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パターン認識受容体PRRsとウイルスPAMPの間の関係性

Dr.Liu

 

7月3日、世界保健機関のトップ科学者であるシュミア・シュワミナタン氏は新型コロナ肺炎の定例発表会で、新型コロナウイルスD614Gの変異がウイルスの複製を加速させる可能性があり、その伝播性を増強する可能性があることを実験室の研究で発見したと示した。パターン認識受容体及び免疫逃避の角度から、ウイルスと宿主細胞の間の関係を検討してみましょう。

 

1. パターン認識受容体とは? 

パターン認識受容体(Pattern recognition receptors, PRRs)は機体の先天的な免疫システムの重要な構成部分である。存在形態は多様であり、細胞膜だけでなく、エンドソーム、リソソーム膜、細胞質にも広く分布している。それらの役割はウイルス分子の存在を監視し、機体の炎症反応と抗ウイルス免疫の信号伝導通路を起動し、宿主に感染を免れさせることである。ウイルスが宿主細胞に侵入した後、細胞内の塩基成分を利用して新たなウイルスゲノムを生成し、ウイルスの複製中間体の形成と堆積によりウイルス核酸の主要の病原関連分子モード(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)を形成した。これらの分子はPRRsが識別する対象である。

 

PRRsはToll様受容体TLR、RIG-I様受容体(RLR)とNOD様受容体(NLR)が含まれる。これらのPRRsは関連する抗炎症通路を活性化することにより、サイトカインとインターフェロンの産生を誘導し、機体の抗ウイルス反応を解発する。現在多く研究しているのはPRRsによって感染細胞内のウイルスDNAを監視することである。RNAポリメラーゼIII(Pol III)があるウイルスDNAをRNAに転写することができ、宿主RIG-I認識受容体で識別され、IFNの産生を誘導するという研究もある。

 

2. ウイルスが宿主パターン認識受容体を活性化する 

病原関連分子パターンとは、主に病原微生物の表面にある共通の高度に保守的な分子構造を指し、例えば、TLR3がdsRNAを、TLR4がLPS(リポ多糖)を、TLR9がCpGを、RIG-I/MDA5(MDA5は細胞内パターン認識受容体であり、侵入ウイルスのRNA鎖を識別できる。主に非髄系細胞株で抗ウイルス作用を発揮する)がウイルスRNAなどを識別するが、厳密に一対一ではない。例えば、TLR4があるウイルスのタンパク質も識別できる。

 

宿主パターン認識受容体とウイルスの相互作用

図1:宿主パターン認識受容体とウイルスの相互作用

(Kiva Brennan and Andrew G Bowie et al. 2010)

 

この図はTLR、RLRと新型コロナウイルスのPRRsセンシングウイルスのパターンを示している。矢印は信号の伝達経路を示し、転写因子IRF3とNFkBが活性化され、炎症性小体を発生し、最後にI型IFNとIL-1βの産生を誘導する。星印は各PRRsの細胞内の位置を表している:*、エンドソーム;**、細胞表面;***、細胞質;DBD、DNA結合ドメイン;TIR、Toll-interleukin-1受容体ドメイン。

 

皆さんはウイルスを識別するパターン及び受容体と病原に関する分子パターンを大まかに認識していますが、次に細胞膜と細胞内のPRRsにそれぞれ何があるか、彼らはどのように活性化されているかを検討しましょう。

 

細胞表面TLR:TLR2とTLR4は細胞外病原体を監視する有名な細胞表面TLRである。よく知られているTLR2は細菌リポペプチドと各種の真菌PAMPを識別するが、TLR4は主にグラム陰性細菌リポ多糖を監視するのに用いられる。研究の継続的な発展に伴い、TLR2とTLR4は脾臓と骨髄源の細胞でウイルスの識別に主要な役割を果たすことを証明した。この経路は経典的な抗ウイルス反応過程と考えられる。例えば、TLR4のワクチニアウイルス(VACV)免疫での機能不足はマウスのウイルス複製能力及び死亡率を大幅に増加する。

 

従来、細胞内TLR(TLR3、TLR7、TLR8、TLR9)は細胞表面TLRに比べ、ウイルス表面の核酸を識別できるため、機体の抗ウイルス免疫効果をもっと発揮させる。研究では、単純ヘルペスウイルス1(HSV-1)の児童脳炎患者のTLR3対立遺伝子はマイナス優勢であり、中枢神経系のTLR3の発現はHSV-1の免疫にとって非常に重要であることを発見した。もう一つの研究では、TLR3はヘルペスウイルス(EBV)の一本鎖非コードRNAを識別でき、EBVに感染した細胞でEBVのコードしたピコルナ(EBER)がステムループ構造を形成でき、そして二本鎖RNA(dsRNA)のような分子が発生し、TLR3はEBERを識別するのに重要な役割を果たし、EBV感染による免疫病理疾患に関与することを発見した。TLR7が一本鎖RNA(ssRNA)に反応するというデータもある。形質細胞、樹状細胞がHIV-1のコードしたTLR7のリガンドに対する反応が明らかに違っている。これも男女のHIV-1病歴違いの原因の一つである。

