生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

フェロトーシスは2012年にStockwellらによって報告された，鉄介在性の脂質過酸化による細胞死である^1）．ここ10余年の間にフェロトーシス研究は目覚ましい発展を遂げ，非常に多くの制御経路が発見された．その生体内での作用として，虚血性疾患や神経変性疾患など複数の疾患の病態形成に関わる病理的な側面がある一方で，がん抑制機構として重要な働きを示すこともわかってきた^2）．がん抑制以外にもフェロトーシスは生体内で恒常性維持に寄与する複数の役割を持つと考えられる．本稿では，フェロトーシスの生体内での役割に着目するとともに，筆者らが昨年報告したフェロトーシス細胞から分泌される線維芽細胞増殖因子（fibroblast growth factor 21：FGF21）による抗老化シグナル^3）について紹介する．

前述のとおり，フェロトーシスの生理学的役割として最もよく知られているのは，がん抑制である．最も代表的ながん抑制遺伝子であるp53は，シスチンのトランスポーターのサブユニットであるsolute carrier family 7 member 11（SLC7A11）の転写を抑制することで，シスチンを材料とする細胞内還元物質であるグルタチオンの合成を抑え，フェロトーシスを促進する^4）．その他にも，p53は，ビタミンKの還元酵素の一つであるvitamin K epoxide reductase complex subunit 1 like 1（VKORC1L1）の転写を抑制して脂質過酸化を促進する^4）など，複数の機序を介してフェロトーシスを誘導する．p53がさまざまな機序を介してフェロトーシスを誘導することは，がん抑制におけるフェロトーシスの重要性を示唆している．さらに注目されるのは，分子標的治療に耐性化したがん細胞がフェロトーシスにはむしろ感受性になることである^5）．この詳細な機序はまだはっきりしないが，フェロトーシスは分子標的治療耐性化を克服するための鍵になる可能性がある．また，免疫チェックポイント阻害薬による免疫療法において，がん細胞がフェロトーシスを起こすことも報告されている^6）．分子標的治療と免疫療法が現代のがん薬物療法の中心であることは疑いがなく，その両者にフェロトーシスが関わるとなると，今後の腫瘍生物学におけるフェロトーシス研究の重要性は計り知れない．

がん抑制以外のフェロトーシスの生理学的意義として，フェロトーシスはさまざまな病原体による感染への防御機構としても寄与することが報告されつつある^7）．未解明な点が多いものの，フェロトーシスによって病原体の働きを抑制する，感染細胞を取り除くといった治療法が将来的に可能になれば興味深い．

がん抑制，感染制御に加えて，新たなフェロトーシスによる生体内恒常性維持機構として，筆者らは昨年フェロトーシスが生体内で老化抑制機構としても作用しうることを報告した^3）．次に，この発見について紹介し，生体内恒常性維持の観点から，フェロトーシス制御機構の重要性について考察したい．

死細胞は，除去されるまでその場にただとどまるだけではなく，さまざまな物質の分泌によって生体内で情報発信体として働くことが，フェロトーシスの概念が確立する以前からアポトーシスにおいてよく知られていた．フェロトーシス細胞に関しても，さまざまな物質を分泌し，周囲の細胞へ影響を及ぼす可能性が考えられた．筆者らは以前，フェロトーシス細胞からの培養上清の移譲によって，フェロトーシス誘導剤に直接さらされていない別の細胞でもフェロトーシスが起きることを報告した^8）．類似の現象は，他の研究室からも複数報告されており，過酸化脂質や鉄などの脂質過酸化の関連物質の分泌を介して，フェロトーシスが別の細胞へ伝播すると考えられている．

一方，これらの脂質過酸化関連物質以外にも，フェロトーシス細胞からはさまざまな物質が分泌されていることが考えられたが，従来のフェロトーシス誘導剤を用いてフェロトーシスを惹起する方法では，培養上清からフェロトーシス誘導剤を取り除くことが難しく，他の分泌因子の影響についての検証は困難であった．そこで，フェロトーシス誘導剤を使用せずにフェロトーシスを惹起できるモデル細胞を構築できないかと考えた．

