コラム

核酸とToll様受容体/Toll like receptor(TLR)の仕事について 2019.1.10 更新

投稿日:2018年12月31日 更新日:

前回は、ヘルペスウイルスが人体の免疫系の裏をかくための4つの機序をまとめましたが、それだけでは十分理解できないと思いますので、今日はヘルペスウイルスがどのようにして人間の免疫を逃れるのか、もっと詳しくわかりやすく説明し直しましょう。

生命の起源は地球誕生の46億年前から生命誕生の38億年以上前に出来上がったRNA誕生であります。RNAは自己増殖とタンパク(酵素)を作ることができるので、RNAは生命そのものと考えられます。RNAは生命の設計図と考えられていますが、単なる設計図ではなくて、同時に設計士であり、建築士であり、大工さんであり、電気屋であり、組立工の全てを行うことができた生命体そのものであり、生命の元であります。遺伝子こそ生命の根源であります。だからこそこの生命の元が38億年前に原核生物を作り始めたのであります。私のような考え方を「RNAワールド仮説」といいます。生命の発祥はRNAから始まったと考える「RNAワールド仮説」について少し触れておきましょう。

RNAワールドとは遺伝子であるRNAが原始地球上に存在したと仮定され、RNA から始まる自己複製系の世界が展開し、現生生物へと進化したという仮説をRNA ワールド仮説と呼びます。これに対して「プロテインワールド仮説」があり、この仮説は、まずアミノ酸ができ、重合してポリペプチド、さらにタンパク質が作り出され、このタンパク質が酵素として働き触媒となり、様々なタンパク質を作り、最後は生命を作り出したという仮説です。この2つの仮説は「ニワトリが先か、卵が先か」の論争に似ていますが、いずれにしろ核酸もタンパク質も結局は生命そのものであることを主張しています。

RNAワールド仮説はどうして強い支持を得たのでしょうか?それは自己スプライシングを起こすイントロンの発見やRNAウイルスであるレトロウイルスによる逆転写酵素の発見により、RNA が遺伝情報と酵素活性の両方を持ちうることが証明されたからです。イントロンは遺伝子情報を担っていない遺伝子であります。さらにどのようにしてRNAワールドからDNAワールドへと進化していったのでしょうか?それはRNAがはじめに持っていたタンパク合成に必要な触媒の働きをタンパク質に移行し、RNAはタンパク質の配列を示す遺伝暗号としての機能を持つようになったのです。ところがRNAが不安定な分子なので、RNAからDNAが遺伝暗号としての機能を担うようになり、今私たちのDNAワールドに進化したのであります。どうしてRNAが不安定な分子であるかについては後で詳しく書きます。

なぜ私が生命の発祥にこだわるのでしょうか?それはDNAウイルスであるヘルペスウイルスよりもはるかに手ごわいのはRNAウイルスであるからです。例えばヘルペスウイルスの流行のために人が死んだという話はほとんど聞かないでしょう。ところがRNAウイルスであるインフルエンザウイルスやC型肝炎ウイルスによって人体がどれだけ失われてきたかについても、皆さんに理解してもらいたいためです。特に1918年〜1919年にかけて世界的に流行(パンデミック)したスペイン風邪(A型インフルエンザ)によって、感染者は5億人、死者は5000万人〜1億人という多くの尊い人命が失われたことはご存知でしょう。

どうしてRNAウイルスであるインフルエンザウイルスが猛威を振るうのかを根本的に説明してみましょう。先ほど書いたように、RNA遺伝子そのものが不安定でしょっちゅう突然変異を起こしてしまうからです。不安定であるということは、遺伝子が正確にコピーされないということです。遺伝子が正確に複製されないということは、遺伝子が作るタンパクが複製されるたびに変わるということです。作られるタンパクが変わるということは、言い換えるとRNA遺伝子が増殖するたびごとに自然にミューテーション(突然変異)が生じ、ミューテーションした遺伝子が作るタンパクを免疫が、とりわけキラーT細胞が認識できなくなるということです。そのメカニズムを詳しく書きましょう。

RNAウイルスの代表であるインフルエンザウイルスは、まず様々な細胞に感染します。大食細胞や樹状細胞にも感染します。もちろん大食細胞や樹状細胞は、異物や病原体を貪食する仕事もあるので、ウイルスに感染される前にウイルスを食べて殺すこともできます。ところが感染と貪食の違いがどのように起こるのかについて誰も研究しておりません。いずれにしろウイルスは細胞に住まなければ絶対に増殖できないので、様々な細胞に入り込みます。免疫系が侵入したインフルエンザウイルスを殺すためには、必ず免疫細胞がインフルエンザウイルスを認識しなければなりません。大食細胞や樹状細胞や好中球は様々な病原体を認識するためのPRR(Pathogen recognition receptorとかpattern recognition receptorの頭字語です)といわれる受容体を持っています。病原体の何を認識するのでしょうか?病原体だけが持つ特徴的なPAMP(Pathogen-associated molecular pattern)やDAMP(Damage-associated molecular pattern)といわれるパターン分子であります。このようなパターン化された一群の分子を認識できるPRRを持っているのは大食細胞や樹状細胞や好中球であります。これらの細胞のPRRは、TLR(Toll Like Receptor)が代表であります。現在知られているTLRは11種類あります。特に7番目のTLRは、インフルエンザウイルスが持っている一重鎖RNAのパターンを見つけ出すことができるのです。