 

異なるPRRsは異なるウイルスを監視し、機体を活性化して炎症性小体及びインターロイキンなどの抗ウイルス機能を発揮させる:研究でメラノーマ2(AIM2)の発現は炎症性小体の発生を促進することができることを発見した;TBK1による転写因子IRF3の活性化はIFNβの発生を誘発することができる。ここで典型的な例として、鼠線維芽細胞のDAIの過剰発現がI型インターフェロンの発現を増強でき、且つ他のDNA反応に関連する先天的免疫遺伝子の発生を誘導する。これらは病原体の機体感染過程でPRRsが活性化され、炎症性経路などの抗ウイルス反応因子の活性化を誘発することを示しているが、これらは後期に免疫細胞を募集してウイルスを攻撃するのに非常に重要である。

 

3. パターン認識受容体はどう敵と味方を見分けるか?

ウイルスがPRRsを活性化し、抗ウイルス経路が活性化され、免疫反応がウイルス抗撃モードを起動する。但し、PRRsはどのようにウイルス核酸と自身の核酸を巧みに区別するか。区别できないとどのようなダメージ効果が発生するか。

 

ウイルス複製により感染細胞の細胞質で中間体が蓄積し、PRRsの機能を誘発する。例えば、RIG-I様受容体や他の様々なDNAセンサー(DAI、DExD/Hbox家族のヘリカーゼなど)、AIM2受容体やcGAS、これらの細胞質核酸に敏感なPRRsは機体の局部抗ウイルス反応を引き起こし、樹状細胞(DC)のような先天的免疫細胞を感染部位に募集され、Toll様受容体などで感染性物質を感知し、PAMPを監視して捕まえる。PAMPの介するPRRがDC活性を調整することは侵入病原体に対する適応免疫反応の起動に非常に重要であることを証明した。PRRによってDCを直接に活性化することにより、伝染性有機体と直接に接触するDCと現在の病原体から派生する抗原だけがT細胞の効果細胞への分化を誘導する能力を確保する。細胞質PRRの識別対象はウイルス核酸であり、この種類の核酸は哺乳動物の核酸の欠けた特徴を有する。例えば、RIG−1が識別する短い末端dsRNA構造上の5'三リン酸基とMDA5は長いdsRNAにない核酸を識別する。DAI(DLM-1/ZBP1とも呼ばれる)は最初にZ-DNA結合蛋白質として記述され、ウイルスDNAを識別でき、インターフェロン(IFN)遺伝子刺激物(STING)の上流の細胞質DNAセンシングを触発する能力を有する。TLRの介する核酸識別は自身の核酸に存在する分子モードに依存する。これは免疫系が正常な状況で自身の核酸の刺激を阻止できることを示しているが、病理的な場合、核酸に敏感なPRRは先天的免疫の活性化を触発できる。そのため、自身の核酸によって引き起こす異常PRRの活性化は自身の免疫誘導を駆動するリスクがある。

 

この概説で、研究者は免疫系がどのようにエンドソームTLRのレベルでウイルス核酸と自身の核酸を区別するか、および生理的条件でTLRの介した自身の核酸感応によって駆動される自身の免疫誘導を予防するメカニズムについて議論する。リソソームタンタ室に募集されると、TLRは常駐するpH依存性プロテナーゼで切断された後で機能活性がある。TLRがリソソームタンタ室に到達した時に分解され、細胞内の他の位置の定位や細胞表面での自身の核酸による核酸センシングTLRの活性化を防止している。これは生理的条件において、self-agonistsによるTLRの異常活性化を防止するための一種類のメカニズムだと考えられている。しかし、一たびTLRが卵白の加水分解によって機能した暁には、TLR3の他、それらは構造的な違いによってウイルスの核酸と自身の核酸を区別することができなくなる。TLR3はシーケンスに依存しないでウイルスdsRNAを識別し、細胞内に存在するゲノムdsRNAやdsRNAが中間体を複製する形でウイルスを識別する。したがって、ウイルスdsRNAは本物のPAMPを代表し、免疫系がウイルスRNAと自身のRNA分子を区別させることができる。

 

病原体と死んだ細胞を摂取するメカニズム

図2:病原体と死んだ細胞を摂取するメカニズム

(Eva Brencicova and Sandra S. Diebold, 2013)

 

