〜 おへその乱読1000本ノック #0117 ～ FOXO：栄養・ストレス情報を長寿へ変換する転写因子

　ようこ第117回 おへその乱読1000本ノックへ。
　前回は、線虫とショウジョウバエを中心に、インスリン／IGF-1シグナル伝達経路（IIS）が栄養状態に応じて成長・生殖と維持・防御の資源配分を切り替え、寿命を制御する仕組みを見てきました。今回は、その中心的な転写因子であるFOXOに焦点を絞ります。
　Martins et al.（2016）は、ヒドラ、線虫、ショウジョウバエ、哺乳類、さらにヒト集団研究までを対象に、FOXOが老化と長寿に果たす役割を整理しました。IISが低下するとFOXOは核内へ移行し、ストレス抵抗性、抗酸化応答、代謝調節、オートファジー、プロテアソーム、幹細胞維持などに関わる遺伝子群を制御します。FOXOは単一の長寿遺伝子として働くのではなく、栄養状態や細胞ストレスを多様な維持・修復応答へ変換する転写制御の中核に位置します。
　本稿では、FOXOの基本的な活性制御、各モデル生物における寿命制御、オートファジーや酸化ストレス抵抗性、幹細胞恒常性との関係、さらにヒトの長寿とFOXO3遺伝子多型との関連を見ていきます。

1．FOXOはIIS下流の長寿制御因子である

1.1　IISは栄養状態を成長と老化へ接続する

　老化は、時間の経過とともに生理機能が低下する過程であり、がん、心血管疾患、神経変性疾患など、多くの加齢関連疾患に共通する最大の危険因子である。寿命や健康寿命には、食事、身体活動、生活習慣などの環境因子に加えて遺伝的要因も関与し、その寄与は百寿者や超高齢者ほど大きくなると考えられている。
　長寿者は、単に生存期間が延びるだけでなく、慢性疾患や身体機能障害の発症が遅れ、罹病期間が人生の末期へ圧縮される傾向がある。このため長寿研究では、寿命を延ばす遺伝的背景とともに、加齢に伴う細胞障害や疾患発症を抑える防御機構が注目されてきた。
　老化は、損傷が無秩序に蓄積するだけの受動的な過程ではなく、進化的に保存された栄養感知経路によって調節される。その代表がインスリン／IGF-1シグナル伝達経路（IIS）である。インスリンとIGF-1は、栄養状態や成長シグナルに応じて細胞増殖、タンパク質合成、糖・脂質代謝を促進する。一方、線虫、ショウジョウバエ、マウスでは、IISの受容体や下流因子の機能を低下させると寿命が延長することが示されている。
　IISは、TOR、AMPK、サーチュインなどの栄養感知経路と相互に作用しながら、成長・生殖と維持・防御のバランスを調節する。すなわちIISは、栄養が豊富な状態では成長を促し、その入力が低下すると細胞維持を優先する方向へ応答を切り替える、老化制御の中心的な経路である。

1.2　FOXOはIIS低下を防御応答へ変換する

　FOXOはForkhead box転写因子ファミリーのOサブファミリーに属し、IIS下流で遺伝子発現を制御する主要な転写因子である。無脊椎動物では一つのFOXO遺伝子が機能するのに対し、哺乳類ではFOXO1、FOXO3、FOXO4、FOXO6の四つに分化している。
　インスリン／IGF-1シグナルが活性化すると、PI3K–AKT経路を介してFOXOの核外移行が促され、標的遺伝子の転写が抑制される。一方、IISの低下や細胞ストレス下ではFOXOが核内へ移行し、ストレス抵抗性、代謝調節、オートファジー、タンパク質分解、細胞周期、幹細胞維持などに関わる遺伝子群を活性化する。
　FOXOの活性は、リン酸化だけでなく、アセチル化、メチル化、ユビキチン化などの翻訳後修飾や、結合する補助因子によっても調節される。このためFOXOは単純なオン・オフ型の転写因子ではなく、栄養状態、ストレスの種類、細胞や組織に応じて異なる転写応答を引き出す。
　したがってFOXOは、単独で寿命を決定する長寿遺伝子というより、IISの低下を細胞の防御・修復・恒常性維持へ変換する転写制御因子である。本論文では、ヒドラから線虫、ショウジョウバエ、哺乳類、ヒト集団までをたどりながら、FOXOが老化と長寿に果たす役割を検討する。