TLRは、宿主にはないけれども病原体には常に存在している特異的なパターンを認識します。したがってTLRは、細菌表面のリポ多糖(LPS)、リポタンパク質、鞭毛のフラジェリン、ウイルスの二本鎖RNAや、細菌やウイルスのDNAに含まれる非メチル化CpGアイランド(宿主である人間のDNAのCpG配列はメチル化されているので区別できるのです)などを認識するようにできています。CpGのCはシトシンであり、Gはグアニンという塩基です。pは、CとGがホスホジエステル結合しているという意味です。ホスホジエステル結合をしていると言っても理解できないでしょう。もう少し説明しましょう。ついでにRNAとDNAを合わせて核酸といいますから、そもそも核酸とは何者であるかを思い切って原点に戻って勉強しましょう。

 核酸は、今述べたようにリボ核酸 (RNA)とデオキシリボ核酸 (DNA)の総称です。左に核酸の一部を図示しておきましょう。核酸は、塩基と糖でできたヌクレオシドが、リン酸が1つ結びつくことによってヌクレオチドになります。Pのある部分がリン酸であり、五角形の部分が五炭糖であり、Nが含まれている部分が塩基(核酸塩基)であります。左の図の塩基と糖が結びついたヌクレオシドが1つのリン酸と2つの糖(五炭糖)がホスホジエステル結合で結びつけられてヌクレオチドになります。このヌクレオチドが連なって出来上がった生体高分子が核酸であります。それではホスホジエステル結合(リン酸2エステル結合)から詳しく説明していきましょう。

 まずリン酸エステル結合は、リン酸とアルコールと反応して、水が取れて残りが結合する反応をリン酸エステル結合と言います。この反応を脱水縮合反応といい、出来上がった新しい物質をエステルといいます。それではまず縮合反応とは何であり、かつエステル結合反応とは何であるかを説明しましょう。

 縮合反応は、英語でCondensation reactionといいます。2つの物質の2つの官能基(反応基)からそれぞれ1部分が分離し、それが結合して小さな分子を形成して脱離し、それと同時に2つの官能基の残った部分同士で結合が生じ、新しい物質が生成される反応のことです。したがって脱水縮合反応を付加脱離反応ともいいます。例えばカルボキシ基(−COOH)とヒドロキシ基(−OH)の縮合反応では、カルボキシ基からOH、ヒドロキシ基からはHが分離して結合し水分子が脱離します。それと同時に残ったカルボキシ基の(−CO)の部分とヒドロキシ基の(−O)の部分も結合してエステル結合(−COO−)が生成します。ところがリン酸はヒドロキシ基(−OH)を持っていますが、アルコールではありません。しかもカルボキシル基(−COOH)もありません。一方、五炭糖はヒドロキシ基(−OH)も持っていますし、アルコールといってもいいのですが、カルボキシル基(−COOH)は持っておりません。にもかかわらず、なぜリン酸と五炭糖が結びつくのをエステルというのでしょうか?しかもリン酸1個と五炭糖2個がリン酸で結合しても、(−COO−)という結合はないのにもかかわらず、ホスホジエステル結合といわれています。定義には合わないのですが、このリン酸と五炭糖の結合をリン酸エステル結合と言われています。

いずれにしろリン酸(O=P(OH)3)とアルコールの反応で生じるのをリン酸エステルというのです。五炭糖はOHを持っていますから、アルコールなのです。リン酸(O=P(OH)3)が持っている3個の水素の全てまたは一部が有機基(五炭糖)で置き換わった構造を持っているのが有機リン酸エステルです。水素との置換の数が1, 2, 3個のものを順にリン酸モノエステルリン酸ジエステルリン酸トリエステルと呼び、リン酸エステルとはこの3つのの総称になるのです。ちなみにリン酸は、リンのオキソ酸の一種で、化学式H3PO4 の無機酸であります。オキソ酸というのは、上のリン酸の図を見てお分かりのように、リン酸のようにリン(P)にヒドロキシ基(-OH)とオキソ基(=O)が結合している酸のことです。

