細胞の酸素感知機構；低酸素への適応

🧠 細胞の酸素センサーは「酸素がなければ動けない酵素（プロリルヒドロキシラーゼprolyl hydroxylase (PHD)プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)）prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ）、PHD）」を使うという逆転の発想であり、酸素が十分にあるときこそPHDがHIF1αを破壊のマークで飾り立て、酸素が足りなくなるとPHDが働けずHIF1αが生き残って核へ向かう。 つまりHIF1αの蓄積は「酸素がない」ことの直接証拠であり、この単純な「酵素活性＝酸素濃度計」という仕組みが、低酸素適応遺伝子群（解糖・血管新生・造血）の一斉起動を可能にしている。

酸素と細胞代謝

酸素は電子伝達系 electron transport chain 電子伝達系（electron transport chain） electron transport chain（電子伝達系） における電子の最終受容体であり、それゆえ代謝の重要な要素である。適切な酸素レベル oxygen level 酸素レベル（oxygen level） oxygen level（酸素レベル） は細胞・組織にとって不可欠であり、酸素感知は通常細胞内受容体 intracellular receptor 細胞内受容体（intracellular receptor） intracellular receptor（細胞内受容体） により行われる。

常酸素normoxia常酸素（normoxia）normoxia（常酸素）は高い酸素レベル oxygen level 酸素レベル（oxygen level） oxygen level（酸素レベル） の状態を指し、低酸素は低い酸素レベル oxygen level 酸素レベル（oxygen level） oxygen level（酸素レベル） の状態を指す。低酸素は生理的・病理的過程の両方に複数の影響を及ぼす。

• 生理的過程： 細胞成長・増殖の阻害、創傷治癒の不良、血管形成（血管新生）、オートファジーの開始
• 病理的な場合： 低酸素は悪性腫瘍、糖尿病、炎症につながりうる

細胞の酸素センサー

• α-ケトグルタル酸alpha-ketoglutarate α-ケトグルタル酸（alpha-ketoglutarate）alpha-ketoglutarate（α-ケトグルタル酸） 依存性ジオキシゲナーゼ dioxygenaseジオキシゲナーゼ（dioxygenase） dioxygenase（ジオキシゲナーゼ）は酸素感知酵素であり、酸素に対する親和性が非常に低い→そのため、その活性は酸素濃度に依存する
• これらの酵素（ジオキシゲナーゼdioxygenaseジオキシゲナーゼ（dioxygenase）dioxygenase（ジオキシゲナーゼ））は、フェロイオン（Fe²⁺）、アスコルビン酸ascorbic acid (vitamin C) アスコルビン酸（ascorbic acid (vitamin C)）ascorbic acid (vitamin C)（アスコルビン酸） （ビタミンC）、α-ケトグルタル酸alpha-ketoglutarate α-ケトグルタル酸（alpha-ketoglutarate）alpha-ketoglutarate（α-ケトグルタル酸） を要する反応を通じて基質への酸素の取り込みを触媒する
• 最も一般的な基質はタンパク質上のプロリン残基 proline residue プロリン残基（proline residue） proline residue（プロリン残基） であり、ヒドロキシプロリンhydroxyproline (Hyp) ヒドロキシプロリン（hydroxyproline (Hyp)）hydroxyproline (Hyp)（ヒドロキシプロリン） （プロリンproline プロリン（proline）proline（プロリン） 側鎖への-OH基の付加）を生成する→これらの酵素はプロリルヒドロキシラーゼprolyl hydroxylase (PHD)プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)）prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ）とも呼ばれる
• 酸素分子（O2）の2つの原子は分かれて使われる——1原子が基質のプロリン proline プロリン（proline） proline（プロリン） に入ってヒドロキシプロリン hydroxyproline (Hyp) ヒドロキシプロリン（hydroxyproline (Hyp)） hydroxyproline (Hyp)（ヒドロキシプロリン） となり、もう1原子はα-ケトグルタル酸 alpha-ketoglutarate α-ケトグルタル酸（alpha-ketoglutarate） alpha-ketoglutarate（α-ケトグルタル酸） の酸化的脱炭酸 oxidative decarboxylation 酸化的脱炭酸（oxidative decarboxylation） oxidative decarboxylation（酸化的脱炭酸） で生じるコハク酸 succinic acid コハク酸（succinic acid） succinic acid（コハク酸） に取り込まれる（同時にCO2が生成される）¹。「酸素1分子まるごとが基質に入る」のではない
• このプロリルヒドロキシラーゼ prolyl hydroxylase (PHD) プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)） prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ） 酵素が活性である場合、それは十分な酸素レベル oxygen level 酸素レベル（oxygen level） oxygen level（酸素レベル） があることを意味し、これはHIFα（低酸素に応答する転写因子）を阻害するよう働く