BTB and CNC homology 1（BACH1）は，ヘムおよび酸化ストレス応答性の転写抑制因子であり，塩基性ロイシンジッパー（basic-leucine zipper：bZip）構造を有し，同じくbZipを有する小Maf（musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homologue bZIP transcription factor）分子とヘテロ二量体を形成し，さまざまな標的遺伝子の転写を抑制する^9）．筆者らはこのBACH1が，前述のシスチンのトランスポーターであるSlc7a11のほか，グルタチオン合成反応の律速段階の酵素であるGclm, Gclc，細胞内自由鉄の不活性化や除去に働くフェリチン（Fth, Ftl），フェロポルチン（Slc40a1）など，グルタチオン合成経路および細胞内自由鉄代謝経路に関わる遺伝子群の転写を抑制することによって，フェロトーシスを強力に促進することを以前報告した^10–12）．BACH1がフェロトーシスの促進因子であるため，Bach1をノックアウトしたマウス胎仔線維芽細胞（mouse embryonic fibroblasts：MEFs）は野生型のMEFsよりもフェロトーシスに耐性となる^10–12）．一方，野生型のMEFsでは培養上清から還元剤2-メルカプトエタノールを取り除いてもフェロトーシスは誘導されないが，Bach1をノックアウトしたMEFsでは，BACH1を再発現させた上で培養上清から2-メルカプトエタノールを取り除くと自動的にフェロトーシスを誘導できることを発見した（図1）^13）．なぜ，野生型のMEFsと違って，BACH1を再発現させたときには2-メルカプトエタノールの除去に伴ってフェロトーシスが起きるかの詳細は将来的に検討する余地があるが，これは誘導剤を使用せずにフェロトーシスを誘導できる新規のフェロトーシスモデル細胞なのは確かだと考えられた．フェロトーシスの制御遺伝子は数多く報告されているが，単一の遺伝子発現の摂動だけで，誘導剤を使用せずにフェロトーシスを誘導できる遺伝子は，グルタチオンペルオキシダーゼ4（Glutathione peroxidase 4：Gpx4）など一部に限られており，BACH1が強力なフェロトーシスの促進因子であることがうかがわれる．この細胞を用いれば，フェロトーシス細胞からの分泌因子の作用を調べることができると筆者らは考えた．

図1 BACH1再発現によるフェロトーシスモデル細胞

Bach1ノックアウトマウス由来のMEFsにBach1遺伝子を導入しBACH1を再発現させるとフェロトーシスに対する防御遺伝子の発現が抑制され，還元剤（2-メルカプトエタノール）の除去をきっかけにフェロトーシスが自動的に惹起される．出典：東北大学プレスリリース「遺伝子一つを再発現しただけで細胞死が起きた！—転写因子BACH1の再発現によるフェロトーシスモデル細胞が完成—」（2023年5月9日）より一部改変．

筆者らは，このBACH1再発現によるフェロトーシスモデル細胞の培養上清を回収し，還元剤の添加で脂質過酸化関連物質の伝播の影響は抑えつつ，肝細胞がん株の細胞，およびBach1ノックアウトマウス由来のMEFsに移譲する実験を行った．すると，コントロール細胞由来の培養上清を移譲されたときと比べて，細胞増殖の亢進や老化抑制因子であるSirtuin 1（SIRT1）の発現増加，細胞老化マーカー（老化関連β-ガラクトシダーゼ，老化関連分泌形質）の低下などが確認された^3）．これらの結果は総合的に，フェロトーシス細胞の培養上清によって，別の細胞の細胞老化が抑制されることを示しており，フェロトーシス細胞からは，前述の脂質過酸化関連物質に加えて老化抑制物質も分泌されていると考えられた．