まとめますと、ホスホジエステル結合というのは、リン酸のOHと五炭糖のカルボニル基(C=O)と結合したものです。「ホスホ」は「リン酸」という意味で、かつ「ジ」というのは「2つ」という意味で、かつ「エステル」というのは、カルボン酸とアルコールの反応で生じるものであり、日本語で「リン酸ジエステル」というのは上で説明しました。

先ほど上で述べたように、DNAの基本は塩基と五炭糖とリン酸の3つが結びついてヌクレオチドになっております。五炭糖の部分がリボースであるものがRNA、上の図のリボースの2’位の水酸基(OH)から酸素(O)が取れて水素基(H)に置換されると2-デオキシリボースとなり、これをDNAといいます。つまりRNAとDNAの違いはただ一つ、五炭糖の2’の炭素に酸素がついているかないかの違いだけです。RNAは2’位が水酸基(OH)であるため、水と反応して加水分解を受けやすいので、DNAよりも反応性が高く、熱力学的に不安定であります。五炭糖の1’位には塩基(核酸塩基)が結合しています。さらに糖の3’位と隣の糖の5’位はリン酸エステル構造で結合しており、その結合が繰り返されて長い鎖状になります。DNAの転写や翻訳は5’位から3’位への方向へ進みます。糖鎖(五炭糖)の両端のうち、5’にリン酸が結合して終わりになっている側の方を5’末端といい、一方、反対側のDNAの終わりになっている部分を3’末端と呼んで区別しています。また、隣り合う核酸上の領域の、5’側を上流、3’側を下流といいます。

念のために書いておきますが、核酸は塩基と五炭糖とリン酸の3つの要素から成り立っていることを忘れないでください。繰り返しますが、核酸は、リボ核酸 (RNA)とデオキシリボ核酸 (DNA)の総称で、塩基と糖、リン酸からなるヌクレオチドがホスホジエステル結合で連なった生体高分子であります。

核酸の復習はここまでにして、TRLに戻りましょう。

TLRは特定の分子を認識するのでなく、上記のようなある一群の分子を認識するパターン認識受容体の一種であります。インフルエンザウイルスを認識するTLR7は、phago-lysosomeという膜に存在しております。このphago-lysosome とは何なのでしょうか?まずphagosomeというのは、大食細胞がインフルエンザウイルスを貪食したときに包み込む袋であります。それではlysosomeとはなんでしょうか?インフルエンザウイルスを加水分解して破壊することができる酸性の小器官であります。それではphago-lysosome とは何でしょうか?phagosomeとlysosomeが一体になったものです。一体になるとインフルエンザウイルスを取り込んだphagosomeが、lysosomeと一体となると、lysosomeに含まれている加水分解ができる酵素によってインフルエンザウイルスが破壊されてしまうのです。インフルエンザウイルスが破壊された時に、インフルエンザの様々なタンパクがペプチドに分解され、インフルエンザの遺伝子であるRNAも分断されてしまいます。

それでは、一番大切なTLR(Toll Like Receptor)の仕事について勉強しましょう。インフルエンザウイルスをTLR7で認識した後、その情報はどのようにTLR(Toll Like Receptor)を持っている大食細胞や樹状細胞や好中球の核に伝わるのかについてであります。言い換えると、この情報が大食細胞や樹状細胞などの核に伝わった後、どのような遺伝子を発現するのでしょうか?

 極めて難しいですが、まとまった文章を提示しておきます。さらにToll様受容体(TLR)のうち、TLR1、TLR2、TLR3、TLR4、TLR5、TLR6、TLR7、TLR8、TLR9、TLR11、の合計10個のTLRが認識した敵を処理するためにどのようにその情報(signal)を核まで伝えるかという図を左に示し、かつ14種類の酵素やその他のタンパク質やその働きや他の目的の英語の表示と、さらに矢印で指示された11種類のsignalの伝達経路も含めて表示しておきましょう。もちろん皆さんにとっては、一生かかっても理解できないものですが、私自身の勉強のために掲示しておきました。私は全てを完全に理解しておりますが、皆さんにもわかるように機会があれば必ず詳しい解説をいずれするつもりです。この図を完全に理解すれば、免疫のシグナル伝達についての理解は終わったといっても過言ではないのです。TLRは自然免疫のレセプターでありますが、また自然免疫で大事なあらゆるサイトカインのレセプターの働きも、かつ高等免疫であるT細胞やB細胞のレセプターの働きとシグナル伝達の理解も極めて難しいのでありますが、TLRの全てを理解すれば免疫の全てを理解したといって良いからです。

まず簡単にTLRのシグナルについて文章を掲載しておきます。その文章は略語が多すぎて何がなんだかさっぱりわからないでしょうから、それについても少しだけ解説してTLRについての話は終わりにしておきます。いずれ必ず戻ることになるでしょうが。なぜならばTLRを完全に理解しなければ、他の高等免疫は絶対に理解することができないからです。興味のある人は下の文章をざっと読んでおいてください。

