（Sams）1である^3）．

Sams1はS-アデノシルメチオニン（SAM）を合成するSAM合成酵素をコードする遺伝子の線虫のオルソログである．SAMは細胞内のさまざまなメチル化反応の際の主要なメチル基供与体であり，核酸やタンパク質の機能修飾を介してその制御に関与する重要な生体内化合物である（図1A）^4）．SAMは，SAM合成酵素の働きによりメチオニンとATPより合成され，その後，さまざまなメチル基転移酵素の働きにより代謝される（図1A）．線虫においてSams1をRNA干渉法で機能阻害すると，野生型と比較して有意に寿命が延伸することが確認されている^3）．このことはSAMの含有量の増加は寿命に対して負の影響を持つことを示唆している．

図1 メチオニン代謝経路とショウジョウバエ卵巣組織における卵形成過程の模式図（文献8より一部引用）

（A）メチオニン代謝経路．必須アミノ酸であるメチオニン（Met）はSAM合成酵素の働きによりSAMとなる．SAMはさまざまなメチル基転移酵素の働きで異化されS-アデノシルホモシステイン（SAH）さらにホモシステイン（Hcy）となる．（B）ショウジョウバエ卵巣の形態．ショウジョウバエ雌は腹部に一対の卵巣を持ち，それぞれの卵巣は発生中の卵が数珠つなぎになったユニット（卵巣小管）が16本程度束になって形作られる．（C）ショウジョウバエの初期卵形成過程．卵巣小管の先端には生殖幹細胞（GSC）が2～3個維持されている．GSCの不等分裂により生じる娘細胞の一つはシストブラスト（CB）となり分化に向かう．CBは4回の同調した不完全な細胞分裂により内側でつながった16細胞よりなるシストを形成し，周りの体細胞に包まれることで卵室を形成する．16細胞のうちの一つが将来の卵（卵母細胞）となる．（D）卵巣の加齢に伴うSAM産生の変化．加齢に伴い卵巣が含有するSAM量およびSAM合成酵素の発現量は増加する．生殖系列においてSAM合成酵素の機能阻害を行った場合，卵巣が含有するSAM量は減少することから，加齢に伴うSAM量の増加は生殖系列におけるSAM合成酵素の発現量増加に起因すると考えられる．*: p＜0.1, **: p＜0.05 （Dunnett’s test）.

個体が含有するSAM量と寿命の関係は，線虫と同様に，寿命研究の優れたモデルであるショウジョウバエにおいても確認されている．小幡らは，加齢に伴いショウジョウバエ個体のSAM量が増加することと，SAMを異化する酵素（glycine N-methyltramsferase：Gnmt）を脂肪体（哺乳類の肝臓・脂肪組織に相同）において過剰発現した場合，個体のSAM含有量が減少し，その個体の寿命が延伸されることを示した^5）．すなわち，線虫に加え，ショウジョウバエにおいても個体のSAM含有量は寿命に対して負の作用を持つことが明らかとなった．

このように，SAMは生物種を超えた老化要因となる可能性が提示されてきた．その一方，上述の研究におけるSAMの影響評価は，主に個体寿命を指標としており，寿命を決める原因となる各組織の老化過程においてSAMがどのように関与するのか，また加齢に伴うSAMの増加のメカニズムについては不明であった．実際，上述のショウジョウバエの研究においても，加齢依存的な全身性のSAM量の増加はGnmtによる異化能の減弱のみでは説明できない．こうした未解明の点は，将来的に組織老化を克服する医療や創薬において特に重要となる．そこで著者らは，以下に述べるショウジョウバエ卵形成過程を組織老化の研究モデルとして，SAMが組織老化促進要因となるかを検証することにした．

ショウジョウバエの卵形成過程は，その過程に対するこれまでの発生学的研究知見の蓄積と，ショウジョウバエの短い寿命が相応し，組織老化を研究する上で優れたモデルを提供する．以下，ごく簡単にショウジョウバエの卵形成過程を概説する．

ショウジョウバエの卵形成は，卵巣小管という発生中の卵が数珠つなぎになったユニット内で進行する（図1B, 1C）．まず，卵巣小管の先端にある形成細胞層［卵室（後述）を構成する細胞が生じる領域］の前端に存在する生殖幹細胞（germline stem cell：GSC）が不等分裂することにより，GSCおよび分化に向かう娘細胞（cystoblast：CB）を生み出す．CBはその後，4回の同調した不完全な細胞分裂により内側でつながりあった16細胞よりなるシストを形成する．16細胞のうち一つが卵母細胞，残りが卵母細胞を支持する哺育細胞となっていく．このシストは形成細胞層の後端において濾胞細胞（卵巣を構成する体細胞の一種）に包まれ卵室を形成し，形成細胞層からくびれきれ，その後の卵形成過程のなかで最終的に一つの卵となって生み出される（図1C）^6）．

