リソソームにおける自己指向性核酸認識の分子構造基盤解明

• 研究領域: 生体防御における自己認識の「功」と「罪」
• 研究課題/領域番号: 22H05184
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 三宅 健介 東京大学, 医科学研究所, 教授 (60229812)
• 研究分担者: 清水 敏之 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 教授 (30273858) ; 淺原 弘嗣 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (70294460) ; 田岡 万悟 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (60271160)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 118,430千円 (直接経費: 91,100千円、間接経費: 27,330千円); 2024年度: 25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円); 2023年度: 25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円); 2022年度: 14,950千円 (直接経費: 11,500千円、間接経費: 3,450千円)
• キーワード: Toll様受容体 / 自然免疫

研究開始時の研究の概要

自然免疫系は非自己病原体ばかりでなく自己成分をも認識することが分かってきた。核酸特異的Toll様受容体(Toll-like receptor, TLR)は、病原体由来核酸に加えて組織損傷などの場合に放出される自己由来核酸にも応答し、様々な病態に関わる。この自己指向性核酸認識が「罪」の面ばかりでなく恒常性維持に貢献する「功」の側面も持つのか検討する。リソソームにヌクレオシド、RNA、DNAが蓄積し、病態を示すマウスを、機能的のみならず、構造生物学的、核酸化学的な観点も含めて解析し、TLRが担う自己指向性の生物学的意義の解明とTLRストレス応答という新たな概念の確立を目指す。

研究実績の概要

核酸特異的Toll様受容体(Toll-like receptor, TLR)は、病原体由来核酸に加えて組織損傷などの場合に放出される自己由来核酸にも応答し、様々な疾患の病態に関わる。TLRによる自己指向性核酸認識の持つ「功」および「罪」の面を検討する。リソソームにおける自己由来核酸に対するTLR応答を、機能的な観点のみならず、構造生物学的、核酸化学的な観点も含めて高解像度でかつ多角的に解析し、その応答の「罪」として組織球症を、「功」として炎症抑制、貪食・クリアランス、組織修復を解析する。これらの解析を通して、TLRが担う自己指向性の生物学的意義の解明とTLRストレス応答という新たな概念の確立を目指す。具体的には、リソソームにヌクレオシド、RNA、DNAが蓄積した状態における病態をマウスモデルで解析し、その病態に関わるTLR、および誘導される応答について解析を進める。ヌクレオシドに対する自己指向性TLR応答の功罪についての解析としては、リソソームにヌクレオシドが蓄積するSLC29A3遺伝子欠損マウスの解析を進め、TLR7依存性組織球症が誘導されることを明らかにした。さらにヒトではTLR8が組織球症を誘導することも示した。RNAに対する自己指向性TLR応答の功罪についての解析としては、RNAがリソソームに蓄積するRNaseT2欠損マウスの解析を進め、組織球症だけでなく肝臓の腫大も認められることを確認している。肝脾腫を引き起こすTLRの同定もすでに終えている。さらに、DNAに対する自己指向性TLR応答の功罪についての解析としては、エキソヌークリアーゼであるPLD3、PLD4の2重欠損マウスを解析し、マクロファージの蓄積による肝脾腫の発症を確認している。TLRの関与を検討するために、TLR欠損マウスと交配し、肝脾腫に関わるTLRの同定に成功している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ヌクレオシドに対する自己指向性TLR応答についての解析では、SLC29A3遺伝子欠損マウスにおいて、脾臓で蓄積したマクロファージのRNAseq解析を行い、増殖関連遺伝子の発現を検出したが、炎症関連遺伝子の発現は認められなかった。したがって、ヌクレオシドに対するTLR７応答は炎症とは異なる応答である可能性が示された。そこで、TLR7が増殖を誘導する際に必要な分子を検索し、FcRγとDAP10の関与が候補に挙がった。そこで、これらの分子を欠損させると、脾臓におけるマクロファージの増殖は完全に消失した。したがって、TLR7依存性マクロファージ増殖はTLR7に加えて、FcRγとDAP10が関わることが明らかになった。RNAに対する自己指向性TLR応答についての解析では、RNaseT2-/-マウスにおける肝脾腫を誘導しているTLRの同定に成功している。さらにリガンドとなるRNAが脾臓と肝臓から調整したリソソーム画分に野生型マウスに比べて多く蓄積しているという結果も得ている。脾臓、肝臓に蓄積したマクロファージについて、RNAseq解析を進め、増殖および炎症関連遺伝子の発現を解析していた。Pld3-/-Pld4-/-マウスにおいても、脾臓、肝臓の腫大を認めている。組織学的及びFACS解析よりマクロファージが脾臓、肝臓に蓄積していることを確認した。肝脾腫を誘導しているTLRの同定にも成功した。SLC29A3-/-マウスと同様に、肝臓、脾臓のマクロファージについて、RNAseq解析を進め、増殖関連遺伝子の発現を確認した。野生型マウスとの比較に加えて、脾臓と肝臓の違いにも注目して解析を進め、肝臓に蓄積したマクロファージにおいて、脾臓に蓄積したマクロファージには発現していない遺伝子群に注目して解析する。これまでの解析で、複数の転写因子のターゲット遺伝子の発現が確認されている。