Fc受容体、補体受容体、スカベンジャー受容体が介する摂取を含み、病原体と死んだ細胞からの物質は同じ摂取メカニズムで細胞に摂取される。Fc受容体と補体受容体が介する摂取はそれぞれ事前に抗体と補体因子で処理される必要があり、抗原提示細胞(APC)の活性化は物質源と吸収経路の厳密な調整と影響を受ける。瀕死の未感染細胞からの物質摂取はまた多くの調節手段を活性化させ、これらの調節手段は炎症促進性の免疫原性APCの活性化を弱める。逆に、病原体や病原体由来物質の摂取はAPCの炎症促進性の免疫原性の活性化をもたらす。つまり、ウイルスは細胞に侵入して、いろいろなルートでPRRに乗っ取られるリスクを回避できる。機体も様々なPRRs仕組みを進化し、宿主が外来物にもっとよい抵抗する能力を持たせる。この角度から言うと、機体の免疫は1つの動態的な進化過程である。正しい識別は機体がウイルスに抵抗するのを助けることができ、誤った識別は自己免疫異常などの危害をもたらす。

新型コロナウイルスは機体PRRsの乗取りに対応するのに間に合うか。その侵入は宿主にどのような自己保護仕組みを起動させるか?

 

4. 新型コロナウイルスに感染した後のPRRsの介する免疫応答

研究者は遡及的な研究で、新型コロナ肺炎重症患者の総T細胞数が明らかに減少し、主に抗原特異性免疫反応を介する記憶T細胞であることを発見した。これも一定の程度に新型コロナ肺炎完治患者の再発の可能性を増加した。PRRsのウイルス認識からみると、新型コロナウイルス感染が活性化した抗ウイルス応答ルートはそれぞれNF-κB、JAK/STATである:

 

(1) NF-κB/TNFα信号通路

転写因子NF-κBは先天的免疫と適応性免疫の鍵となる調節器である。一般的な条件で、NF-κBはプロフィリンIκBsにより細胞質に留められる。病原体を含む多種類の細胞刺激物はプロテアーゼによってIκBリン酸化ユビキチン化または分解を誘導し、NF‐κB核の転座を促進する。細胞核において、NF-κBは広範な炎症促進因子、ケモカイン、ストレス反応タンパク、抗アポトーシスタンパクの転写を誘導する。NF‐κBの活性はウイルスの生存と活性化及び最適な免疫反応の発生にとって非常に重要である。記事によると、NF‐κB活性化の進行はSARS−CoVを含む気道ウイルス誘起肺炎性免疫病理に関連している。ある研究は鼠マクロファージ(RAW 264.7)で、ウイルスの再結合Sタンパク質に曝露した後、上清液のIL-6とTNF-αは時間と濃度に依存して大量に放出することを証明した。IL-6とTNF-α分泌の増強はNF-κBの活性化に依存し、SARS-CoV-SタンパクはIκBα分解の増強と関連している。これはNF-κB信号通路を活性化するのに必須な段階である。このため、NF-κB活性を抑制する優性不活性因子NIKをトランスフェクションすることはRAW 264.7細胞のSタンパク質によって誘起するIL-6とTNF-αの分泌を大幅に低減でき、そしてNF-κBはSARS-CoV-SがIL 6とTNF-αの分泌を誘導する必須の道であることを証明した。体内でTNF-αの発現を抑制することにより、例えば、caffeic acid phenethyl ester-CAPE、Bay 11-7082、parthenolideなどの薬物を使ってNF-κBの活性化を抑制して、SARS-CoVに感染したマウスの肺部のTNF-α、CXCL2、MCP-1の発現を減少することにより、炎症を減らす。また、研究者は薬物でNF-κBを抑制してウイルスに感染したマウスの肺部病理変化と生存率を保護する。SARS-CoVに感染した老年のアカゲザルの肺部NF-κBの活性化がNF-κB核の転座を増加させたことを実験で証明した。また、若いアカゲザルがウイルス感染に対してより強い宿主反応を示し、且つNF-κBが調節する炎症促進因子の発現を著しく増加した。

 

SARS-CoV-2の駆動する信号通路と潜在薬物標的の概略図

図3:SARS-CoV-2の駆動する信号通路と潜在薬物標的の概略図

(Michele Catanzaro et al. 2020)

 

SARS-CoV-2が誘導細胞内の信号通路を感染する。これらの経路に作用する選定薬物をウイルスの感染によるサイトカインストームの調節に再利用する。

 