著者らが研究を開始する以前に，上述の一連の過程に加齢が与える影響として，GSCの維持能が低下することがすでに明らかにされていた^7）．これに加え，著者らの解析により，加齢に伴い異常な卵室（16個以上の細胞よりなるシストを持つ卵室）を持つ卵巣小管の割合が増加することが新たに明らかとなった^8）．そこで，これらの加齢依存的な卵形成過程の機能低下を踏まえ，SAMが卵巣の老化に与える影響を定量的に解析することを目指した．

最初に加齢に伴い卵巣が含有するSAM量が増加するかについて検証を行った．若齢個体（羽化後2～3日）および加齢個体（羽化後4週）の卵巣におけるSAM含有量を測定した結果，加齢卵巣では顕著なSAMの増加が確認された（図1D）．一方，SAMの前駆体であるメチオニンの含有量は低下する傾向がみられた．これらの結果は，卵巣の加齢に伴いメチオニンからSAMを合成する反応が促進することを示唆していた．そこで，これら卵巣においてショウジョウバエのSAM合成酵素遺伝子（Sams）の発現を確認したところ，加齢卵巣でのSams発現量が顕著に増加していることが明らかとなった（図1D）．さらに，生殖系列特異的にRNA干渉法によりSamsの機能阻害を行った場合，卵巣における加齢依存的なSAM含有量の増加が抑制されることが明らかとなった（図1D）．以上の結果は，生殖系列におけるSamsの発現増加が，加齢に伴う卵巣内のSAM含有量の増加を誘導することを示していた．

次に，加齢に伴うSAMの増加が卵巣の老化表現型（GSC維持能の低下および異常卵室の形成）を制御するかについて検証した．この検証のため，野生型卵巣，Sams機能阻害卵巣，および生殖系列でSamsを強制発現した卵巣における加齢に伴う老化表現型の出現を比較した．その結果，Sams機能阻害卵巣では，野生型に比して老化表現型の出現が遅れる一方，Sams強制発現卵巣では老化表現型の出現が早まることが明らかとなった^8）（図2）．以上の結果は，加齢に伴うSAM合成の増加が卵巣における主要な老化要因であることを示している．

図2 加齢に伴う異常卵室の出現へのSAMの影響（文献8より一部引用）

（A）加齢に伴う異常卵室の出現．通常の卵室は一つの卵母細胞を含む16個の細胞よりなるシストを形成する．加齢に伴い二つの卵母細胞を含む16個以上の細胞からなる異常卵室が出現する．*：卵母細胞．（B～D）加齢に伴う異常卵室の出現へのSAMの影響．正常な個体において，異常卵室は4週齢から出現し始め，加齢とともに増える（B）．一方，生殖系列においてSAM合成酵素の機能阻害を行った場合，加齢に伴う異常卵室の出現頻度は下がる（C）．逆に生殖系列においてSAM合成酵素を過剰発現した場合，異常卵室の出現は先立って起きる（D）．*: p＜0.05 （Fisher’s test）.

SAM合成を含むメチオニン代謝経路は，多様な生物種で保存されている．そのため，上記のショウジョウバエの卵巣組織を用いた実験から示唆された，SAMの量的変化に依存した組織老化は，他の動物種でも保存された共通の現象であると期待される．そこで，その共通性を明らかにする第一歩として，マウスの組織における加齢に伴うSAMの量的変化を解析した．ショウジョウバエと同じく生殖組織に加え，再生能力が低く加齢の影響が現れやすい脳組織にも着目し，若齢個体（生後10週齢）と老齢個体（18か月齢）のそれぞれの組織のSAM量を測定した．その結果，認知や記憶に関連する大脳皮質と海馬，運動機能をつかさどる小脳，そして精巣において，SAMの量が加齢に伴い顕著に増加することが明らかとなった（図3A）．卵巣では統計的な有意差は認められなかったものの，増加傾向となっていた．これらの結果から，マウスにおいてもSAMの増加が組織老化の一因となりうること，そしてその現象が動物種や組織間で保存されている可能性が提示された（図3B）．

