有機リン系難燃剤(OPFR)は、健康影響が指摘され規制が進む臭素系難燃剤(BFR)の代替として、家電製品や建材、接着剤、ゴム、さらにはネイルポリッシュといった化粧品にまで幅広く使われています。その代表格であるトリフェニルホスフェート(TPHP)は、製品に化学結合していない添加型の難燃剤であるため環境中へ放出されやすく、難分解性の残留性有機汚染物質として、大気中の粉じん吸入や食事、皮膚からの吸収を通じてヒトへの曝露が広がっています。
動物実験や疫学研究では、TPHPへの曝露が女性の生殖機能に悪影響を及ぼす可能性がこれまでも報告されてきました。しかし、TPHPがどの分子を標的とし、どのような経路をたどって卵巣の機能を損なうのかという核心部分は、十分に解明されていませんでした。
この問いに対し、ネットワークトキシコロジー、トランスクリプトーム解析、機械学習、Adverse Outcome Pathway(AOP、有害転帰経路)の枠組み、分子ドッキング、培養細胞を用いた実験を組み合わせて検証した研究が、Environment International誌(2026年、215巻、論文番号110458)に発表されました(DOI:10.1016/j.envint.2026.110458)。ヒト卵巣顆粒膜細胞(KGN細胞)での検証実験を含む、公共データベース解析と実験を橋渡しする統合的なアプローチが特徴です。
方法──公共データベースと培養細胞を組み合わせて標的を絞り込む
この研究は、大きく2つの手法を組み合わせています。第一に、TPHPに関連する遺伝子と女性不妊に関連する遺伝子を、CTD、OMIM、Open Targets、GeneCardsといった公共データベースから収集し、共通する遺伝子をSTRINGデータベースでタンパク質間相互作用(PPI)ネットワークとして解析しました。第二に、ヒト卵巣顆粒膜細胞由来のKGN細胞をTPHPに曝露して得られた公開トランスクリプトームデータ(GSE241995)と、体外受精における凍結融解胚移植後の子宮内膜組織データ(GSE272778、胚移植不成功歴のある29例のコホート)を用い、9種類の機械学習モデルで中核となる遺伝子を絞り込みました。さらに、絞り込まれた遺伝子とTPHPの結合を分子ドッキングで検証したうえで、KGN細胞を実際にTPHPに曝露する実験で裏付けています。
891個から24個へ──TPHPと不妊に共通する遺伝子を絞り込む
データベース解析では、TPHPに関連する遺伝子891個と、女性不妊に関連する遺伝子199個が抽出され、両者に共通する遺伝子は24個でした。この24個をPPIネットワーク解析にかけ、3種類の解析手法(MCODE、CytoNCA、CytoHubba)すべてで重要度が高いと判定された、AR、CYP19A1、ESR1、ESR2、IGF1、INS、STARの7個が「ハブ遺伝子」として選び出されました。これらは、性ステロイドホルモンの受容体(AR、ESR1、ESR2)、インスリン関連(IGF1、INS)、ステロイド合成経路(CYP19A1、STAR)の3グループに分類できます。GO・KEGG解析では、エストロゲン受容体シグナル伝達、ステロイド結合、卵巣のステロイド合成、卵母細胞の減数分裂、プロゲステロンを介した卵母細胞成熟など、生殖に直結する経路が有意に関連していました。
9つのAIモデルが選んだのは、ESR1だった
7個のハブ遺伝子のうち、KGN細胞のトランスクリプトームデータ(GSE241995)と重なりを持つESR1、STAR、ARの3遺伝子を特徴量として、ランダムフォレストやXGBoost、サポートベクターマシンなど9種類の機械学習モデルで性能を比較したところ、ランダムフォレストが残差分布や適合率-再現率曲線など複数の指標で最も優れた予測性能を示しました。特徴量の重要度を解析すると、ESR1とSTARは(発現が下がるほど不妊のリスクに関連するという意味で)負の寄与を示し、ARは正の寄与を示しました。