2．FOXOの基本的な活性制御と細胞防御機能

2.1　FOXO活性は細胞内局在と翻訳後修飾によって制御される

　FOXOを抑制するIIS–PI3K–AKT経路の基本構造は、ヒドラ、線虫、ショウジョウバエ、哺乳類の間で進化的に保存されている（図1）。いずれの生物でも、インスリン様リガンドが受容体へ結合すると、IRS様アダプター、PI3K、PDK、AKTを介してFOXOが抑制される。一方、PTENに相当する因子はPI3Kシグナルに拮抗し、FOXO活性化を促す方向に働く。無脊椎動物では多くの構成因子が単一遺伝子であるのに対し、哺乳類では複数のアイソフォームへ分化している。

　栄養が豊富でインスリンまたはIGF-1が受容体へ結合すると、PI3K–AKT経路が活性化する。AKTはFOXOの保存された三つのアミノ酸残基をリン酸化し、14-3-3タンパク質との結合を促す。リン酸化されたFOXOは核外へ移行して細胞質に保持されるため、標的遺伝子の転写は抑制される。一方、栄養制限や細胞ストレスによってIISおよびAKT活性が低下すると、FOXOの核内移行が促される。核内へ移行したFOXOはTTGTTTACを中心とする認識配列へ結合し、酸化ストレス防御、代謝適応、オートファジー、タンパク質品質管理などに関わる遺伝子群を活性化する。この核内外移行は、成長・増殖を優先する状態と、維持・防御を優先する状態を切り替える主要な制御機構である（参考図1）。

　ただし、FOXOの活性はIIS–AKT経路だけで決まるわけではない。アセチル化、脱アセチル化、メチル化、ユビキチン化などの翻訳後修飾が、FOXOの安定性、細胞内局在、DNA結合能、転写活性を調節する。さらに、修飾状態や結合因子の組み合わせによって選択される標的遺伝子群も変化する。すなわちFOXOは、栄養状態やストレスの種類に応じて異なる転写応答を引き出す統合制御因子である。

2.2　FOXOは酸化ストレス防御とタンパク質恒常性を支える

　FOXOの主要な機能の一つは、酸化ストレスに対する細胞防御である。FOXOはマンガンスーパーオキシドジスムターゼやカタラーゼの発現を誘導して活性酸素種の除去を促すとともに、GADD45を介してDNA損傷応答や修復を支える。複数のFoxo遺伝子を欠損したマウスでは、造血幹細胞や骨芽細胞に活性酸素種が蓄積し、細胞死や組織機能低下が生じる。この結果は、FOXOによる酸化還元恒常性の維持が長期的な組織保護に重要であることを示す。
　FOXOは、オートファジーとユビキチン–プロテアソーム系を介してタンパク質恒常性も維持する。飢餓や栄養制限下では、FOXO1やFOXO3がオートファジー関連遺伝子を誘導し、タンパク質凝集体や損傷した細胞小器官の分解と再利用を促進する。また、機能不全ミトコンドリアを除去するマイトファジーや、E3ユビキチンリガーゼを介したタンパク質分解にも関与する。
　さらにFOXO4は、プロテアソーム構成因子PSMD11の発現を調節する。これらの作用により、FOXOは損傷成分の蓄積を抑え、加齢に伴って低下する細胞内品質管理を支えている。すなわちFOXOは、酸化ストレス防御とタンパク質恒常性の維持を通じて、細胞防御の中核を担う（参考図2）。

