このブログの日本語訳にあたりまして
2022年度iGEMチームUTokyo巡に担当していただきました
ありがとうございます。
バイオテクノロジー産業はパンデミックの影響により、より⼤きく成⻑し、多様化が進んで いる⼀⽅で、業界の⼤企業は依然として、インスリンという単⼀の⼩さなタンパク質の⽣産 によって利益の⼤半を稼いでいるのである。
バイオテクノロジー産業は、パンデミックによってさらに⼤きな成⻑と多様化を遂げたが、 世界の⼈⼝の 5 パーセントよりも、多くの⼈々は、この⽣薬の使⽤に依存しています。 そして、私たちはその重要性に着⽬することが重要であることに気づきました。
それはバイオテクノロジーの加⼯製品なので、私たち iGEM チームは、インスリンの製造
で達成されたことを⾼く評価し、しかし、ここでは、現在のインスリンの製造⽅法に関する 現在の問題と、いくつかの有望な解決策を強調することも意図しています。
インスリンとは何か？
インスリンは、グルコース、脂質、およびタンパク質の代謝を調節するホルモンです。 解 糖によってエネルギーがトリグリセリドとして貯蔵されるため、「貯蔵ホルモン」と呼ばれ ます。
このホルモンは、胃の後ろにある⼩さな臓器である膵臓で⽣成されます。 膵臓は、ランゲ ルハンス島と呼ばれる特殊な組織で構成されています。これらは、インスリンを合成、貯蔵、 放出する α 細胞や β 細胞など、さまざまな種類の細胞で構成されています。
これはポリペプチド構造です。したがって、転写と翻訳によって⽣成されます。まず、インスリン mRNA がプレプロインスリンに翻訳されます。次に、⼩胞体への挿⼊時にシグナルペプチドが切断されると、プロインスリンが⽣成されます。最後に、プロインスリンは⼩胞体で多くのエンドペプチダーゼにより加⽔分解され、成熟したインスリンが⽣成される。
インスリンは、同じく膵臓で⽣成される「予備動員ホルモン」であるグルカゴンのアンタゴニストです。インスリンは膵臓の β 細胞から作られるように、グルカゴンは α 細胞から作られます。
インスリンは、⾷後など、⾎糖値（つまり、⾎中の糖濃度）が⾼いときに⾎液循環に分泌されます。
インスリンとグルカゴンの両⽅が G タンパク質共役受容体に結合します。シグナル伝達は、他のタンパク質を脱リン酸化するホスファターゼタンパク質の活性化につながり、それらの活性化または阻害を引き起こします。その結果、
- ホスホフルクトキナーゼ-2 およびピルビン酸キナーゼの 2 つの酵素の活性化、
およびフルクトースビスホスファターゼ酵素の不活性化による、解糖(グルコースの異化作⽤)の増強および糖新⽣(⾮炭⽔化物基質からのグルコースの⽣成)の減少。
解糖系の活性化により、ピルビン酸がアセチル CoA に変換されます。アセチル CoA の⼀
部はクレブス回路によるエネルギー⽣成に使われます。残りの部分は、筋⾁や肝臓にグリコーゲンの形で保存されるか、脂肪組織に保存されるトリグリセリドを⽣成するために使⽤されます。
- グリコーゲンの貯蔵は、グリコーゲンシンターゼの活性化による糖新⽣の増強に
より、グリコーゲンへのグルコースの重合と、ホスホリラーゼキナーゼ(グリコーゲンポリマーを異化するグリコーゲンホスホリラーゼを活性化する酵素である)の不活性化によるグリコーゲン分解の減少が起こる。
- インスリンが脂肪酸合成の増強と脂肪分解の減少を引き起こすことで、トリグリ
セリドが⽣成される。
インスリンがその受容体部位に作⽤した後、細胞外環境に放出されるか、細胞によって分解される可能性があります。私たちは糖尿病について説明します。糖尿病とは、ほとんどの場合合成インスリンの投与を必要とする疾患です。
糖尿病: インスリンの⽋乏によって引き起こされる病気
2020 年 1 ⽉現在、世界中で約 4 億 1,500 万⼈が糖尿病を患っています。3,730 万⼈のア
メリカ⼈ (約 10 ⼈に 1 ⼈) が糖尿病を患っており、9,600 万⼈のアメリカ⼈成⼈ (3 ⼈
に 1 ⼈以上) が糖尿病予備軍 (つまり、⾼⾎糖であるが、糖尿病と診断するのに⼗分では
ない) を患っています。
糖尿病には次の 2 種類があります。
- I 型糖尿病では、リンパ球 T がβ 膵臓細胞を異物として識別して攻撃し、インス
リン産⽣の⽋如を引き起こします。患者が毎⽇インスリンを摂取しないと、この糖
尿病は致命的になります。 実際、⾼⾎糖を⻑期間治療せずに放置すると、神経、
⾎管、組織、臓器に損傷を与える可能性があります。⾎管の損傷は、⼼臓発作や脳
卒中のリスクを⾼める可能性があり、神経の損傷は、眼の損傷、腎臓の損傷、治癒
しない傷にもつながる可能性があります。
- II 型糖尿病では、体が⼗分なインスリンを作ることができないか、体がそれをう
まく利⽤できません。この場合、健康的な⽣活を送ることで予防できます。投薬、
運動、⾷事だけでなく、インスリンを体内に⼊れることでも調節することができま
す。
インスリンを⽣成するための現在の解決策とはどのようなものか?