次に，その老化抑制物質を突き止めるために，以前筆者らが，MEFsでフェロトーシスを誘導したときのトランスクリプトーム解析のデータを参照した．このデータでは，フェロトーシス誘導刺激に伴って，それに対抗するようにさまざまなフェロトーシスの防御遺伝子の発現が上昇することが示されていたが^{10, 12）}，そうした防御遺伝子に混じって，内分泌因子として働く二つの遺伝子（Fgf21とgrowth differentiation factor 15：Gdf15）の発現も大きく上昇することがわかった．このうち，FGF21に関しては，特にBACH1に依存してフェロトーシス誘導時に発現が上昇し，培養上清中への分泌量も増加することがわかった^3）．FGF21は抗老化因子として知られており，このFGF21がフェロトーシス細胞から分泌される老化抑制物質ではないかと考えられた．この仮説を検証するために，前述のBACH1再発現によるフェロトーシスモデル細胞でFgf21をノックアウトしたところ，培養上清の老化抑制効果が失われた^3）．このことから，フェロトーシス細胞の培養上清の老化抑制効果は少なくとも一部はFGF21によるものだと考えられた．

また，この実験過程でFGF21の発現量はBACH1に大きく依存することが判明し，そのメカニズムについても探求した．BACH1は前述のグルタチオン合成経路と細胞内自由鉄代謝経路の構成遺伝子の転写抑制によってフェロトーシス誘導ストレスを増加させてFGF21の転写を間接的に活性化するのに加え，オートファジーに関わる二つの遺伝子（Sqstm1, Lamp2）を転写抑制し選択的オートファジーによるFGF21のタンパク質分解を阻害することによっても，FGF21の発現を上昇させることがわかった（図2A）^3）．これはBACH1がFGF21の発現を二重のメカニズムで上昇させていると考えられ，BACH1がFGF21の強力な誘導因子であることが示唆された．本機構の実際の生体内における機能的役割や重要性については，今後の老化研究において，さらなる検証・探求が望まれる．

図2 BACH1によるFGF21分泌促進機構とフェロトーシス細胞由来抗老化シグナリング

（A）BACH1はグルタチオン合成経路および細胞内自由鉄代謝経路の構成遺伝子群（フェロトーシスに対する防御遺伝子群）を転写抑制することでフェロトーシスストレスを上昇させ，Fgf21遺伝子の転写を間接的に活性化する（①）．一方，Sqstm1，Lamp2の転写を抑制することでFGF21が選択的オートファジーで分解されるのを抑制し，FGF21タンパク質を安定化させる（②）．この二重の機構によって，BACH1はFGF21の分泌を強力に促進する．出典：東北大学プレスリリース「死細胞が老化を抑える物質を分泌！—フェロトーシス細胞からの抗老化シグナルを発見—」（2024年7月1日）より一部改変．（B）BACH1がフェロトーシスおよびフェロトーシス細胞からのFGF21分泌を促進させ，周囲の細胞の老化や，生体における肥満，短命といった老化関連形質を抑制する．

次に筆者らは，BACH1が促進するフェロトーシス細胞からのFGF21分泌が，細胞老化だけでなく，生体内でも老化に関連する形質を抑制するかどうか，高脂肪食によるマウスの肥満モデルを用いて検証した．肥満と老化の間には必ずしも直接的な因果関係があるわけではないが，互いに関連が深い形質であることが知られている．実際に，マウスへの高脂肪食の投与によって肥満とともに，脳，肝臓，腎臓など，生体内のさまざまな臓器で細胞老化が進行することが報告されている．また，FGF21によって，生体内で細胞老化が抑制されることも報告されている．

野生型およびBach1ノックアウトマウスに高脂肪食を長期間投与すると，Bach1ノックアウトマウスでは，野生型マウスと比較して肥満になりやすい傾向があることがわかった^3）．高脂肪食による脂肪肝ではフェロトーシスが起こり，FGF21の発現が上昇することが知られている．筆者らの実験モデルでも，高脂肪食を投与されたマウスの肝臓でフェロトーシスが起こっており，高脂肪食投与によるFGF21の発現増加が野生型のマウスでBach1ノックアウトマウスよりも顕著であった^3）．このことは，生体内においてもBACH1がフェロトーシスを促進してFGF21分泌を増加させることを示唆している．また，FGF21は脂肪細胞での脂肪分解を活性化させ，また視床下部に作用して食欲を抑制することによって，老化だけでなく肥満の抑制因子としても働くことがわかっている．本実験で観察された野生型のマウスとBach1ノックアウトマウスの肥満傾向の差も，肝臓でのフェロトーシスの感受性とFGF21分泌量の差に起因すると考えられた．実際に，フェロトーシス抑制剤であるフェロスタチン-1を投与すると高脂肪食飼育下における肥満がより増悪し，また，FGF21をノックアウトしたマウスでは，高脂肪食飼育下におけるBACH1の有無による肥満傾向の差が認められなくなった^3）．これらの結果は，BACH1によって促進される肝臓のフェロトーシスが，FGF21の分泌を介して，細胞老化に加えて，生体における肥満を抑制することを示している（図2B）．