2.3　FOXOは幹細胞維持と細胞運命を調節する

　FOXOのもう一つの重要な出力が、幹細胞維持である。参考図2に示すように、FOXOは酸化ストレス防御、タンパク質恒常性の維持、幹細胞維持という三つの維持機構を統合しており、このうち幹細胞維持は組織再生能の長期的保持に直結する。
　加齢による組織再生能の低下には、成体幹細胞の枯渇や機能低下が関与する。マウスの成体造血系でFoxo1、Foxo3、Foxo4を同時に欠損させると、活性酸素種が増加し、造血幹細胞が静止状態から過剰に細胞周期へ移行する。その結果、幹細胞プールが枯渇し、長期的な血液細胞再構築能力が低下する。
　FOXO3は、飢餓時に造血幹細胞のオートファジーを促進し、エネルギー恒常性と細胞生存を支える。またFOXO1は、OCT4やSOX2の発現を制御し、胚性幹細胞の多能性維持にも関与する。FOXOは、酸化ストレス防御、代謝適応、オートファジー、細胞周期制御を統合することで、幹細胞の長期的な維持と組織再生を支えている。
　一方、FOXOは常に細胞生存を促すわけではない。軽度のストレスでは防御や修復に関わる遺伝子を活性化するが、損傷が強い場合には細胞周期停止やアポトーシスに関わる遺伝子も誘導する。FOXOは、ストレスの程度や細胞状態に応じて、防御、修復、静止、細胞除去を切り替えることで、組織全体の恒常性を維持する。

3．ヒト集団研究：FOXO3A多型と長寿

3.1　FOXO3A多型は複数の長寿集団で再現された

　ヒトの寿命には環境因子と遺伝的因子の双方が関与し、遺伝的寄与は百寿者や超高齢者ほど大きくなる。このため、長寿者と若年対照者の遺伝子多型を比較する研究から、ヒト長寿に関わる遺伝因子が探索されてきた。
　その中で、FOXO3AはAPOEと並び、長寿との関連が最も一貫して再現されてきた遺伝子の一つである。日本系米国人男性を対象とした研究では、FOXO3Aのrs2764264、rs13217795、rs2802292が長寿と関連し、とくにrs2802292のGアレルは、うっ血性心疾患の低い有病率、および低い血中インスリン濃度・HOMA指数と関連した。
　その後、FOXO3Aと長寿の関連は、南イタリア、ドイツ、デンマーク、漢民族などでも再現された。ドイツの研究では、この関連が90歳代より百寿者で強く、極端な長寿者を対象とすることの重要性が示された。漢民族では、rs2253310、rs2802292、rs4946936が男女とも長寿と正に関連した一方、FOXO1Aの一部の多型は女性の長寿と負に関連し、FOXOファミリー内でも遺伝子や性別によって作用が異なる可能性が示された。

3.2　メタ解析とGWASもFOXO3Aと長寿の関連を支持する

　複数の集団研究の結果は、メタ解析によっても支持された。11件の症例対照研究、計5241例を統合した解析では、rs2802292、rs2764264、rs13217795、rs1935949、rs2802288の五つのFOXO3A多型が長寿と関連し、うちrs2802292とrs2764264は男性でより強い関連を示す可能性があった。
　さらに、約250万の一塩基多型を対象としたゲノムワイド関連研究のメタ解析では、6036人の90歳以上の長寿者と3757人の対照者を比較した結果、APOEおよびFOXO3の遺伝子座が長寿と有意に関連した。FOXO3Aは、候補遺伝子研究だけでなく、仮説に依存しないゲノムワイド解析でも支持される、再現性の高い長寿関連遺伝子である。
　また一部の研究では、FOXO3A多型が日常生活動作の維持、骨折リスクの低下、心血管疾患やがんの低い有病率と関連した。これらの結果は、FOXO3Aが到達年齢だけでなく健康的な加齢にも関わる可能性を示している。ただし、これらは集団レベルの関連であり、FOXO3A多型が個々の寿命や健康状態を直接決定することを意味しない。

3.3　長寿関連多型の分子機構は未解明である

　FOXO3Aと長寿との関連は一貫している一方、その分子機構は十分に明らかになっていない。主要な長寿関連多型の多くは、タンパク質コード領域ではなくイントロンなどの非コード領域に位置し、既知のアミノ酸置換多型とも強く連鎖していない。
　このことから、長寿関連多型はFOXO3タンパク質の構造を直接変えるのではなく、FOXO3Aの発現量、発現時期、組織特異性、あるいはストレス応答時の転写調節に影響する可能性が高い。しかし、どの細胞や組織でFOXO3の発現や活性が変化し、それがどの標的遺伝子や生理機能を介して健康長寿へつながるかは、なお不明である。
　FOXO3Aはヒト長寿と強く関連するが、その機能的意義を理解するには、遺伝子型とFOXO3発現、代謝、免疫、身体機能、疾患発症との関係を統合的に解析する必要がある。

