リソソームでの自然免疫系と代謝系のクロストークに関わる分子細胞基盤の解明

• Project/Area Number: 16H06388
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Immunology
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三宅 健介 東京大学, 医科学研究所, 教授 (60229812)
• Project Period (FY): 2016-05-31 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥183,170,000 (Direct Cost: ¥140,900,000、Indirect Cost: ¥42,270,000); Fiscal Year 2019: ¥38,090,000 (Direct Cost: ¥29,300,000、Indirect Cost: ¥8,790,000); Fiscal Year 2018: ¥33,020,000 (Direct Cost: ¥25,400,000、Indirect Cost: ¥7,620,000); Fiscal Year 2017: ¥32,110,000 (Direct Cost: ¥24,700,000、Indirect Cost: ¥7,410,000); Fiscal Year 2016: ¥44,850,000 (Direct Cost: ¥34,500,000、Indirect Cost: ¥10,350,000)
• Keywords: Toll様受容体 / 自然免疫 / Toll-like receptor / 免疫学

Outline of Annual Research Achievements

Toll-like receptor (TLR)は病原体成分を認識するセンサーである。核酸特異的TLRは、リソソームに局在し、その応答制御には、リソソームにおける核酸分解をはじめとする代謝機構が深く関与している。そこで、本研究では、核酸の分解、代謝機構と核酸認識機構の関係を明らかにする。本年度の研究実績として以下のことが明らかとなった。リソソームは細胞の活性化とともに細胞内を移行する。RNA特異的TLRであるTLR3、TLR7もリソソームに局在するために、リソソームとともに細胞内を移行する。本年は、TLR3についての解析を報告した。興味深いことに、TLR3は低分子量タンパク質Rab7aに会合しており、細胞内移行もRab7aによって制御されていることが明らかとなった。細胞内移行の方向性は核から細胞膜直下までの、いわゆるAnterogradeであった。TLR3については、さらに最初にmTORC2がリクルートされ、TLR3の細胞内移行、炎症性サイトカイン産生、I型インターフェロン産生に必須であった。つまりTLR3のマスター制御因子であることが明らかとなった。一方、I型インターフェロン産生に特異的にmTORC1が必要であるが、mTORC1との会合のためにはTLR3の細胞内移行が重要であるということが分かった。TLR3が細胞内移行することで、TLR3とmTORC1の会合、さらにはI型インターフェロン産生に必須のシグナル伝達分子であるTRAF3との会合が可能となるという結果を得た。これらの結果は、I型インターフェロン産生には、TLR3が細胞膜直下まで移行する必要があることが明らかとなった。この結果はシグナル伝達、リソソームの細胞内移行、代謝センサーを関連付ける結果であり、本研究の当初の目的の一つである自然免疫と代謝の連携を細胞生物学的に理解することができた結果といえる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定した計画のうち、TLR3の細胞内移行の分子基盤解明については、予定通りに解析が進み、論文を発表することができた。興味深いことに、TLR3の細胞内移行は、低分子量Gたんぱく質Rab7aによって制御されとり、TLR7の場合と異なることが明らかとなった。しかしながら、細胞内移行の方向性、I型インターフェロン産生との関係はTLR7の場合と同様であった。昨年度に発表したTLR7の細胞内移行についての結果と合わせて、現在Reviewを投稿し、リバイス中である。TLRの細胞内移行、I型インターフェロン産生、代謝センサーmTORC1による制御を統合して理解するという当初の目標を一部達成できたと考えている。TLR3の応答については、mTORC2がマスター制御因子であることが明らかになったことから、今後、mTORC2の役割について、特に代謝センサーとしての機能について、検討を進めてゆく予定である。