さらに、胚移植が不成功となった経験を持つ29例のコホートから得られた子宮内膜の独立データセット(GSE272778)で外部検証を行ったところ、ランダムフォレストモデルはESR1単独でAUC 0.9429、STAR単独でAUC 0.9381、両者の組み合わせでAUC 0.9762という高い予測精度(1.0に近いほど判別性能が高いことを意味します)を達成しました。精度・再現率・F1スコアを総合評価した結果、ESR1が最も頑健な予測因子として、この後のメカニズム解析における中核遺伝子(コア遺伝子)に選ばれています。
スイッチが切られる瞬間──エストロゲン受容体からプロゲステロン合成停止までの経路
研究チームは、ESR1を起点とする分子の連鎖を、AOP(Adverse Outcome Pathway、有害転帰経路)という国際的な枠組みで整理しています。TPHPを「ストレッサー(引き金となる化学物質)」、エストロゲン受容体活性の抑制を「分子開始事象(MIE)」と位置づけ、以下の連鎖が想定されました。エストロゲン受容体活性の抑制がステロイド合成の要となるタンパク質STAR(ステロイド産生急性調節タンパク質)の減少を招き、STARの減少がミトコンドリアへのコレステロール輸送の低下につながり、これがプロゲステロン(黄体ホルモン)合成の低下を引き起こし、最終的に卵母細胞の成熟と排卵の障害、妊よう性(妊娠する力)の低下という有害転帰(AO)に至る、という流れです。各段階の根拠には、ESR1変異を持つヒトの原発性無月経の症例報告や、STARやESR1をノックアウトしたマウスの不妊・排卵障害のデータがあり、既存文献による裏付けは「高い」と評価されています。
結合エネルギー−8.01kcal/mol──TPHPはESR1の「鍵穴」にはまり込む
この経路の起点であるESR1にTPHPが実際に結合しうるかを検証するため、分子ドッキングのシミュレーションが行われました。3段階の解析(ブラインド、半柔軟、柔軟ドッキング)を順に進めたところ、結合エネルギーはそれぞれ−7.417kcal/mol、−7.427kcal/mol、−8.01kcal/molと算出されました。一般に−5kcal/molを下回れば意味のある結合、−7kcal/molを下回れば熱力学的に安定した複合体形成とみなされることから、TPHPはESR1のリガンド結合部位に安定して結合しうることが示されました。TPHPは、ESR1の455番目のアスパラギン残基(Asn455)と水素結合を形成し、周囲の複数のアミノ酸残基と疎水性相互作用を持つことも確認されています。
ESR1を止めても、TPHPを加えても──下流の反応は変わらなかった
実際にヒト卵巣顆粒膜細胞(KGN細胞)を使った実験でも、この経路が裏付けられています。TPHP濃度0〜100μMで24時間曝露したところ、100μMでは細胞生存率が80%を下回る明らかな細胞毒性が確認されたため(p<0.05)、以降の実験は毒性の出ない50μM以下で行われました。ウエスタンブロット解析では、ESR1タンパク質そのものの発現量は統計学的に有意には低下しませんでしたが(25、50μMでは低下傾向)、STARタンパク質は50μMで有意に減少しました。培養上清中のプロゲステロン濃度も、50μM曝露群で対照群と比べて有意に低下しました。
続いて、ESR1をsiRNAでノックダウン(発現を人為的に抑制)した細胞を用いた実験が行われました。ノックダウンした細胞では、TPHPを加えなくてもSTARタンパク質とプロゲステロン産生が有意に低下しました。重要な点として、その状態にTPHPをさらに加えても、STAR発現とプロゲステロン産生はそれ以上には低下しませんでした。TPHPによる抑制がESR1を介した経路に依存しており、ESR1がすでに機能していない状態では作用の余地がなくなる(天井効果)ことを示唆する結果です。ESR1タンパク質量そのものは大きく減らなかったことから、TPHPは受容体を「量的に減らす」のではなく「機能的なシグナル伝達を妨げる」形で作用している可能性が指摘されています。これまでの報告でも、TPHPはエストロゲン受容体の拮抗薬(アンタゴニスト)として、受容体量を減らさずその働きを阻害しうることが示されています。
日本の生殖医療現場にとっての意味