Toll様受容体(TLR) は、すでに述べたように、ウイルスや細菌などの病原体が持っている特有の分子パターンを認識し、自然免疫応答において最も重要な役割を果たします。これらの受容体は侵入してくる病原体に対する最初の防衛に関与するのみならず、また、炎症、免疫細胞の調節、免疫細胞の生存及び免疫細胞の増殖においても重要な役割を果たしています。すでに述べたように、11種類のTLRファミリーメンバーが同定されています。そのうち、TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6が細胞表面に存在し、TLR3、TLR7、TLR8、TLR9がendosome-lysosome(エンドソーム-リソソーム)に存在します。endosome-lysosome(エンドソーム-リソソーム)は、上に述べたphago-lysosome(phagosome-lysosome)と今のところ同じものだと考えておいてください。

TLRシグナル伝達経路の活性化は、細胞質側のToll/IL-1受容体(TIR)ドメインから開始されますが、これはToll/IL-1受容体(TIR)ドメインを持つアダプタータンパク質のMyd88(Myeloid differentiation primary response 88)と会合します。ドメインやアダプターの意味は年明けに詳しく書きます。リガンドの刺激を受けるとすぐに、Myd88はIL-1受容体結合キナーゼ-4(interleukin-1 receptor-associated kinase 4略してIRAK-4) をTLRに呼び寄せますが、これは、両者に存在する細胞死ドメイン間の相互作用によって起こります。キナーゼはタンパクのアミノ酸にリン酸をつけることです。リン酸が引っ付くとそのタンパクは活性化されるのです。

リン酸化によって活性化されたinterleukin-1 receptor-associated kinase 1(IRAK-1)は、次に TNF receptor associated factor 6(TRAF6)と会合し、最終的にはMAPキナーゼ(JNK、p38 MAPK) 及びNF-κBの活性化に至ります。MAPキナーゼについても来年詳しく書きます。Toll interacting protein(Tollip)及びIRAK-M(IRAK-3)はIRAK-1と相互作用してTLRを介するシグナル伝達経路を負に調節します。負に調節するということは、TLRを介するシグナル伝達経路を抑制してしまうということです。つまりTLRからのシグナルが核に伝わらなくなるということです。IRAK-MはIRAK-3と同じものです。

この他、これらの経路の調節の様式には、キナーゼの受容体共役タンパク質1(Receptor-interacting protein 1略して RIP1)によるTIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β(TRIF)依存的なTNF receptor associated factor 6(TRAF6)の誘導や、an E3 ubiquitin-protein ligase regulating Toll-like receptors(TRIAD3A)、及びSuppressor of cytokine signaling 1(SOCS1)による下流のシグナル伝達を介した TIR domain-containing adapter protein(TIRAP)の負の調節があります。負の調節というのは、先ほど述べたようにこれまで伝わってきたシグナルが核に行かなくなってしまうのです。Myeloid differentiation primary response 88(Myd88)非依存的な経路には、IRF3の活性化とインターフェロン-β(INF-β) の発現があります。 TIR domain-containing adapter protein(TIRAP)、TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β(TRIF)、及びTRIF-related adaptor molecule (TRAMと略します。またTICAM2ともいわれます)のようなTIRドメインを含むアダプターは、それぞれのTLRシグナルカスケードに対して特異性を持たせながら、TLRを介したシグナル伝達経路を調節します。アダプターやドメインについてはいずれ詳しく書きます。アダプターとドメインは同じ仕事をすると考えてください。つまりシグナル伝達の中継地だと考えてください。TRAMはTICAM2と同じでありますが、TICAM2はTIR domain-containing adapter molecule 2 の略です。私自身は以上の文章の意味は完全に理解していますが、皆さんにとっては極めて難しいことでしょう。

皆さん、とにかくTLRの働きはいうまでもなく自然免疫に属しますが、いかに複雑かつ精巧であるかがお分かりになったでしょう。自然免疫の頂点はTLRでありますが、その働きは高等免疫にも負けない作用があるのです。私はなぜこんな難しいものをインターネットに書くつもりになったかというと、私自身が勉強したいと思ったからです。とにかく臨床医も研究医も免疫学をほとんど理解しないで創薬のことばかりを語ります。いつも言っているように、創薬は38億年かけて進化した免疫の遺伝子が作るタンパクが最高であることを理解してもらいたいという願いを込めて勉強し続けています。

今日は実は、数多くのオプジーボの副作用がヘルペスとの戦いで生じたということを既に述べたのですが、その副作用の一つ一つがどのようにしてヘルペスとの戦いによって生じたのかについて詳しく述べるつもりだったのですが、次回に回します!

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