💡 PHDは1種類ではなく、3つのアイソフォーム isoform アイソフォーム（isoform） isoform（アイソフォーム） （PHD1・PHD2・PHD3）がある。 これらは線虫EGL-9の哺乳類 mammal 哺乳類（mammal） mammal（哺乳類） 相同体として同定され、触媒部位catalytic site 触媒部位（catalytic site）catalytic site（触媒部位） に保存された2-ヒスチジン histidine ヒスチジン（histidine） histidine（ヒスチジン） -1-カルボキシラート鉄配位 coordinate 配位（coordinate） coordinate（配位） モチーフを持つ²³。組換え酵素の活性は段階的な低酸素・鉄キレートiron chelation鉄キレート（iron chelation）iron chelation（鉄キレート）・コバルトイオンによって直接抑えられ、これは生体でHIFHIF（hypoxia-inducible factor）が同じ条件で誘導されることと一致する——酵素が鉄（Fe²⁺）を必須とするからこそ、鉄欠乏やコバルト曝露が「低酸素の偽装 disguise; (forensics) staging偽装（disguise; (forensics) staging） disguise; (forensics) staging（偽装）」を起こす²。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='normoxia'>常酸素</span>：酸素が十分"] --> B["PHD（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prolyl hydroxylase (PHD)'>プロリルヒドロキシラーゼ</span>）活性"]
  B --> C["HIF1αを<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxylation'>ヒドロキシル化</span>"]
  C --> D["HIF1α阻害・分解"]
  E["低酸素：酸素が不足"] --> F["PHD活性低下"]
  F --> G["HIF1αが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxylation'>ヒドロキシル化</span>されない"]
  G --> H["HIF1α蓄積・活性化"]

HIF1α——低酸素誘導因子1

低酸素誘導因子hypoxia-inducible factor (HIF) 低酸素誘導因子（hypoxia-inducible factor (HIF)）hypoxia-inducible factor (HIF)（低酸素誘導因子） 1（HIF1α）は低酸素に応答する転写因子であり、その産物が酸素供給 myocardial oxygen supply 酸素供給（myocardial oxygen supply） myocardial oxygen supply（酸素供給） を増加させるか低酸素への代謝適応 metabolic adaptation 代謝適応（metabolic adaptation） metabolic adaptation（代謝適応） を促進する遺伝子の転写を活性化する。

構造： HIF1αは「酸素感受性」のαサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） と「構成的constitutive構成的（constitutive）constitutive（構成的）」なβサブユニット beta subunit βサブユニット（beta subunit） beta subunit（βサブユニット） からなるヘテロ二量体 heterodimer ヘテロ二量体（heterodimer） heterodimer（ヘテロ二量体） である。

調節

正常な酸素レベル oxygen level 酸素レベル（oxygen level） oxygen level（酸素レベル） （常酸素normoxia常酸素（normoxia）normoxia（常酸素））下では：

1. プロリルヒドロキシラーゼprolyl hydroxylase (PHD) プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)）prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ） がHIF1複合体のHIF1αサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） をヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） する
2. ヒドロキシル化hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation）hydroxylation（ヒドロキシル化） されたHIF1αサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） はpVHL（von Hippel-Lindau腫瘍抑制タンパク質）により認識される。ヒトHIF-1αで最もよく解析されている標的はプロリン proline プロリン（proline） proline（プロリン） 564（P564）である⁴
3. pVHLを基質認識サブユニット substrate recognition subunit 基質認識サブユニット（substrate recognition subunit） substrate recognition subunit（基質認識サブユニット） とするpVHL E3ユビキチンリガーゼE3 ubiquitin ligase E3ユビキチンリガーゼ（E3 ubiquitin ligase）E3 ubiquitin ligase（E3ユビキチンリガーゼ） 複合体がHIF1αをユビキチン化 ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化） し、HIF1αサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） の急速なプロテアソーム分解 proteasomal degradation プロテアソーム分解（proteasomal degradation） proteasomal degradation（プロテアソーム分解） を引き起こす（pVHL単独が酵素なのではない）⁴

低酸素レベル下では：

1. プロリルヒドロキシラーゼprolyl hydroxylase (PHD) プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)）prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ） 活性はHIF1αサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） をヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） しようとするが、低酸素レベルのためPHDの活性は劇的に低下する
2. HIF1αはヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） されず、蓄積してHIF1βサブユニット beta subunit βサブユニット（beta subunit） beta subunit（βサブユニット） と二量体を形成できるようになる
3. HIF1α/β複合体は核へ転位し、そこでDNADNA（deoxyribonucleic acid）に結合し、低酸素への適応に役割を果たす様々なタンパク質の発現を開始する