今後の研究の推進方策

ヌクレオシド、RNA、DNAに対する自己指向性TLR応答については、順調に解析が進んでおり、引き続き、解析を進めてゆく。リソソームヌクレオシドストレスによる病態を示すSLC29A3-/-マウスについては、脾臓に加えて、唾液腺、膵臓、子宮でマクロファージの蓄積が確認されており、これらの臓器において、組織破壊の有無を組織学的に検討する。また、TLR7依存性マクロファージ増殖機構については、FcRγとDAP10に会合し、増殖誘導に関わる分子の検索を進める。リソソームRNAストレスについては、引き続き、RNaseT2-/-マウスの解析を進める。ヌクレオシドストレスと異なり、RNAストレスでは肝臓でもマクロファージの蓄積が認められている。そこで、肝臓におけるマクロファージの蓄積に注目して、解析を進めてゆく。すでに得ているRNAseq解析の結果から、肝臓に蓄積したマクロファージは脾臓に蓄積したマクロファージとは異なる遺伝子発現を示していることが分かっている。その遺伝子発現に関わる転写因子の同定を進める。すでに候補は絞り込んでおり、その転写因子が活性化されているのかどうか、ターゲット遺伝子のタンパク質発現を調べることで、検討する。リソソームDNAストレスについても、引き続き、Pld3-/-Pld4-/-マウスの解析を進める。DNAストレスの場合でも肝脾腫が認められている。そこで、肝臓、脾臓の組織学的およびFACS解析を進め、RNAストレスとの違いを検討する。さらに、肝臓、脾臓に蓄積したマクロファージのRNAseq解析も進め、RNAストレス、ヌクレオシドストレスで蓄積したマクロファージと比較することで、DNAストレスに特異的な遺伝子群の絞り込みを進めてゆく。

研究成果

• [雑誌論文] A stress sensor, IRE1α, is required for bacterial-exotoxin-induced interleukin-1β production in tissue-resident macrophages (2024)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 43 号: 4 ページ: 113981-113981
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113981
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Aberrant monocytopoiesis drives granuloma development in sarcoidosis (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiranuma Ryosuke、Sato Ryota、Yamaguchi Kiyoshi、Nakamizo Satoshi、Asano Kenichi、Shibata Takuma、Fukui Ryutaro、Furukawa Yoichi、Kabashima Kenji、Miyake Kensuke
  • 雑誌名: International Immunology 巻: 36 号: 4 ページ: 183-196
  • DOI: 10.1093/intimm/dxad054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extracellular aaRSs drive autoimmune and inflammatory responses in rheumatoid arthritis via the release of cytokines and PAD4 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Annals of the Rheumatic Diseases 巻: 82 号: 9 ページ: 1153-1161
  • DOI: 10.1136/ard-2023-224055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] STING signalling is terminated through ESCRT-dependent microautophagy of vesicles originating from recycling endosomes. (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 25 号: 3 ページ: 453-466
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01098-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TLR7 promotes smoke-induced experimental lung damage through the activity of mast cell tryptase (2023)
  • 著者名/発表者名: Liu Gang、et al
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 7349-7349
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42913-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TLR3 forms a laterally aligned multimeric complex along double-stranded RNA for efficient signal transduction (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakaniwa Kentaro、Fujimura Akiko、Shibata Takuma、Shigematsu Hideki、Ekimoto Toru、Yamamoto Masaki、Ikeguchi Mitsunori、Miyake Kensuke、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 164-164
  • DOI: 10.1038/s41467-023-35844-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TLR7/8 stress response drives histiocytosis in SLC29A3 disorders (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Experimental Medicine 巻: 220 号: 9 ページ: 320230054-320230054
  • DOI: 10.1084/jem.20230054
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for thioredoxin-mediated suppression of NLRP1 inflammasome (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Zhikuan、Shibata Takuma、Fujimura Akiko、Kitaura Jiro、Miyake Kensuke、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • 雑誌名: Nature 巻: 622 号: 7981 ページ: 188-194
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06532-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] The anti‐TLR4 monoclonal antibody Sa15‐21 enhances inflammatory cytokine production in LPS‐stimulated macrophages (2023)
  • 著者名/発表者名: Chowdhury Sajid Iftekhar、Inui Masanori、Yamazaki Tatsuya、Tomono Susumu、Takagi Hidekazu、Biswas Mrityunjoy、Saitoh Shin‐Ichiroh、Miyake Kensuke、Akashi‐Takamura Sachiko
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: - 号: 9 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14619
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] IMPDH inhibition activates TLR‐VCAM1 pathway and suppresses the development of MLL‐fusion leukemia (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: EMBO Molecular Medicine 巻: 15 号: 1
  • DOI: 10.15252/emmm.202115631
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genetic dissection of TLR9 reveals complex regulatory and cryptic proinflammatory roles in mouse lupus (2022)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Immunology 巻: 23 号: 10 ページ: 1457-1469
  • DOI: 10.1038/s41590-022-01310-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of the orphan transporter SLC35E1 in the nuclear egress of herpes simplex virus 1 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Virology 巻: - 号: 10 ページ: 10-10
  • DOI: 10.1128/jvi.00306-22
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Immune disorders due to lysosomal nucleic acid stress (2023)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: The 2nd International Symposium of Clinical Immunology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lysosomal nucleic acid stress diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: JSICR/MMCB 2023 Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] リソソーム核酸ストレスと疾患 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: 日本外科代謝栄養学会第60回学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] リソソーム核酸ストレスと疾患 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: 第42回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: 第76回日本口腔外科学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 三宅 健介
  • 学会等名: 第42回阿蘇シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Immune disorders due to lysosomal nucleic acid stress (2022)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Miyake
  • 学会等名: The Japanese-German Immunology Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Diseases due to lysosomal nucleic acid stress (2022)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Miyake
  • 学会等名: Nucleic acid immunity meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演