Studying molecular bases of alternative TLR responses

• Project/Area Number: 21H04800
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 49:Pathology, infection/immunology, and related fields
• 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): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2024: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2023: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2022: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2021: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
• Keywords: Toll様受容体 / 自然免疫 / リソソーム

Outline of Research at the Start

Toll様受容体 (Toll-like receptor, TLR) は病原体成分を認識し炎症応答を誘導するセンサーである。一部の自己成分にも応答し、自己免疫疾患など非感染性炎症疾患の病態にも関与する。これまでのTLR研究は炎症性サイトカインやI型インターフェロン産生など、炎症応答、感染防御反応の誘導に注目してきた。本研究では、これらの応答とは異なるTLR応答に焦点を当てる。その応答を代替応答と定義し、その応答の分子基盤を解析する。解析を通して、TLR代替応答という新たな概念の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

Toll様受容体 (Toll-like receptor, TLR) は病原体成分を認識し炎症応答を誘導するセンサーである。これまでのTLR研究は炎症性サイトカインの産生など、炎症応答に注目してきた。本研究では、炎症性サイトカイン産生とは異なる TLR応答に焦点を当て、その応答を代替応答と定義し、代替応答の分子基盤を解析する。TLR代替応答が関与する疾患としてリソソーム蓄積病に注目し、リソ ソームに蓄積した代謝産物がTLRを活性化し、病態を誘導する可能性を検討する。具体的には、ヌクレオシド、RNA、DNAがリソソームに蓄積するマウスを作成し、そのマウスにおいて、活性化されるTLR応答を解析する。本年度はヌクレオシドが リソソームに蓄積するSLC29A3異常症のモデルマウスの解析を進めた。SLC29A3遺伝子欠損マウスで認められる組織球症はTLR7依存性であることを示した。ヒトSLC29A3異常症では、TLR8が組織球症を誘導していることも示した。さらに、TLR7依存性マクロファージ増殖の分子基盤を明らかにするために、増殖に関わる分子の検索を進めた。その結果、FcRγとDAP10が関与する可能性が示された。そこでSLC29A3-/-マウスにおいて、これらの分子を欠損させると、脾腫は完全に消失し、マクロファージの増殖も検出されなかった。つまり、FcRγとDAP10がTLR7依存性マクロファージ増殖に必要であることが明らかになった。RNAがリソソームに蓄積するRNaset2-/-マウスについての解析も進め、関与するTLRを同定した。また、脾臓と肝臓に蓄積したマクロファージについて、RNAseq解析を行い、肝臓で蓄積しているマクロファージは脾臓で蓄積しているマクロファージと大きく異なる遺伝子発現プロファイルを示していることが明らかになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