(2) IL-6/JAK/STAT信号通路

JAK/STAT信号伝導の主な活性化剤の一つはサイトカインIL-6である。COVID-19患者の中で、サイトカインIL-6が著しく増加し、急性炎症反応とサイトカインストームの発生を伴っている。報告によると、IL−6は大量の細胞を活性化して糖蛋白質(gp-130)受容体を表現し、またはIL-6の膜受容体と結合することができる。可溶性のIL-6受容体がgp130と相互作用し、下流JAK/STAT信号経路の活性化を促進する。IL-6は活性化したマクロファージ、内皮細胞と平滑筋細胞を含む多種類の組織によって生成され、これらの組織で、IL-6の分泌はマクロファージを刺激してMCP-1を分泌させ、アテローム性動脈硬化を促進し、細胞接着分子の発現を増加させ、血管平滑筋細胞の増殖と移動を刺激する。そのため、IL-6の異常上昇は一部のCOVID-19患者に見られる心血管疾患(例えば、冠状動脈アテローム硬化、血管系炎症によって拡散性微小血管病と血栓の形成を引き起こす)の発生につながる可能性がある。現在、IL-6の合成と分泌はアンギオテンシンIIによって誘導されることが証明されているが、アンギオテンシンIIはJAK/STATに依存して炎症を起こした血管の中で局部的に発生する。SARS-CoV-2はACE2受容体を下げる可能性があり、アンギオテンシンIIの過剰発生を招き、さらにAT1/JAK/STAT依存でIL-6の発生を強め、最後に血管炎症や肺損傷などのCOVID-19に感染した臨床症状を引き起こす。アンギオテンシンII/AT1受容体もNF-κBとADAM17を活性化し、ACE2もADAM17の重要な基礎物である。ACE2はADAM17で切断されて活性を失うと報道されている。アンギオテンシンIIの存在が強化することにより、高血圧、心血管などの病理生理の発生をもたらす。ADAM17はACE2受容体の脱落に影響があるほか、ウイルスが細胞に入る基礎でもある。ADAM17誘導はIL-6受容体α(IL-6Rα)の膜形式を可溶性形式(sIL-6Rα)に加工し、その後、gp130は多種類のIL-6 Rα陰性非免疫細胞でsIL-6Rα-IL-6複合体によりSTAT3の活性化を介し、STAT3の活性化はNF-κB通路で誘導される必要がある。したがって、SARS-CoV-2の感染はNF-κBとSTAT3信号の転送を同時に活性化し、STAT3がNF-κBを過剰に活性化するのを促進し、IL-6効果を拡大し、多種類の炎症と自己免疫異常を誘発する可能性がある。

 

SARS-CoV-2が IL-6とアンギオテンシンIIとの間に炎症フィードバック回路を建てる仮説仕組み

図4:SARS-CoV-2が IL-6とアンギオテンシンIIとの間に炎症フィードバック回路を建てる仮説仕組み

(Michele Catanzaro et al. 2020)

 

総括

PRRsは外来の病原体PAMP、機体自身が生成したタンパク質、または病理代謝産物の損傷に関するパターン分子(DAMP)を識別してサンプリングし、細胞内の信号伝達と遺伝子発現プログラムを活性化し、一連のサイトカインとケモカインなどの媒体の発生をもたらし、機体の免疫反応を引き起こす。我々はPRRsの紹介によって、PRRsとウイルスPAMPとの関連を分析した。そして、現在の新型コロナ疫病に目を向けると、免疫学の角度から、新型コロナウイルスが機体に与える損傷メカニズムをより深く観察できる。ウイルス変異株の感染性と感染力の増強はワクチンの開発にもっと多くの挑戦を与えた。もし我々が視野をパターン認識受容体に拡大すれば、ワクチンと薬物の研究開発に新たな構想を持たせるか。

 

参考文献:

1.Tan, L. et al. Lymphopenia predicts disease severity of COVID-19: a descriptive and predictive study. Signal Transduct. 2020.

2.Teijaro, J. R. et al. Endothelial cells are central orchestrators of cytokine amplification during inflfluenza virus infection. Cell. 2011.

3.Michele Catanzaro , Francesca Fagiani, Marco Racchi et al. Immune response in COVID-19: addressing a pharmacological challenge by targeting pathways triggered by SARS-CoV-2. Signal Transduction and Targeted Therapy. 2020.

4. Kiva Brennan and Andrew G Bowie. Activation of host pattern recognition receptors by viruses. Microbiology. 2010.

5. Andrew G. Bowie and Leonie Unterholzner. Viral evasion and subversion of

pattern-recognition receptor signalling. Nature reviews| immunology. 2008.

6. Eva Brencicova and Sandra S. Diebold. Nucleic acids and endosomal pattern recognition: how to tell friend from foe? Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2013.

7. Goubau, D., Deddouche, S., and Reis, E. S. C. Cytosolic sensing of viruses. Immunity. 2013.

8. Schwartz, T., Behlke, J., Lowenhaupt, K., Heinemann, U., and Rich, A. Structure of the DLM-1-Z DNA complex reveals a conserved family of Z-DNA-binding proteins. Nat. Struct. Biol. 8, 761–765. 2001.

 

 

 

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