1980 年代から、⼈間が使⽤する⽬的で、⼤腸菌はインスリンを産⽣するように遺伝⼦操作されています。遺伝⼦⼯学のおかげで、⼤腸菌は製薬⽬的で⽣産された最初のタンパク質です。これがどのように⾏われるかが、下の図で⽰されています。
問題なのは、私たちが必要とするインスリンは、1 つの遺伝⼦にあるのではなく、その遺伝⼦が細胞に⾮活性のプロインスリンを作らせるということです。この問題を解決するには、ヒトの遺伝⼦をさらに改変して、必要な部分だけを含める必要がありました。細菌の形質転換に成功し、インスリンを産⽣させると、細胞からインスリンが採取され、精製されます。
バイオテクノロジーがインスリンの⽣産をどのように改善するか
上で説明したプロセスは今⽇まで変わらないままですが、糖尿病に罹る⼈の数は年々増え
ており、その需要に追いつくために⽣産を⼤幅に拡⼤する必要があります。悲しいことに、⽣物学的プロセスは化学的プロセスなどのように予測可能ではないため、スケールアップは必ずしも簡単ではありません。このことは、世界中の糖尿病患者の命を救うために、新しいプロセスを開発する必要があることを意味します。いくつかの有望な⽅法を以下に並べ、簡単に説明します。
- ⼤腸菌をより安定した発現宿主にする。
⼤腸菌を改変する場合、プラスミドは通常、⽣物から失われるか、プラスミド
の機能が変化するまで、100 世代以上残らない。この問題の解決策は、作成し
た産物に依存するように設計することである。詳細は、Rugbjerg P et al.
Synthetic addiction extends the productive life time of engineered Escherichia
coli populations の論⽂で説明されている。 - より安定した別の発現宿主を使⽤する。Baeshen, N. A らは、Cell factories でインスリン⽣産のために、植物などの異なる発現宿主を提案している。そこでは、植物は⾼い収率と費⽤対効果の可能性を持ち、また植物の種⼦や葉のような、より安定したところでインスリンを⽣産することができるとされている
- 遺伝⼦治療による体内のインスリン⽣成⽅法の活性化損傷または破壊されたランゲルハンス島の機能を回復したり、ヒトゲノムを編集して新しいインスリン産⽣細胞を作成したりすることが期待されています。このような治療法の可能性と現在の制限については、Chellappan DK らによって議論されています。遺伝⼦治療と 1 型糖尿病の研究者であり、現時点では、さらに多くの研究が必要であると結論付けています。しかし、将来的には、このような⽅法で 1 型糖尿病が完全に根絶される可能性があります。
おわりに
これで今週のブログ投稿は終了です。皆さんが再び何か新しい刺激的な学びや、現在研究されている驚くべきアイデアについての理解を得たことを願っています!
参考文献
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Chellappan DK, Sivam NS, Teoh KX, Leong WP, Fui TZ, Chooi K, Khoo N, Yi FJ, Chellian J, Cheng LL, Dahiya R, Gupta G, Singhvi G, Nammi S, Hansbro PM, Dua K. Gene therapy and type 1 diabetes mellitus. Biomed Pharmacother. 2018 Dec; From https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30372820/