リソソームにヌクレオシドが蓄積するSLC29A3異常症についての解析は当初の計画通り、進み、最初の論文をすでに報告した。SLC29A3異常症では、蓄積したヌクレオシドにより、TLR7、TLR8がそれぞれヒト、マウスで活性化され、マクロファージの増殖を誘導し、組織球症と呼ばれる病態を誘導することを報告した。さらにTLR7依存性のマクロファージ増殖にFcRγとDAP10が関わることも、SLC29A3-/-マウスにおいて、これらの分子を欠損させることで、示した。この結果も同じ論文で報告した。RNaseT2遺伝子欠損マウスについても、当初の計画通り、リソソームにおけるRNA蓄積によって活性化されるTLRの同定に成功している。センサーの同定と並行して、リソソームにRNAが蓄積しているかどうかについても検討した。脾臓や肝臓から調整したリソソーム画分を解析し、RNAの蓄積が確認できた。また、脾臓、肝臓で蓄積しているマクロファージのRNAseq解析もすでに終えている。その結果から、肝臓で蓄積しているマクロファージでは脾臓で蓄積しているマクロファージと大きく異なり、特定の転写因子群の活性化によるターゲット遺伝子群の発現が認められた。これらの遺伝子がどのようなマクロファージ応答を誘導するのかについても検討している。さらに、リソソームにDNAが蓄積するマウスとして、PLD3、PLD４の２重欠損マウス(PLD3/4遺伝子欠損マウス)も作成し、原因となるTLRを特定するべく、マウスの交配を進め、すでに関与するTLRの同定に成功しているが、すべての表現型が消失するわけではなかったので、TLR以外のセンサーについても、関与を調べるために、マウスの交配を進めている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの進捗を受けて、SLC29A3-/-マウスではTLR7が誘導する増殖応答の分子基盤解明を目指してゆく。特にFcRγやDAP10に会合し、TLR7依存性のマクロファージ増殖に関わる分子の同定を進める。また、今後は脾臓に加えて他の臓器にも注目する。例えば、唾液腺、膵臓、子宮などの臓器でもマクロファージの蓄積が確認されている。そこで、これらの臓器に注目し、マクロファージの蓄積による病態について検討する。そのために、組織学的な解析とFACS解析を並行して進め、マクロファージの解析とともに、他の浸潤している細胞についての解析も進める。必要であれば、それぞれの臓器からマクロファージを調整し、1細胞解析を進めて遺伝子プロファイルを調べる。臓器間の違いに注目することで、それぞれの臓器での病態に関わる遺伝子を絞り込めることが期待される。SLC29A3-/-マウスでは脾腫は認められても、肝臓の腫大は認められなかったが、RNaseT2-/-マウスでは脾臓だけでなく、肝臓も腫大したことから、その違いに注目する。そこで、マクロファージの脾臓における増殖応答をSLC29A3-/-マウスとRNaseT2-/-マウスで比較する。また、肝臓に蓄積したマクロファージに特異的に発現している遺伝子群についての解析も進める。特に活性化している転写因子群に注目して、誘導されているマクロファージ応答を検討する。PLD3/4遺伝子欠損マウスについても、すでに関与するTLRは同定しており、今後各臓器での病態について組織学的解析とFACS解析を進める。特に蓄積しているマクロファージについての解析を進め、SLC29A3-/-やRNaseT2-/-マウスと比較して検討する。