💡 pVHL（von Hippel-Lindau腫瘍抑制タンパク質）による認識は、ヒドロキシル化hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation）hydroxylation（ヒドロキシル化） されたプロリン残基 proline residue プロリン残基（proline residue） proline residue（プロリン残基） という「目印」に依存する——常酸素 normoxia 常酸素（normoxia） normoxia（常酸素） 下でのみPHDがこの目印をつけられるため、pVHLによるユビキチン化 ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化）・分解は「酸素が十分にある」ことの直接の結果として起こる。低酸素下ではこの目印そのものが作られないため、HIF1αは分解を逃れて蓄積する。

⚠️ 酸素のスイッチは「分解」だけではない。もう1つ、FIH-1による転写活性 transcriptional activity 転写活性（transcriptional activity） transcriptional activity（転写活性） の直接オフがある。 FIH-1（factor inhibiting HIF-1）も同じFe²⁺／2-オキソグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼ dioxygenase ジオキシゲナーゼ（dioxygenase） dioxygenase（ジオキシゲナーゼ） の一員だが、こちらはプロリン proline プロリン（proline） proline（プロリン） ではなくHIF-αのC末端転写活性 transcriptional activity 転写活性（transcriptional activity） transcriptional activity（転写活性） 化ドメイン（CAD）にある保存アスパラギン asparagine アスパラギン（asparagine） asparagine（アスパラギン） をヒドロキシル化 hydroxylationヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化）する。この修飾があるとCADは共役因子 coregulator (coactivator/corepressor) 共役因子（coregulator (coactivator/corepressor)） coregulator (coactivator/corepressor)（共役因子） p300／CBPと結合できず、たとえHIF-αが分解を逃れても転写が立ち上がらない。低酸素ではプロリン proline プロリン（proline） proline（プロリン） とアスパラギン asparagine アスパラギン（asparagine） asparagine（アスパラギン） の両方のヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） が失われることで、はじめてHIFが完全に誘導される⁵³。PHDは「壊す／壊さない」、FIH-1は「喋らせる／喋らせない」の二段スイッチと覚える。

低酸素におけるHIF1αの役割

HIF1αは低酸素への適応を助ける様々なタンパク質の発現を開始する。例えば：

• 解糖系glycolysis 解糖系（glycolysis）glycolysis（解糖系） 酵素とGLUT1GLUT1（glucose transporter 1） → ATP産生を増加させる
• iNOS（誘導型NO合成酵素inducible nitric oxide synthase誘導型NO合成酵素（inducible nitric oxide synthase）inducible nitric oxide synthase（誘導型NO合成酵素））→ NO（血管拡張因子）を産生する → 血流を増加させる
• 造血・血管新生・pH調節・グルコース代謝glucose metabolismグルコース代謝（glucose metabolism）glucose metabolism（グルコース代謝）に関与する遺伝子

→ これら全てが細胞生存の改善に寄与する！

⭐ HIF-1αとHIF-2αは同じことをしているのではなく、分業している。 遺伝学的解析では、肝細胞でのエリスロポエチン erythropoietin, EPO エリスロポエチン（erythropoietin, EPO） erythropoietin, EPO（エリスロポエチン） （EPOEPO, erythropoietin）の生理的発現も貧血時の低酸素誘導もHIF-2α（EPAS1）依存でHIF-1α非依存であり、逆にホスホグリセリン酸キナーゼ phosphoglycerate kinase ホスホグリセリン酸キナーゼ（phosphoglycerate kinase） phosphoglycerate kinase（ホスホグリセリン酸キナーゼ） 1（PGK1）のような解糖系 glycolysis 解糖系（glycolysis） glycolysis（解糖系） 標的はHIF-1α依存であった⁶。循環EPOの主な産生源は腎皮質の線維芽細胞で、そこでもEPOエンハンサー enhancer エンハンサー（enhancer） enhancer（エンハンサー） を刺激するのは主にHIF-2である³。「代謝の切り替え（解糖）はHIF-1α、造血（EPO）はHIF-2α」が要点。

