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、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。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。このTLR7の細胞内移行は形質細胞様樹状細胞において、I型インターフェロン(IFN)産生に重要であることが報告されていた。我々は、このTLR7の細胞内移行の分子基盤を解明し、今年度報告した。TLR7は低分子量Gタンパク質であるArl8bと会合しており、Arl8bがないと、核から細胞の末梢までの、いわゆるAnterogradeの細胞内移行ができなくなる。この細胞内移行のメカニズムとして、TLR7が活性化されると、細胞表面の細胞接着分子であるLFA-1が活性化され、LFA-1依存性に微小管が重合する。また、TLR7の活性化とともに、Arl8bを介してTLR7は重合した微小管と結合することで、細胞内を核周囲から細胞膜近傍にまで細胞内移行することを明らかにした。細胞の末梢に移行して初めて、I型IFN産生に関わるシグナル伝達分子であるmammalian target of rapamycin (mTOR)やTRAF3と会合できることも明らかとなった。これらの結果は、シグナル伝達経路の制御に、細胞接着やリソソームの細胞内移行が関与しているという大変ユニークな結果である。

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、TLR7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。現在、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を投稿している。TLR3のプロジェクトについては、現在TLR3の細胞内移行の分子基盤についての論文を投稿しており、リバイス中である。ヘルペスウイルス脳炎におけるTLR3の役割を加えるべく、現在実験を進めている。この論文の後に、TLR3と代謝との関係についての解析として、TLR3とmTORとの関係を解析してゆく予定である。TLR7のグアノシン認識については、予定していたリソソームでのヌクレオシドの濃度を制御する分子の遺伝子改変マウスの解析が順調に進み、すでに最初の論文の仕上げにかかっている。今後はTLR7のグアノシンに対する応答が、RNAや低分子剛性リガンドと異なるのかどうか、検討してゆく。RNase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。また、細胞株においても、さまざまなRNaseの発現を検討してゆくとともに、その遺伝子欠損細胞株を作成し、RNAセンサーへの応答に影響を及ぼすかどうか、検討する。
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の細胞内移行の分子基盤解析については、今後は自己免疫疾患におけるArl8bの役割を解析する論文を出したところで一区切りと考えている。TLR3については、TLR3とmTORとの関係についての解析を今年度中に終了し、論文として発表する予定である。今後の展開としては、TLR3の細胞内移行に関与する分子基盤について、さらに解析を進める。リソソームの移行によってI型インターフェロン(IFN)産生が大きく影響されることは既に明らかとなった。これに加えて、TLR3の移行と応答の関係を検討する。特にTLR3の細胞内移行に必須の分子であるUnc93B1の役割に注目して進める。TLR7のグアノシン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。また、今後の展開として、ヒトにおける解析を必要となる。そこで、ヒトの解析のための準備を進める。具体的には倫理的な申請を進めるとともに、ヒトTLR7に対するモノクローナル抗体の作成も進めてゆく。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作成を終了し、解析を進めている。この表現型にTLRが関与する可能性を考慮して、TLRの遺伝子欠損マウスと交配を進めている。そのほかのRNaseについては、遺伝子欠損マクロファージ細胞株を作成しており、準備ができ次第解析を進める。この解析についても順調に進んでいる。これらの実験に加えて、新たにリソソームでの核酸代謝に関与する酵素群についても解析を進めている。例えば、Phosphataseなどである。これらのついても、遺伝子欠損細胞株を作成し、その結果を見たうえで、必要であれば、遺伝子欠損マウスの作成を進める。

Research Products

• [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 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
• [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
• [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
  • NAID: 120005767132
  • 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