Research Products

• [Journal Article] A stress sensor, IRE1α, is required for bacterial-exotoxin-induced interleukin-1β production in tissue-resident macrophages (2024)
  • Author(s): I. Sasaki, Y. Fukuda-Ohta, C. Nakai, N. Wakaki-Nishiyama, C. Okamoto, D. Okuzaki, S. Morita, S. Kaji, Y. Furuta, H. Hemmi, T. Kato, A. Yamamoto, E. Tosuji, SI Saitoh, T. Tanaka, K. Hoshino, S. Fukuda, K. Miyake, E. Kuroda, KJ Ishii, T. Iwawaki, K. Furukawa, T. Kaisho.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 43 Issue: 4 Pages: 113981-113981
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113981
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] STING signalling is terminated through ESCRT-dependent microautophagy of vesicles originating from recycling endosomes. (2023)
  • Author(s): Kuchitsu Y, Mukai K, Uematsu R, Takaada Y, Shinojima A, Shindo R, Shoji T, Hamano S, Ogawa E, Sato R, Miyake K, Kato A, Kawaguchi Y, Nishitani-Isa M, Izawa K, Nishikomori R, Yasumi T, Suzuki T, Dohmae N, Uemura T, Barber GN, Arai H, Waguri S, Taguchi T.
  • Journal Title: Nature Cell Biology Volume: 25 Issue: 3 Pages: 453-466
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01098-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural basis for thioredoxin-mediated suppression of NLRP1 inflammasome (2023)
  • Author(s): Zhang Zhikuan、Shibata Takuma、Fujimura Akiko、Kitaura Jiro、Miyake Kensuke、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Volume: 622 Issue: 7981 Pages: 188-194
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06532-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TLR7 promotes smoke-induced experimental lung damage through the activity of mast cell tryptase (2023)
  • Author(s): Liu Gang、et al
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 7349-7349
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42913-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TLR3 forms a laterally aligned multimeric complex along double-stranded RNA for efficient signal transduction (2023)
  • Author(s): Sakaniwa Kentaro、Fujimura Akiko、Shibata Takuma、Shigematsu Hideki、Ekimoto Toru、Yamamoto Masaki、Ikeguchi Mitsunori、Miyake Kensuke、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 164-164
  • DOI: 10.1038/s41467-023-35844-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TLR7/8 stress response drives histiocytosis in SLC29A3 disorders (2023)
  • Author(s): Shibata Takuma、Sato Ryota、Taoka Masato、Saitoh Shin-Ichiroh、Komine Mayumi、（他16人）、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki、Ozawa Manabu、Yoshida Nobuaki、Isobe Toshiaki、Latz Eicke、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko、Hemmi Hiroaki、Akira Shizuo、Miyake Kensuke
  • Journal Title: Journal of Experimental Medicine Volume: 220 Issue: 9 Pages: 320230054-320230054
  • DOI: 10.1084/jem.20230054
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Aberrant monocytopoiesis drives granuloma development in sarcoidosis (2023)
  • Author(s): Hiranuma Ryosuke、Sato Ryota、Yamaguchi Kiyoshi、Nakamizo Satoshi、Asano Kenichi、Shibata Takuma、Fukui Ryutaro、Furukawa Yoichi、Kabashima Kenji、Miyake Kensuke
  • Journal Title: International Immunology Volume: 36 Issue: 4 Pages: 183-196
  • DOI: 10.1093/intimm/dxad054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extracellular aaRSs drive autoimmune and inflammatory responses in rheumatoid arthritis via the release of cytokines and PAD4 (2023)
  • Author(s): Kimura A, Takagi T, Thamamongood T, Sakamoto S, Ito T, Seki I, Okamoto M, Aono H, Serada S, Naka T, Imataka H, Miyake K, Ueda T, Miyanokoshi M, Wakasugi K, Iwamoto N, Ohmagari N, Iguchi T, Nitta T, Takayanagi H, Yamashita H, Kaneko H, Tsuchiya H, Fujio K, Handa H, Suzuki H.
  • Journal Title: Annals of the Rheumatic Diseases Volume: 82 Issue: 9 Pages: 1153-1161
  • DOI: 10.1136/ard-2023-224055
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IMPDH inhibition activates TLR‐VCAM1 pathway and suppresses the development of MLL‐fusion leukemia (2022)
  • Author(s): Liu Xiaoxiao、Sato Naru、Yabushita Tomohiro、Li Jingmei、Jia Yuhan、Tamura Moe、Asada Shuhei、 Fujino Takeshi、Fukushima Tsuyoshi、Yonezawa Taishi、Tanaka Yosuke、et al. O'Brien Eric、 Mizukawa Benjamin、Mulloy James C、Sugiura Yuki、Takizawa Hitoshi、Shibata Takuma、Miyake Kensuke、Kitamura Toshio、Goyama Susumu
  • Journal Title: EMBO Molecular Medicine Volume: 15 Issue: 1
  • DOI: 10.15252/emmm.202115631