⭐ この経路はそのまま薬になっている（2019年ノーベル生理学・医学賞の領域）。 (1) HIF-PH阻害薬——PHDを薬理学的に阻害して常酸素 normoxia 常酸素（normoxia） normoxia（常酸素） 下でもHIF-αを蓄積させ、内因性EPOを増やす。経口のロキサデュスタット roxadustat ロキサデュスタット（roxadustat） roxadustat（ロキサデュスタット） （FG-4592）は非透析の慢性腎臓病 chronic kidney disease, CKD 慢性腎臓病（chronic kidney disease, CKD） chronic kidney disease, CKD（慢性腎臓病） 患者の第3相試験で8週後のヘモグロビンをベースラインから1.9±1.2 g/dL上昇させた（プラセボplacebo プラセボ（placebo）placebo（プラセボ） は0.4±0.8 g/dL低下）。赤血球産生Erythropoiesis 赤血球産生（Erythropoiesis）Erythropoiesis（赤血球産生） の刺激だけでなく鉄代謝 iron metabolism 鉄代謝（iron metabolism） iron metabolism（鉄代謝） の調節も伴うのが遺伝子組換えEPO製剤との違いである⁷。日本では腎性貧血 renal anemia (anemia of chronic kidney disease) 腎性貧血（renal anemia (anemia of chronic kidney disease)） renal anemia (anemia of chronic kidney disease)（腎性貧血） の治療薬として「〜デュスタット」の名を持つ一群が使われる。(2) HIF-2α阻害薬——VHLVHL（von Hippel-Lindau）病ではVHL遺伝子の不活化でHIF-2αが恒常的に活性化し腎細胞癌 renal cell carcinoma (RCC) 腎細胞癌（renal cell carcinoma (RCC)） renal cell carcinoma (RCC)（腎細胞癌） が多発する。逆向きに攻めるベルズチファンbelzutifanベルズチファン（belzutifan）belzutifan（ベルズチファン）（120 mg/日）の第2相試験では腎細胞癌 renal cell carcinoma (RCC) 腎細胞癌（renal cell carcinoma (RCC)） renal cell carcinoma (RCC)（腎細胞癌） の奏効率 response rate 奏効率（response rate） response rate（奏効率） 49%、膵病変77%、中枢神経系血管芽腫30%であった⁸。PHDを止めれば貧血が治り、HIF-2αを止めれば腫瘍が縮む——同じ軸の逆方向である。

まとめ

• 細胞の酸素感知はα-ケトグルタル酸 alpha-ketoglutarate α-ケトグルタル酸（alpha-ketoglutarate） alpha-ketoglutarate（α-ケトグルタル酸） 依存性ジオキシゲナーゼ dioxygenase ジオキシゲナーゼ（dioxygenase） dioxygenase（ジオキシゲナーゼ） （プロリルヒドロキシラーゼprolyl hydroxylase (PHD)プロリルヒドロキシラーゼ（prolyl hydroxylase (PHD)）prolyl hydroxylase (PHD)（プロリルヒドロキシラーゼ）、PHD）により行われ、この酵素は酸素親和性 oxygen affinity 酸素親和性（oxygen affinity） oxygen affinity（酸素親和性） が低いため活性が直接酸素濃度に依存する。
• 常酸素normoxia 常酸素（normoxia）normoxia（常酸素） 下ではPHD（3アイソフォーム isoform アイソフォーム（isoform） isoform（アイソフォーム） PHD1-3）がHIF1αをヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） し（ヒトHIF-1αではP564など）、これがpVHL E3ユビキチンリガーゼE3 ubiquitin ligase E3ユビキチンリガーゼ（E3 ubiquitin ligase）E3 ubiquitin ligase（E3ユビキチンリガーゼ） 複合体に認識されユビキチン化 ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化）・急速分解される。低酸素下ではPHD活性が低下しHIF1αが蓄積、HIF1βと二量体を形成して核へ転位し転写を活性化する。
• 酸素センサーは二段構えで、PHDが安定性を、FIH-1（アスパラギニルヒドロキシラーゼ hydroxylaseヒドロキシラーゼ（hydroxylase） hydroxylase（ヒドロキシラーゼ））がCADとp300の結合＝転写活性 transcriptional activity 転写活性（transcriptional activity） transcriptional activity（転写活性） そのものを制御する。低酸素では両方のヒドロキシル化 hydroxylation ヒドロキシル化（hydroxylation） hydroxylation（ヒドロキシル化） が外れてはじめてHIFが完全に誘導される。
• HIF1α/β複合体は解糖系 glycolysis 解糖系（glycolysis） glycolysis（解糖系） 酵素・GLUT1・iNOS・血管新生/造血関連遺伝子の発現を誘導し、低酸素環境下での細胞生存を改善する。α側にはHIF-1αとHIF-2αの分業があり、解糖系glycolysis 解糖系（glycolysis）glycolysis（解糖系） （PGK1など）はHIF-1α依存、EPOはHIF-2α依存である。
• この機構は臨床にそのまま接続する——PHDを阻害するHIF-PH阻害薬（ロキサデュスタットroxadustat ロキサデュスタット（roxadustat）roxadustat（ロキサデュスタット） 等）は腎性貧血 renal anemia (anemia of chronic kidney disease) 腎性貧血（renal anemia (anemia of chronic kidney disease)） renal anemia (anemia of chronic kidney disease)（腎性貧血） の経口治療薬であり、逆にHIF-2αを阻害するベルズチファン belzutifan ベルズチファン（belzutifan） belzutifan（ベルズチファン） はVHL病関連腎細胞癌 renal cell carcinoma (RCC) 腎細胞癌（renal cell carcinoma (RCC)） renal cell carcinoma (RCC)（腎細胞癌） の治療薬である。