ことの始まり

相模中央化学研究所において開始した「ホモ・プロテインcDNAバンク構築」の最初の成果の一つが、ヒトグリオキサラーゼ I (GLO1) cDNAのクローニングです。同時期、GLO1タンパク質の精製、抗体の作成、発現ライブラリーの抗体によるスクリーニングによってcDNAをクローン化したグループがおり、ほぼ同時に論文がJ. Biol. Chem.に掲載されました（K93-3）。

GLO1 cDNAクローンの５’端配列

我々のヒト遺伝子コレクションには、ARPE-19細胞株から得られた2個、Y79細胞株から得られた5個のGLO1完全長cDNAクローンが含まれています（HP00110）。各クローンの５’端部分塩基配列をゲノムの配列とともに表1に示します。いずれのクローンも5’端がゲノムの配列にないGから始まるので、キャップ付加部位から始まる完全長cDNAであり、ARPE-19とY79で転写開始点が異なっていることがわかります。開始コドンの上流-7塩基目にC/TのSNPがありますが、ARPE-19は2個ともC、Y79の方はCとTの両方が見られます。翻訳領域の332番目にあるA/CというSNP (rs4746)は、111番目のアミノ酸配列の変化（Glu/Ala）を伴います（K95-1）。この領域まで読めたクローンはいずれもAであり、Glu型でした。なお、最初にU937から得られたcDNAクローンは、ARe67H01と同じ転写開始点から始まる完全長cDNAですが、332番目のSNPはCでありAla型でした。

GLO1の生理機能

GLO1は人体のあらゆる細胞に含まれているハウスキーピングタンパク質であり、大腸菌や酵母もGLO1を有しています。したがって、GLO1は細胞機能において重要な役割を担っていると考えられます。GLO1はメチルグリオキサールとグルタチオンから生成したヘミチオアセタールをS-D-ラクトイルグルタチオンに変換する酵素です。S-D-ラクトイルグルタチオンは、グリオキサラーゼ II (GLO2)によって加水分解され、D-乳酸になります。

メチルグリオキサールは解糖系で生成する副産物で、反応性の高いジカルボニル化合物であり、タンパク質やDNAを修飾し、終末糖化産物（advanced glycation end products, AGEs）を生成します。したがって、グリオキサラーゼシステムはメチルグリオキサールの解毒機構として働いていると考えられています。GLO1の機能が低下するとメチルグリオキサールの濃度が高くなり、タンパク質やDNAの機能障害が起こり、各種病気を引き起こすことになります。一方、ある種のがん細胞ではGLO1が過剰発現しており、このことががん細胞の多剤耐性と関連していると考えられています。GLO1の機能低下に対してはGLO1の活性化剤や発現誘導剤が、またGLO1の過剰発現に対してはGLO1活性の阻害剤が、メチルグリオキサールによって引き起こされる病気の治療薬として研究されています。GLO1の生理機能や病気との関連については、後述の主要総説を参照してください。

GLO1のアイソフォーム

我々はタンパク質レベルで知られていたGLO1の2種類のアイソフォームが、翻訳領域内にあるSNP (rs4746, A/C)によって生成する111番目のアミノ酸残基がGlu型(GAG)とAla型(GCG)であることを明らかにしました（K95-1）。GLO1が細胞内でメチルグリオキサールの解毒を行なっていることを考えると、二つのアイソフォームで比活性に違いがあれば、メチルグリオキサールによって引き起こされる病気と関連する可能性が考えられます。遺伝型の異なるリンパ芽球様細胞株を用いて、二つのアイソフォームの比活性を比較した研究では、Glu型の活性はAla型の約80％であるという結果が得られています（Barua et al., 2011）。

このような観点で、GLO1のこのSNPのアレル頻度と各種病気との関係を調べた論文がこれまで31報出版されています。うち13報は病気のリスク因子としてアイソフォームの違いが関係しているというもの、残り18報は無関係というものです。同じ病気であっても、たとえば自閉症のように、1報はGlu型がリスク大（Junaid et al., 2004）、1報はAla型がリスク大（Gabriele et al., 2014）、3報は無関係（Sacco et al, 2007; Wu et al., 2008; Rehnström et al., 2008）というように、矛盾した報告がなされています。他の病気に関しても、同様の矛盾した報告がなされています。これらの論文をよく読んでみると、関係があると言っている論文は、サンプル数が少なく統計学的に有意な差があるとは言い難いものが多いように思われます。このような矛盾が生じるもう一つの要因は、このSNPのアレル頻度が、次項で示すように集団（population）によってかなり大きく異なる点にあると思われます。

GLO1のSNPのアレル頻度

表2に各集団のSNP (rs4746, A/C)のAの頻度を示します。サンプル数の多いgnomADのデータを見ると、Aの頻度はヨーロッパ人が0.576と一番小さく、アジア人が0.790と大きい値を示します。1000Genomeではアジアの中でも東アジア人が0.899とさらに高い値となり、韓国人も0.904と高い値を示します。驚くべきはToMMoの日本人の0.944という値です（こちら）。ToMMoの被験者は宮城県の住人なので、日本人の代表とはいえませんが、HGVDでも0.929と高い値を示しています。いずれにしても日本人の9割以上がGlu型GLO1を有しているということになります。このことが、メチルグリオキサールが関与する病気に関して、他の集団との違いが生じる原因になるかどうかは興味深い点です。

GLO1に関する主要総説

ヒトGLO1に関する主な総説を表3に示しました。その4割はThornalleyらによる総説です。Google Scholarによると、現時点（2024年）で特に多く引用されているのは、多い順（丸括弧内は被引用数）に、1990年以前のグリオキサラーゼシステムに関する総説 (1000)［1］、GLO1の構造と機能に関する総説 (764)［2］、メチルグリオキサールの毒性に関する総説 (556)［3］、脳細胞のグリオキサラーゼシステムに関する総説 (554)［15］、糖尿病血管合併症と加齢関連疾患に関する総説 (405)［32］、老化と疾患に関する総説 (367)［16］、慢性腎臓疾患に関する総説 (347)［28］、糖尿病と肥満に関する総説 (307)［5］、グリオキサラーゼ経路に関する総説 (279)［8］です。最も多くの文献（656報）を引用して、2020年までの最新情報を網羅的に紹介しているのは、Schalkwijk とStehouwerの総説［32］です。この表からもわかるように、メチルグリオキサールとGLO1システムは、糖尿病血管合併症、糖尿病末梢感覚神経障害、糖尿病網膜症、関節炎、慢性肝臓疾患、慢性腎臓疾患、アルツハイマー病、精神疾患、癌など実に多くの病気に関係しています。さらに老化に伴う病気にも関係しており、抗老化という観点からも研究が進められてることは注目に値します。