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic dissection of TLR9 reveals complex regulatory and cryptic proinflammatory roles in mouse lupus (2022)
  • Author(s): Leibler Claire、John Shinu、Elsner Rebecca A.、Thomas Kayla B.、Smita Shuchi、Joachim Stephen、Levack Russell C.、Callahan Derrick J.、Gordon Rachael A.、Bastacky Sheldon、Fukui Ryutaro、Miyake Kensuke、Gingras Sebastien、Nickerson Kevin M.、Shlomchik Mark J.
  • Journal Title: Nature Immunology Volume: 23 Issue: 10 Pages: 1457-1469
  • DOI: 10.1038/s41590-022-01310-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of the orphan transporter SLC35E1 in the nuclear egress of herpes simplex virus 1 (2022)
  • Author(s): Fumio Maeda, Akihisa Kato, Kosuke Takeshima, Misato Shibazaki, Ryota Sato, Takuma Shibata, Kensuke Miyake, Hiroko Kozuka-Hata, Masaaki Oyama, Eigo Shimizu, Seiya Imoto, Satoru Miyano, Shungo Adachi, Tohru Natsume, Koh Takeuchi, Yuhei Maruzuru, Naoto Koyanagi, Jun Arii, Yasushi Kawaguchi
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: - Issue: 10 Pages: 10-10
  • DOI: 10.1128/jvi.00306-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cleavage of DNA and RNA by PLD3 and PLD4 limits autoinflammatory triggering by multiple sensors (2021)
  • Author(s): Gavin Amanda L.、Huang Deli、Blane Tanya R.、Thinnes Therese C.、Murakami Yusuke、Fukui Ryutaro、Miyake Kensuke、Nemazee David
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26150-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic control of nucleic-acid-sensing Toll-like receptors by the endosomal compartment. (2021)
  • Author(s): Miyake K, Saitoh S-I, Fukui R, Shibata T, Sato R, and Murakami Y.
  • Journal Title: International Immunology Volume: 33 Issue: 12 Pages: 835-840
  • DOI: 10.1093/intimm/dxab037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Skewed endosomal RNA responses from TLR7 to TLR3 in RNase T2-deficient macrophages (2021)
  • Author(s): Liu Kaiwen、Sato Ryota、Shibata Takuma、Hiranuma Ryosuke、Reuter Tatjana、Fukui Ryutaro、Zhang Yun、Ichinohe Takeshi、Ozawa Manabu、Yoshida Nobuaki、Latz Eicke、Miyake Kensuke
  • Journal Title: International Immunology Volume: 33 Issue: 9 Pages: 479-490
  • DOI: 10.1093/intimm/dxab033
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Immune disorders due to lysosomal nucleic acid stress (2023)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: The 2nd International Symposium of Clinical Immunology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lysosomal nucleic acid stress diseases (2023)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: JSICR/MMCB 2023 Joint Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リソソーム核酸ストレスと疾患 (2023)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: 日本外科代謝栄養学会第60回学術集会
  • Invited
• [Presentation] リソソーム核酸ストレスと疾患 (2023)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] マクロファージのリソソーム核酸ストレス応答によって誘導される疾患 (2022)
  • Author(s): 三宅 健介
  • Organizer: 第76回日本口腔外科学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] リソソーム核酸ストレスに対するマクロファージ応答によって誘導される疾患 (2022)
  • Author(s): 三宅 健介
  • Organizer: 第42回阿蘇シンポ ジウム
  • Invited
• [Presentation] Immune disorders due to lysosomal nucleic acid stress (2022)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The Japanese-German Immunology Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Diseases due to lysosomal nucleic acid stress (2022)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: Nucleic acid immunity meeting 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] RNA metabolism and RNA-sensing in the endosomal compartment (2021)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 27th international symposium on molecular cell biology of macrophages
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Histiocytosis due to lysosomal nucleic acid stress (2021)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 83rd annual meeting og Japanese society of hematology
  • Invited
• [Presentation] RNA metabolism and RNA-sensing in the endosomal compartment (2021)
  • Author(s): Kensuke Miyake
  • Organizer: The 16th meeting of the international endotoxin and innate immunity society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 核酸特異的Toll様受容体の活性制御機構とその破綻によるヒト疾患 (2021)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: 第6回ゲノム創薬・創発フォーラム
  • Invited
• [Presentation] Toll様受容体を介した病原体認識と炎症制御 (2021)
  • Author(s): 三宅健介
  • Organizer: 第42回日本炎症・再生医学会
  • Invited