肥満モデルに加えて，フェロトーシスとFGF21の生体内での作用をさらに検証するため，α-Klotho遺伝子（Kl）のノックアウトによる早老マウスモデル^14）を用いて，BACH1の有無による寿命への影響を比較した．Bach1が野生型であるKlノックアウトマウスとBach1をノックアウトしたKlノックアウトマウスとで寿命を比較したところ，Bach1のノックアウトによって寿命が短くなることが判明した^3）．また，α-Klothoはフェロトーシスの抑制因子であることが報告されているが，Klノックアウトマウスの肝臓ではフェロトーシスを示唆する細胞死が起こっていた．このときに，Bach1が野生型の場合は，フェロトーシス細胞で上昇するFGF21の発現が著明に上昇するが，Bach1ノックアウトマウスではFGF21の発現上昇がみられなかった^3）．BACH1の有無によるこのFGF21分泌量の差が寿命に影響していることが考えられた．実際に，KlノックアウトマウスでFGF21をノックアウトするとBACH1の有無による寿命の差が解消された^3）．以上より，BACH1によって促進される肝臓のフェロトーシスとFGF21の分泌が，肥満の抑制に加えて，少なくともKlノックアウトマウスにおいては寿命も延ばしていると考えられた（図2B）．上記の知見は，あくまでも早老マウスモデルの解析によって得られたものなので，野生型のマウスで同じシステムが機能しているかはわからないが，フェロトーシスが寿命の維持にもある程度寄与することを示唆する結果であり，老化予防とフェロトーシス制御の関連においてさらなる研究が待たれる．

BACH1がフェロトーシスを促進して，フェロトーシス細胞からのFGF21分泌を促すことでほかの細胞の老化や，生体における肥満，短命が抑制されることが示されたが（図2B）^3），老化はさまざまな病態が混じり合う非常に複雑な概念であり，この機構がほかの老化関連形質にも影響を及ぼすかなど，まだ多くの疑問が残っている．一方，フェロトーシスとFGF21のコントロールによって，糖尿病やサルコペニア，骨粗鬆症など，老化関連疾患の治療ができる可能性もある．なお，筆者らが提唱したメカニズムとは異なるが，脂肪細胞にフェロトーシス誘導刺激が入ることによって，hypoxia-inducible factor 1α（HIF1α）の抑制を介して，高脂肪食飼育下でのマウスでの肥満が抑制されることが最近報告された^15）．筆者らの研究と合わせて，フェロトーシスが適度に惹起されることで，肥満の抑制ひいては生体の恒常性維持に寄与することを示唆する結果であり興味深い．

いずれにせよ，本稿の冒頭で述べたがん抑制，感染抑制に加えて，フェロトーシスが肥満をはじめ老化の抑制にも寄与することが示され，フェロトーシスは適度に制御されることで，多角的に生体の恒常性に寄与することが判明しつつある（図3）．これはフェロトーシスが細胞死の一形態というだけではなく，多細胞生物の生体維持に欠かせない機構であることを示唆しており，今後ますますフェロトーシス研究の重要性が増していくと予想される．もちろん，過剰なフェロトーシスは虚血性疾患，神経変性疾患をはじめ非常に多様な疾患の原因となるため（図3），適度に調節されることが何よりも重要であり，BACH1のような制御因子の研究もますます脚光を浴びていくと考えられる．

図3 フェロトーシスによる生体内恒常性維持

生理的なレベルにコントロールされたフェロトーシスは，そのがん抑制作用，感染抑制作用，老化抑制作用を介して，生体内の恒常性維持に寄与すると考えられる．一方，フェロトーシスが過度に誘導されると，虚血性疾患，神経変性疾患をはじめとしたさまざまな疾患の原因となる．