図3 マウス組織におけるSAM含有量，および，成人ヒト線維芽細胞に対するSAM合成酵素阻害剤の影響（文献8より一部引用）

（A）マウスの小脳，大脳，海馬，精巣および卵巣における加齢に伴うSAM産生の変化．どの組織においてもSAM含有量は加齢に伴い増加する．*: P＜0.05, **: P＜0.01，NS：有意差なし（Weltch’s t-test）．（B）本稿で概説した研究の要約図．ショウジョウバエの卵巣の老化に伴い，Sams依存的なSAMの生合成が生殖細胞で増加する．SAMの生合成の加齢依存的な増加は，老化に伴うGSC数の減少，異常卵室形成の増加を引き起こす．SAMの加齢に伴う増加は，マウスの生殖組織および脳組織でも起こる．（C）成人ヒト線維芽細胞の増殖に対するSAM合成酵素阻害剤（MAT2A阻害剤）の影響．成人ヒト線維芽細胞に対しMAT2A阻害剤を500 nMの濃度で添加し，無添加のコントロール群（CTRL）とともに，Hoechstで染色された全細胞数に対するKi67陽性の増殖性細胞の割合について比較した．MAT2A添加群の方がその割合が高く，増殖能の向上が認められる．PCT出願PCT/JP2022/025977より一部抜粋．*: P＜0.05 （Student’s t-test）.

上述のように，著者らの結果は加齢に伴うSAMの増加は昆虫から哺乳類まで動物種・組織種を超えた組織老化要因である可能性を提示している．これは同時に，一足飛びではあるものの，一つの社会的アウトプットへの道，すなわち，「SAMの合成制御により，ヒトの組織老化も制御が可能なのではないか？」という希望を持たせる．そこで著者らは，完成された研究ではないが，以下の簡易的なモデル系を用いてこの可能性を検証してみることにした．

ヒトの皮膚の線維芽細胞は，加齢に伴い増殖能が低下することが知られており，これが皮膚の老化要因の一つであると考えられている^9）．著者らは，この容易に培養可能なヒト細胞の増殖能力という簡便な指標を老化指標とし，SAMがヒトにおいても老化制御要因になりえる可能性があるかについて検証を行った．著者らは成人由来のヒト線維芽細胞にSAM合成酵素MAT2A（methionine adenosyltransferase 2A）阻害剤を添加し，細胞増殖能マーカーであるKi67タンパク質の発現を指標に，増殖能の変化を評価した．その結果，阻害剤の添加によりKi67陽性細胞の増加が認められ，SAMの合成阻害がヒト線維芽細胞の増殖能の向上（老化指標の低下）に寄与することが示された．さらに，同様の結果は培養ヒト神経幹細胞においても確認されたことから，著者らはSAM合成制御によるヒト組織の老化制御の可能性に期待している（図3C，PCT出願PCT/JP2022/025977より抜粋）．

本稿では，ショウジョウバエの卵形成過程を研究モデルとして，著者らが明らかにした組織老化におけるSAMの老化促進作用，さらにその制御によるヒトまで含めた哺乳動物における組織老化制御の可能性について概説した．

SAMは，エピゲノム制御機構におけるメチル化修飾に不可欠な分子である．特に，ヒストンH3タンパク質のメチル化修飾はSAMの量的変化に強く影響される^10）．ショウジョウバエでは，ヒストンH3タンパク質のメチル化修飾が卵巣内での生殖幹細胞の維持に重要であることが示されている^11）．また，ヒトの脳においても特定のヒストンH3リシン残基のメチル化が加齢に伴い増加し，マウスではそのリシン残基のメチル化酵素を阻害することで，低下した記憶や学習能力が回復することが報告されている^12）．ヒストン以外のメチル化対象としては，マウス脳では，RNA中のN6-メチルアデノシン（m6A）が加齢とともに増加し，アルツハイマー病関連遺伝子群のmRNAにも豊富に検出されることが報告されている^13）．このように，SAMはこれら加齢依存的なメチル化現象の上流要因として，多元的な要因に影響を与えることにより組織老化を引き起こすと考えられる．今後は，SAM増加の仕組みや標的となるメチル化修飾，遺伝子発現への影響を明らかにし，老化における重要な分子機構を特定することが必要であろう．SAMが細胞や組織生存に必須な化合物であることを踏まえると，これらSAMの上流・下流要因の特定は抗老化創薬・治療法の発見において特に重要な点であると考える．

ごく最近，マウスを用いた大規模な実験により，食事制限が寿命延伸には一定の効果を示すものの，健康な状態が必ずしも維持されるわけではないことが報告された^14）．高齢化社会である日本において，真に必要とされるのは「健康寿命の延伸」である．この真の目的の達成にはさらに多様で深い研究が必要であることは自明であるが，本研究の発見がこの真の目標達成にあたり一つの重要なピースとなることを願ってやまない．