肝臓でのブドウ糖の利用率が低いと、外因性高コレステロール血症ラットの食事誘発性高コレステロール血症を引き起こす

Low utilization of glucose in the liver causes diet-induced hypercholesterolemia in exogenously hypercholesterolemic rats.

• Yasutake Tanaka
• Masahiro Ono
• Motonori Miyago
• Takahisa Suzuki
• Yurika Miyazaki
• Michio Kawano
• Makoto Asahina
• Bungo Shirouchi
• Katsumi Imaizumi
• Masao Sato

抄録

外因性高コレステロール血症（ExHC）ラットは、食事性コレステロールを摂取すると食事誘発性高コレステロール血症（DIHC）を発症する。これまでに、高スクロース食餌条件では、Smek2の機能欠損変異により脂肪酸合成酵素（FAS）の活性が低下し、その後、ExHCラットでは肝内トリアシルグリセロール量が不足し、DIHCが発症することを報告してきました。しかし、Smek2変異とFAS機能不全との関係はまだ明らかになっていない。ここでは、FASの基質となる糖質代謝に着目し、ExHCラットの糖質代謝と脂質代謝を解析し、Smek2の欠損がどのようにDIHCを引き起こすのかを明らかにした。雄のExHCとSDラットに、1%コレステロールを含む高スクロースまたは高スターチ食を2週間与えた。ExHCラットの血清コレステロール値は、食事の炭水化物にかかわらず高かった。肝トリアシルグリセロール値は、高スクロース食を与えたSDラットでのみ高値を示した。さらに、ExHCラットは糖尿病様の状態を示し、肝グリコーゲンの蓄積と、解糖の律速酵素をコードする肝型ホスホフルクトキナーゼ（Pfkl）の肝内mRNAレベルが低かった。これらの結果は、ExHCラットの肝臓ではグルコース利用、特に解糖が障害されていることを示唆している。極端に低グルコース食がDIHCにどのような影響を与えるかを評価するために、DIHCを発症しない先天性のExHC.BN-Dihc2BNとExHCラットに1%コレステロールを含む高フルクトース食を2週間与えた。血清コレステロール値と肝トリアシルグリセロール値は、両系統でほぼ同程度であった。初代肝細胞を用いた水溶性代謝物分析の結果、ExHCラットではフルクトース-6-リン酸が増加し、コハク酸、リンゴ酸、アスパラギン酸が減少しており、ExHCラットでは解糖障害があることが示唆された。このように、Smek2変異はPfkl発現のダウンレギュレーションを介して肝内グルコース利用異常を引き起こす。この異常なグルコース代謝は、肝脂肪酸合成を障害し、ExHCラットではDIHCを引き起こす。

Exogenously hypercholesterolemic (ExHC) rats develop diet-induced hypercholesterolemia (DIHC) when fed with dietary cholesterol. Previously, we reported that, under the high-sucrose-diet-feeding condition, a loss-of-function mutation in Smek2 results in low activity of fatty acid synthase (FAS) followed by the shortage of hepatic triacylglycerol content in ExHC rats and the onset of DIHC. However, the relationship between the Smek2 mutation and FAS dysfunction is still unclear. Here, we focused on carbohydrate metabolism, which provides substrates for FAS, and analyzed carbohydrate and lipid metabolisms in ExHC rats to clarify how the deficit of Smek2 causes DIHC. Male ExHC and SD rats were fed high-sucrose or high-starch diets containing 1% cholesterol for 2 weeks. Serum cholesterol levels of the ExHC rats were higher, regardless of the dietary carbohydrate. Hepatic triacylglycerol levels were higher in only the SD rats fed the high-sucrose diet. Moreover, the ExHC rats exhibited a diabetes-like status and accumulation of hepatic glycogen and low hepatic mRNA levels of liver-type phosphofructokinase (Pfkl), which encodes a rate-limiting enzyme for glycolysis. These results suggest that the glucose utilization, particularly glycolysis, is impaired in the liver of ExHC rats. To evaluate how the diet with extremely low glucose affect to DIHC, ExHC.BN-Dihc2BN, a congenic strain that does not develop DIHC, and ExHC rats were fed a high-fructose diet containing 1% cholesterol for 2 weeks. The serum cholesterol and hepatic triacylglycerol levels were similar in the strains. Results of water-soluble metabolite analysis with primary hepatocytes, an increase in fructose-6-phosphate and decreases in succinate, malate and aspartate in ExHC rats, support impaired glycolysis in the ExHC rats. Thus, the Smek2 mutation causes abnormal hepatic glucose utilization via downregulation of Pfkl expression. This abnormal glucose metabolism disrupts hepatic fatty acid synthesis and causes DIHC in the ExHC rats.