ポイント
- 体内に侵入してきた微生物のＤＮＡ配列を感知して、自然免疫応答を引き起こすたんぱく質の１つである、Ｔｏｌｌ様受容体９（ＴＬＲ９）の新しいＤＮＡ結合部位を明らかにした。
- ＴＬＲ９の活性化機構は不明な点が多く残されていたが、詳細な活性化機構を明らかにした。
- ＴＬＲ９を標的とした、抗ウイルス薬、抗アレルギー薬、ワクチンの開発につながることが期待される。
東京大学 大学院薬学系研究科の大戸 梅治 准教授、石田 英子 特任研究員、清水 敏之 教授、東京大学 医科学研究所の柴田 琢磨 助教、三宅 健介 教授らの研究グループは、微生物の侵入を感知して免疫系を活性化するＴｏｌｌ様受容体９（ＴＬＲ９）と呼ばれるたんぱく質の新しいＤＮＡ結合部位を明らかにしました。
細菌やウイルスなど病原体の感染を防ぐ仕組みとして、私たちの体には自然免疫機構が備わっており、Ｔｏｌｌ様受容体（ＴＬＲ）と呼ばれるたんぱく質は主要な役割を担うセンサーの１つです。ＴＬＲ受容体の一種であるＴＬＲ９は、微生物由来のＤＮＡ配列（ＣｐＧモチーフ）注１）を感知することで、インターフェロン注２）などの産生を促します。ＴＬＲ９は、抗ウイルス薬やアレルギー薬などの創薬の標的として注目されていますが、活性化機構には不明な点が多く残されていました。
研究グループは、これまで知られているＣｐＧモチーフ配列を持つＤＮＡに加えて、末端から２番目にシトシンを持つＤＮＡがＴＬＲ９の活性化に重要であることを示しました。構造解析と生化学実験の結果、新しく見いだしたＤＮＡ配列がＣｐＧモチーフ配列を持つＤＮＡとは異なる部位に結合し、ＴＬＲ９とこれら２種類のＤＮＡが２対２対２の比率で結合することで、ＴＬＲ９が効率的に二量体を形成し活性化する機構を明らかにしました。
ＴＬＲ９受容体の詳細な活性化機構が明らかになったことで、今後、抗ウイルス薬、アレルギー薬、ワクチンなどの治療薬の設計につながると期待されます。
本研究成果は、２０１８年４月３日（米国東部標準時間（夏））に米国科学雑誌「Ｉｍｍｕｎｉｔｙ」オンライン版に掲載されます。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）、科学研究費補助金、公益財団法人 武田科学振興財団助成金、公益財団法人 持田記念医学薬学振興財団助成金、公益財団法人 上原記念生命科学財団、公益財団法人 内藤記念科学振興財団などの外部資金支援を受けて行われたものです。
＜研究の背景と経緯＞
細菌やウイルスなどの病原体に対する感染防御機構として、我々の体には自然免疫機構が備わっており、ＴＬＲ受容体はその役割を担う主要なセンサーの１つです。ＤＮＡ中に存在するシトシンとグアニンがホスホジエステル結合でつながった配列はＣｐＧモチーフと呼ばれ、哺乳類ではメチル化されることが多いのに対して、細菌やウイルスではメチル化されないことが分かっています。微生物由来の非メチル化ＣｐＧモチーフはＴＬＲ９を強く活性化してインターフェロンなどの産生を促し、抗ウイルス反応などを引き起こします。このために、ＴＬＲ９はウイルス感染やアレルギーに対する治療薬やワクチンのアジュバント注３）などのターゲットとして注目されています。本研究グループはこれまでにＣｐＧモチーフが結合した状態のＴＬＲ９の構造解析に成功していました。しかし、ＣｐＧモチーフだけではＴＬＲ９を十分活性化することはできず、ＴＬＲ９の活性化機構には依然として不明な点が多く残されていました。
＜研究の内容＞
本研究グループは、ＣｐＧモチーフに加えて、５＇末端から２番目にシトシン塩基を持つＤＮＡ（５＇ＸＣＸモチーフ）がＴＬＲ９に結合することを見いだしました。ＴＬＲ９にまずＣｐＧモチーフを持つＤＮＡが結合し、さらに５＇ＸＣＸモチーフを持つＤＮＡが結合することで、ＴＬＲ９が効率的に二量体化し活性化することを明らかにしました。
大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８および高エネルギー加速器研究機構Ｐｈｏｔｏｎ Ｆａｃｔｏｒｙの強力なＸ線を用いて、これらの２種類のモチーフを持つＤＮＡが結合したＴＬＲ９のＸ線結晶構造解析注４）に成功しました。構造解析の結果、ＴＬＲ９、ＣｐＧモチーフＤＮＡ、５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡは２対２対２の比率で結合し、ＴＬＲ９は活性化型の二量体構造を形成していました（図１）。さらに、５＇ＸＣＸはＣｐＧモチーフＤＮＡとは異なる部位に結合して、その２番目のシトシン塩基部分がＴＬＲ９と多くの相互作用を形成することでＴＬＲ９の二量体を安定化させていました。
興味深いことに、５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡの結合部位は、ＴＬＲ７やＴＬＲ８においてヌクレオシドが結合する部位に相当していました（図２）。ＴＬＲ７およびＴＬＲ８では、グアノシンやウリジンなどのヌクレオシドと一本鎖ＲＮＡがそれぞれ別の場所に結合することで活性化されることが分かっています。本研究により、これまでＣｐＧモチーフＤＮＡによって活性化すると考えられてきたＴＬＲ９が、実はＣｐＧモチーフＤＮＡと５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡという２種類のＤＮＡによって、ＴＬＲ７やＴＬＲ８と同じように協調的に活性化されることが明らかになりました（図３）。