TLR7については、自己免疫疾患の病態におけるArl8bの関与について検討した論文も発表した。今後、予定していたTLR7応答におけるヌクレオシドの役割についての検討を進めてゆく。当初予定していた遺伝子欠損マウスの解析は順調に進んでいる。現在、その表現型の分子基盤についての解析を進めている。RNaseについても、現在予定していた遺伝子改変マウスの解析を順調に進めているところである。解析している表現型におけるRNAセンサーの役割を明らかにするために、いろいろなRNAセンサーの遺伝子改変マウスとの交配を進めており、表現型への影響を検討する予定である。このように、当初予定していたプロジェクトは予定通り進展しており、順調であるといえる。

Strategy for Future Research Activity

TLR7、TLR3の細胞内移行の分子基盤解析については、当初予定していた目標の多くを達成できたと考えている。今後の展開としては、TLR3のマスター制御因子として同定したmTORC2についての解析を進める必要がある。特にmTORC1がアミノ酸のセンサーとして解析が進んでいることに比較して、mTORC2の解析が遅れている。TLR3のマスター制御因子としてのmTORC2の解析を通して、mTORC2そのものの理解に貢献したいと考えている。
TLR7のヌクレオシドに対する応答についての解析は順調に進んでおり、このまま計画通りに進めてゆく。現在、解析を予定していたマウスの表現型についての解析を一通り終了し、本年度はその分子基盤を理解すべく、細胞株を用いた解析を並行して進めてゆく。さらに、ヒトにおけるTLR7のヌクレオシドに対する応答についての解析も進めており、本年度も継続して進めてゆく。マウスで得られたTLR7のヌクレオシドに対する応答がヒトにおいても保存されているのか、検討する。RNaseの解析については、現在、予定していた遺伝子改変マウスの解析を進めている。表現型にTLRが関与する可能性を考慮して、RNA特異的TLRの応答に必須の分子Unc93B1や個々のRNA特異的TLRの遺伝子欠損マウスと交配を進めている。さらに、TLR以外のRNAセンサーの可能性を考慮して、RIG-I、MDA5のシグナル伝達分子であるMAVSの遺伝子欠損マウスとの交配も進める。これらの解析を通して、RNaseがどのRNAセンサーの応答を制御しているのか、分子レベルでの解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] ADP-ribosylation factor-like 8b is required for the development of mouse models of systemic lupus erythematosus (2019)
  • Author(s): Saitoh Shin-Ichiroh、Saitoh Yoshiko Mori、Kontani Kenji、Sato Katsuaki、Miyake Kensuke
  • Journal Title: International Immunology Volume: 31 Pages: 225-237
  • DOI: 10.1093/intimm/dxy084
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cytidine deaminase enables Toll-like receptor 8 activation by cytidine or its analogs. (2019)
  • Author(s): Furusho Katsuhiro、Shibata Takuma、Sato Ryota、Fukui Ryutaro、Motoi Yuji、Zhang Yun、Saitoh Shin-ichiroh、Ichinohe Takeshi、Moriyama Masafumi、Nakamura Seiji、Miyake Kensuke
  • Journal Title: Int Immunol. Volume: 31 Pages: 167-173
  • DOI: 10.1093/intimm/dxy075
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Combating herpesvirus encephalitis by potentiating a TLR3?mTORC2 axis (2018)
  • Author(s): Sato R, Kato A, Chimura T, Saitoh SI, Shibata T, Murakami Y, Fukui R, Liu K, Zhang Y, Arii J, Sun-Wada GH, Wada Y, Ikenoue T, Barber GN, Manabe T, Kawaguchi Y, Miyake K.