4．モデル生物からみたFOXOの長寿制御

　FOXOは、ヒドラ、線虫、ショウジョウバエにおいて、IIS低下に応答して細胞防御や組織恒常性を高める保存された転写因子である。ただし、その役割は、ヒドラでは幹細胞維持、線虫では寿命延長、ショウジョウバエでは組織間シグナルを介した全身制御として現れる。参考表1に、各モデルにおける主要知見と作用を比較した。

4.1　ヒドラではFoxOが幹細胞更新を支える

　ヒドラの組織は、外胚葉上皮幹細胞、内胚葉上皮幹細胞、間質幹細胞という三つの幹細胞系統によって継続的に更新される。ヒドラでは一つのFoxO遺伝子がこれらの幹細胞系統で高発現しており、幹細胞維持と分化制御に関与する。
　FoxOを過剰発現させると幹細胞や前駆細胞が増加し、抑制すると終末分化が進む。したがってFoxOは、幹細胞の未分化性と継続的な組織更新を支えると考えられる。ただし、FoxO操作による寿命延長の直接的な因果関係は確立されておらず、ヒドラはFOXOによる長期的な個体維持を理解するモデルとして位置づけられる。

4.2　線虫ではDAF-16がIIS低下を寿命延長へ変換する

　線虫では、インスリン／IGF-1受容体に相当するDAF-2の機能低下によって寿命が大幅に延長する。この効果にはFOXOホモログであるDAF-16が必須であり、daf-16を欠損させるとdaf-2変異による寿命延長は失われる。
　IIS低下により核内へ移行したDAF-16は、ストレス抵抗性、代謝調節、抗菌防御、オートファジー、タンパク質恒常性に関わる遺伝子群を制御する。また、AMPK、SIR-2.1、HSF-1などと協調し、細胞防御を高める。
　DAF-16は組織間シグナルにも関与する。腸で活性化したDAF-16はインスリン様ペプチドINS-7の発現を低下させ、他組織のIISへ影響を及ぼす。このようにDAF-16は、IIS低下を細胞防御と全身性の寿命延長へ変換する中核因子である。

4.3　ショウジョウバエではdFoxOが組織間シグナルを介して老化を調節する

　ショウジョウバエでも、インスリン受容体InRやアダプターCHICOの機能低下によって寿命が延長する。IIS低下に伴ってdFoxOが核内へ移行すると、4E-BPなどの標的遺伝子が誘導され、タンパク質合成、代謝、ストレス応答が再編成される。
　dFoxOの作用は、脂肪体、筋肉、神経内分泌系を介して全身へ広がる。脂肪体でdFoxOを活性化すると、脳から分泌されるDILP2が低下し、末梢組織のIISが抑制される。また、筋肉におけるdFoxOと4E-BPの活性化は、筋肉自身のタンパク質恒常性だけでなく、他組織の老化にも影響する。
　一方、食餌制限による寿命延長にはdFoxOを必要としない条件もある。したがってdFoxOは、すべての長寿介入に共通する必須因子ではなく、IIS低下と組織間情報伝達を介して全身の老化を調節する主要因子である。

5．哺乳類ではFOXOファミリーが組織恒常性を支える

5.1　哺乳類では四つのFOXOが機能を分担する

　哺乳類にはFOXO1、FOXO3、FOXO4、FOXO6の四つのFOXO遺伝子が存在する。無脊椎動物では単一のFOXOが多様な機能を担うのに対し、哺乳類ではこれらの因子へ機能が分担され、組織や生理機能に応じた役割分化が進んでいる（参考図3）。
　FOXO1、FOXO3、FOXO4は構造やDNA結合配列、発現パターンが類似し、機能の一部も重複する。一方、FOXO6は主に脳で発現し、他のFOXOとは異なる制御を受ける。参考図3に示すように、FOXO1は胚発生時の血管形成、FOXO3は卵胞維持や造血幹細胞保護、FOXO4はプロテアソーム機能とタンパク質恒常性、FOXO6は神経機能にそれぞれ関与する。
　単独欠損マウスでは、それぞれ異なる表現型が現れる。Foxo1欠損は血管形成異常により胎生致死となり、Foxo3欠損雌では原始卵胞が一斉に活性化して卵母細胞が枯渇する。Foxo4やFoxo6の単独欠損では比較的軽い表現型しか示さない。この違いは、各FOXOが組織特異的な役割を担う一方で、互いに機能を補完していることを示している。