日本では、ネイルポリッシュやプラスチック製品、電子機器など日常生活の幅広い場面でTPHPを含む有機リン系難燃剤に接する機会があります。今回の研究が示した経路は基礎研究の段階であり、実際の曝露量でヒトの卵巣機能にどの程度の影響が生じるかを直接示したものではありません。ただし、体外受精治療において黄体期のプロゲステロン補充が広く行われている背景を踏まえると、環境化学物質による内因性のプロゲステロン産生低下という視点は、不妊治療における評価項目の一つとして今後注目される可能性があります。臨床現場では、原因不明の不妊や卵巣機能低下の背景因子として環境化学物質への曝露歴を聞き取る意義が、研究の蓄積とともに増していくと考えられます。
研究の強みと限界
この研究の強みは、公共データベースを用いた大規模なスクリーニングと、機械学習によるデータ駆動型の標的選定、分子ドッキングによる構造的な裏付け、培養細胞を用いた実験的検証を一つの枠組み(AOP)の中で統合した点にあります。従来、専門家の知見や文献に基づいて選定されがちだったAOPの起点(MIE)を、客観的な予測性能に基づいて選び出した点は、方法論上の新規性として位置づけられています。
一方で、限界も複数指摘されています。実験に用いられたのは単一の不死化細胞株(KGN細胞)であり、初代培養細胞や動物モデルでの追加検証が必要です。また、ESR1を過剰発現させて機能を回復させる実験は行われておらず、他のハブ遺伝子の関与を完全には否定できません。分子ドッキングはTPHPとESR1の結合可能性を示すものであり、作動薬(アゴニスト)か拮抗薬(アンタゴニスト)かを直接決定するものではなく、追加の実験が求められます。さらに、実験濃度は一般集団の典型的な体内曝露レベルよりも高く、低用量・長期曝露を想定したモデルでの検証が今後の課題です。
おわりに
今回の研究は、難燃剤TPHPが卵巣顆粒膜細胞においてエストロゲン受容体を起点とする経路を介し、ステロイド合成に関わるタンパク質STARの減少とプロゲステロン産生の低下を引き起こしうることを、データベース解析、機械学習、分子ドッキング、培養細胞実験を通じて示しました。ESR1のタンパク質量そのものは大きく変化しないという知見は、環境化学物質による内分泌かく乱が、必ずしも受容体の「量」の変化としては現れないことを示す一例といえます。今後、初代細胞や動物モデルでの追加検証、実環境に近い低用量・長期曝露での評価、複数の化学物質が同時に存在する状況(複合曝露)への影響評価が進むことで、環境中の化学物質と女性の生殖機能との関係についての理解が深まっていくことが期待されます。
参考文献
1. Gao C, Gao J, Liu X, et al.『Integrative computational toxicology and experimental validation unveils ESR1-mediated steroidogenic disruption in triphenyl phosphate-induced female reproductive toxicity』Environment International 2026;215:110458. doi:10.1016/j.envint.2026.110458.
2. Ma H, Ishida K, Xu C, et al.『Triphenyl phosphate delayed pubertal timing and induced decline of ovarian reserve in mice as an estrogen receptor antagonist』Environmental Pollution 2021;290:118096. doi:10.1016/j.envpol.2021.118096.
3. Ji X, Li N, Ma M, et al.『In vitro estrogen-disrupting effects of organophosphate flame retardants』Science of the Total Environment 2020;727:138484. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.138484.