＜今後の展開＞
微生物由来のＣｐＧモチーフを認識するＴＬＲ９は抗ウイルス薬やワクチンのアジュバントなどの創薬上重要なターゲットとされています。これまで、ＴＬＲ９を活性化するさまざまなＤＮＡ配列が報告されていましたが、そのＣｐＧモチーフの有無だけではその活性化を説明できませんでした。本研究により、ＴＬＲ９が２種類のＤＮＡ配列モチーフによって活性化されることが明らかにされたことで、ＴＬＲ９をターゲットとした治療薬の開発が進むものと期待されます。
＜参考図＞
図１ ＴＬＲ９とＣｐＧおよび５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡとの複合体構造
- （中央図）二量体を構成している２つのＴＬＲ９分子の一方を無印のＴＬＲ９（緑色で示す）、他方を＊付してＴＬＲ９＊（青色で示す）と表記する。
- （左図）ＣｐＧモチーフ結合部位および（右図）５＇ＸＣＸモチーフ結合部位の拡大図。
たんぱく質部分を半透明の表面図で示す。
図２ ＴＬＲ９とＴＬＲ７／８の活性化型二量体構造の比較
- （左図）ＴＬＲ９とＣｐＧモチーフＤＮＡおよび５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡとの複合体構造。
- （中央図）ＴＬＲ７と一本鎖ＲＮＡ（ＵＵＵ）およびグアノシンの複合体構造
（ＰＤＢ ＩＤ：５ＧＭＦ）。
- （右図）ＴＬＲ８と一本鎖ＲＮＡ（ＵＧ）およびウリジンの複合体構造
（ＰＤＢ ＩＤ：４Ｒ０７）。
図３ ＴＬＲ９の活性化機構
ＣｐＧモチーフＤＮＡおよび５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡによるＴＬＲ９の活性化モデル。ＣｐＧモチーフＤＮＡが結合したＴＬＲ９の二量体化および活性化能は弱いが、そこにさらに５＇ＸＣＸモチーフＤＮＡが結合することで二量体化および活性化が増強される。
＜用語解説＞
- 注１）ＣｐＧモチーフ
- ＤＮＡ中に存在するシトシンとグアニンがホスホジエステル結合でつながったＤＮＡ配列。哺乳類ではメチル化されることが多いのに対して、細菌やウイルスではメチル化されていない（非メチル化）ことが知られている。非メチル化ＣｐＧモチーフはＴＬＲ９を強く活性化してさまざまな免疫応答を引き起こす。
- 注２）インターフェロン
- 細菌やウイルスなどの病原体の侵入に対して免疫系の細胞が分泌するたんぱく質で、ウイルスの増殖を抑制する作用や免疫系を活性化する作用を発揮する。
- 注３）アジュバント
- 抗原と混合して生体に投与することで、投与した抗原に対する免疫応答を増強する物質のことで抗原性補強剤とも呼ばれる。
- 注４）Ｘ線結晶構造解析
- 物質の構造を解析する手法の１つ。調べたい物質の結晶に対してＸ線を照射して、そこから散乱されたＸ線の強度を観測し解析することで最終的に結晶中の物質の構造を知ることができる。
＜論文情報＞
| タイトル |
“Toll-like receptor 9 contains two DNA binding sites that function cooperatively to promote receptor dimerization and activation” |
| doi |
10.1016/j.immuni.2018.03.013 |
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
大戸 梅治（オオト ウメハル）
東京大学 大学院薬学系研究科 薬学専攻 准教授
Tel：03-5841-4842 Fax：03-5841-4891
E-mail：
URL：http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~kouzou/index.html
清水 敏之（シミズ トシユキ）
東京大学 大学院薬学系研究科 薬学専攻 教授
Tel：03-5841-4840 Fax：03-5841-4891
E-mail：
URL：http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~kouzou/index.html
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
川口 哲（カワグチ テツ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部
Tel：03-3512-3524 Fax：03-3222-2064
E-mail：
＜報道担当＞
東京大学 大学院薬学系研究科 庶務チーム
Tel：03-5841-4719 Fax：03-5841-4711
E-mail：
科学技術振興機構 広報課
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
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