5.2　FOXO1、FOXO3、FOXO4は協調して組織恒常性と腫瘍抑制を支える

　哺乳類のFOXOは機能を分担する一方で、FOXO1、FOXO3、FOXO4の間には大きな重複がある。単独欠損では比較的限られた表現型しか示さない場合でも、複数のFoxo遺伝子を同時に欠損させると、組織恒常性の破綻が顕在化する。
　Foxo1、Foxo3、Foxo4を同時に欠損したマウスでは、胸腺リンパ腫や血管腫が生じ、早期死亡がみられる。これは、これら三つのFOXOが協調して細胞増殖を抑制し、腫瘍形成を防いでいることを示す。FOXOは細胞周期停止やアポトーシスに関わる遺伝子を制御することで、損傷細胞や異常増殖細胞の排除に寄与する。
　成体造血系でFoxo1、Foxo3、Foxo4を同時に欠損させると、造血幹細胞に活性酸素種が蓄積し、静止状態が失われる。その結果、幹細胞が過剰に細胞周期へ入り、幹細胞プールの枯渇と長期的な造血再構築能の低下が生じる。抗酸化処理によって一部の表現型が改善することから、FOXOによる酸化ストレス制御が造血幹細胞の維持に重要である。
　骨組織でも、複数のFoxo遺伝子を欠損させると活性酸素種が増加し、骨芽細胞の生存と骨形成が低下する。一方、FOXO3を過剰発現させると酸化ストレスが抑えられ、骨量の維持が改善する。したがって、FOXO1、FOXO3、FOXO4は、腫瘍抑制だけでなく、幹細胞や骨組織の恒常性を協調して支えている。

5.3　哺乳類の寿命制御における因果関係はなお限定的である

　哺乳類でもFOXOは、オートファジー、マイトファジー、プロテアソーム系を調節する。FOXO3は筋肉や造血幹細胞でオートファジー遺伝子を誘導し、FOXO1とFOXO3は機能不全ミトコンドリアの除去に関与する。また、FOXO3は神経細胞でαシヌクレインの蓄積を抑える可能性が示されている。
　食餌制限による寿命延長にはFoxo3が必要である一方、Foxo1は必須ではないとするマウス研究も報告されている。ただし、線虫のDAF-16やショウジョウバエのdFoxOのように、FOXO操作が哺乳類の寿命を直接延長するという因果関係は、十分には確立されていない。
　したがって哺乳類では、FOXOを単純な寿命延長因子として捉えるよりも、幹細胞、骨、神経系などの恒常性を維持し、腫瘍や加齢関連疾患の発症を抑えることで健康寿命を支える因子として理解する方が適切である。

6．結論：FOXOは細胞防御から個体の長寿までを統合する

　FOXOは、インスリン／IGF-1シグナル伝達経路の低下を、ストレス防御、代謝適応、タンパク質恒常性、幹細胞維持へ変換する転写因子である。その活性は核と細胞質の移動や多様な翻訳後修飾によって調節され、細胞種やストレス状態に応じて異なる遺伝子群を制御する。
　FOXOの役割は、生物種によって異なる形で現れる。ヒドラでは幹細胞更新と再生能を支え、線虫ではDAF-16がIIS低下を明確な寿命延長へ結びつける。ショウジョウバエではdFoxOが脂肪体、筋肉、神経内分泌系の間の情報伝達を介して全身の老化を調節する。哺乳類では四つのFOXOが機能を分担し、幹細胞、骨、神経系などの組織恒常性や腫瘍抑制に関与する。
　ヒトでは、FOXO3A多型と長寿との関連が複数の民族集団で再現されている。ただし、長寿関連多型の多くは非コード領域に位置し、FOXO3Aの発現や転写活性をどのように変化させるかは明らかでない。また、哺乳類においてFOXOの活性化が個体寿命を直接延長するという因果関係も、無脊椎動物ほど確立されていない。
　FOXOは、単一の長寿遺伝子ではなく、栄養状態と細胞ストレスを、生物種や組織に応じた維持・防御応答へ変換する制御因子として捉える必要がある。FOXOがどの細胞で、どの程度、どの時期に活性化されることが健康長寿に有益なのかを明らかにすることが、今後の重要な課題である。