  • Journal Title: Nature immunology. Volume: 19 Pages: 1071-1082
  • DOI: 10.1038/s41590-018-0203-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cleavage of Toll-Like Receptor 9 Ectodomain Is Required for In Vivo Responses to Single Strand DNA (2018)
  • Author(s): Fukui Ryutaro、Yamamoto Chikako、Matsumoto Fumi、Onji Masahiro、Shibata Takuma、Murakami Yusuke、Kanno Atsuo、Hayashi Takuto、Tanimura Natsuko、Yoshida Nobuaki、Miyake Kensuke
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 9 Pages: 1491-1491
  • DOI: 10.3389/fimmu.2018.01491
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanisms controlling nucleic acid-sensing Toll-like receptors. (2018)
  • Author(s): Miyake Kensuke、Shibata Takuma、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki、Saitoh Shin-Ichiroh、Fukui Ryutaro、Murakami Yusuke
  • Journal Title: Int Immunol Volume: 30 Pages: 43-51
  • DOI: 10.1093/intimm/dxy016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Herpes simplex virus 1 VP22 inhibits AIM2-dependent inflammasome activation to enable efficient viral replication (2018)
  • Author(s): Maruzuru Y, Ichinohe T, Sato R, Miyake K, Okano T, Suzuki T, Koshiba T, Koyanagi N, Tsuda S, Watanabe M, Arii J, Kato A, Kawaguchi Y.
  • Journal Title: Cell Host & Microbe. Volume: 23 Pages: 254-265
  • DOI: 10.1016/j.chom.2017.12.014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biallelic Variants in CNPY3 , Encoding an Endoplasmic Reticulum Chaperone, Cause Early-Onset Epileptic Encephalopathy (2018)
  • Author(s): Mutoh Hiroki、Kato Mitsuhiro、Akita Tenpei、Shibata Takuma、Wakamoto Hiroyuki、Ikeda Hiroko、Kitaura Hiroki、Aoto Kazushi、Nakashima Mitsuko、Wang Tianying、Ohba Chihiro、Miyatake Satoko、Miyake Noriko、Kakita Akiyoshi、Miyake Kensuke、Fukuda Atsuo、Matsumoto Naomichi、Saitsu Hirotomo
  • Journal Title: Am J Hum Genet. Volume: 102 Pages: 321-329
  • DOI: 10.1016/j.ajhg.2018.01.004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TLR7 mediated viral recognition results in focal type I interferon secretion by dendritic cells. (2017)
  • Author(s): Saitoh SI, Abe F, Kanno A, Tanimura N, Mori Saitoh Y, Fukui R, Shibata T, Sato K, Ichinohe T, Hayashi M, Kubota K, Kozuka-Hata H, Oyama M, Kikko Y, Katada T, Kontani K and Miyake K
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 8 Pages: 1592-1592
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01687-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Requirement of glycosylation machinery in Toll-like receptor responses revealed by CRISPR/Cas9 screening. (2017)
  • Author(s): Sato Ryota、Shibata Takuma、Tanaka Yu、Kato Chiharu、Yamaguchi Kiyoshi、Furukawa Yoichi、Shimizu Eigo、Yamaguchi Rui、Imoto Seiya、Miyano Satoru、Miyake Kensuke
  • Journal Title: International Immunology Volume: 29 Pages: 347-355
  • DOI: 10.1093/intimm/dxx044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Arl8b is required for lysosomal degradation of maternal proteins in the visceral yolk sac endoderm of mouse embryos. (2017)
  • Author(s): Oka M, Hashimoto K, Yamaguchi Y, Saitoh SI, Sugiura Y, Motoi Y, Honda K, Kikko Y, Ohata S, Suematsu M, Miura M, Miyake K, Katada T and Kontani K
  • Journal Title: J. Cell Sci. Volume: 130 Pages: 3568-3577
  • DOI: 10.1242/jcs.200519
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The protective effect of the anti-Toll-like receptor 9 antibody against acute cytokine storm caused by immunostimulatory DNA (2017)
  • Author(s): Murakami Y, Fukui R, Motoi Y, Shibata T, Saitoh SI, Sato R, Miyake K.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 44042-44042
  • DOI: 10.1038/srep44042
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emerging roles of the processing of nucleic acids and Toll-like receptors in innate immune responses to nucleic acids. (2017)
  • Author(s): Miyake K, Shibata T, Ohto U, Shimizu T
  • Journal Title: J. Leukocyte Biol Volume: 101 Pages: 135-142
  • DOI: 10.1189/jlb.4mr0316-108r
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selectivity of Human TLR9 for Double CpG Motifs and Implications for the Recognition of Genomic DNA (2017)
  • Author(s): Pohar J, Yamamoto C, Fukui R, Cajnko MM, Miyake K, Jerala R, Bencina M
  • Journal Title: The Journal of Immunology Volume: 198 Pages: 2093-2104
  • DOI: 10.4049/jimmunol.1600757
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interleukin-33 produced by M2 macrophages and other immune cells contributes to Th2 immune reaction of IgG4-related disease (2017)
  • Author(s): Furukawa S, Moriyama M, Miyake K, Nakashima H, Tanaka A, Maehara T, Iizuka-Koga M, Tsuboi H, Hayashida JN, Ishiguro N, Yamauchi M, Sumida T, Nakamura S
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 42413-42413
  • DOI: 10.1038/srep42413
  • NAID: 120006023386
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Guanosine and its modified derivatives are endogenous ligands for TLR7 (2016)
  • Author(s): Shibata T, Ohto U, Nomura S, Kibata K, Motoi Y, Zhang Y, Murakami Y, Fukui R, Ishimoto T, Sano S, Ito T, Shimizu T, Miyake K.
  • Journal Title: Int Immunol Volume: - Pages: 211-222
  • DOI: 10.1093/intimm/dxv062
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Marginal zone B cells exacerbate endotoxic shock via interleukin-6 secretion induced by Fcα/μR-coupled TLR4 signalling. , :, 2016 (2016)
  • Author(s): Honda S, Sato K, Totsuka N, Fujiyama S, Fujimoto M, Miyake K, Nakahashi-Oda C, Tahara-Hanaoka S, Shibuya K, Shibuya A
  • Journal Title: Nature Communications, Volume: 7 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/ncomms11498
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nucleic acid-sensing TLRs and autoimmunity: novel insights from structural and cell biology (2016)
  • Author(s): Pelka K, Shibata T, Miyake K, Latz E
  • Journal Title: Immunol Rev Volume: 269 Pages: 60-75
  • DOI: 10.1111/imr.12375
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autoinhibition and relief mechanism by the proteolytic processing of Toll-like receptor 8 (2016)
  • Author(s): Tanji, H., Ohto, U., Motoi, Y., Shibata, T., Miyake, K., & Shimizu, T.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 113 Pages: 3012-3017
  • DOI: 10.1073/pnas.1516000113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Crystal structure of NOD2 and its implications in human disease (2016)
  • Author(s): Maekawa S, Ohto U, Shibata T, Miyake K, Shimizu T
  • Journal Title: Na. Commun. Volume: 7 Pages: 11813-11813
  • DOI: 10.1038/ncomms11813
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural Analysis Reveals that Toll-like Receptor 7 Is a Dual Receptor for Guanosine and Single-Stranded RNA. (2016)
  • Author(s): Zhang Z, Ohto U, Shibata T, Krayukhina E, Taoka M, Yamauchi Y, Tanji H, Isobe T, Uchiyama S, Miyake K, Shimizu T
  • Journal Title: Immunity Volume: 45 Pages: 737-748
  • DOI: 10.1016/j.immuni.2016.09.011
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Mechanisms Controlling Innate Immune Responses to Nucleic Acids (2019)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 3rd annual Chiba-UCSD symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms Controlling Innate Immune Responses to Nucleic Acids (2018)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: International Union of Biochemistry and Molecular Biology 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms Controlling Innate Immune Responses to Nucleic Acids (2018)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: 51st annual meeting of the society for leukocyte biology and 15th biennial meeting of the international endotoxin and innate immunity society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms Controlling Innate Immune Responses to Nucleic Acids (2018)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 9th Asian congress of pediatric infectious diseases
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms Controlling Innate Immune Responses to Nucleic Acids (2018)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 47th annual meeting of the Japanese society for immunology
  • Int'l Joint Research / Invited