自然免疫細胞におけるシグナル調節機構

全文

(1)12. Dental Medicine Research 34 （1）：12 16, 2014. 総説. 自然免疫細胞におけるシグナル調節機構桑田啓貴要旨：過去 10 年，免疫学では自然免疫系分野における進展が目覚しい．自然免疫はマクロファージや好中球，樹状細胞などの貪食系細胞が主役の免疫細胞集団である．自然免疫細胞は炎症応答を引き起こすことによってもう一つの免疫系である獲得免疫系の活性化を促す．これら二つの免疫系の緊密な相互作用によって我々の体は病原性微生物の攻撃から保護されている．この時，マクロファージ活性化のオン・オフは厳密にコントロールされる必要がある．前半では，転写因子レベルや受容体レベルなど様々な仕組みの制御メカニズムについて概説する．また，自然免疫には体の中のゴミ掃除など感染防御以外にも重要な役割を有しており，通常とは異なる分化誘導の存在が議論されているが，詳細なメカニズムはまだ不明である．後半では今後免疫研究の中心課題となるオルタナティブマクロファージの分化機構について概説する．. はじめに「自然免疫系の発見」. センス（認知）するための無数のセンサー，すなわち. 我々の体には様々な微生物が生息しており，その中に. 受容体を細胞表面に発現している．自然免疫系で最も重. は病原性微生物も多く含まれる．このように絶えず外界. 要なセンサーの一つが Toll like receptor（以下 TLR）で. からの刺激にさらされているにもかかわらず，通常の健. ある．自然免疫細胞による微生物構成成分の認識メカニ. 康体では宿主免疫系が微生物の侵入を防いでいる．高等. ズムは永らく不明であったが，ハエにおける TLR ファ. 生物の免疫系は，獲得免疫と自然免疫の二つの免疫系か. ミリーの発見が端緒となった1）．TLR は細菌，ウイルス. ら成り立っている．獲得免疫系は抗原特異的 T 細胞や B. 由来の種々の構成成分をリガンドとして認識する．グラ. 細胞が中心の免疫系であり，抗原特異的な抗体を産生し. ム陰性菌の細胞壁構成成分 LPS は TLR4＋MD2 により. 病原体を排除する．一方，好中球，マクロファージ，樹. 認識され，細菌リポペプチドやペプチドグリカンはヘ. 状細胞などのミエロイド系細胞が中心となってバクテリ. テロダイマー TLR2/TLR1 および TLR2/TLR6 により認. アなどを排除するのが自然免疫系である．二つの免疫系. 識される．また，細菌ゲノム DNA やウイルス RNA な. はお互い密接に関連しており，自然免疫の機能をベース. どの核酸成分はファゴソーム内に発現している TLR3，. にして獲得免疫系が効率的に機能する．獲得免疫系の研. TLR7，TLR8，TLR9 により認識される．TLR で認識さ. 究の方が早く進展したが，自然免疫の役割解明について. れたシグナルは，MyD88 や TRIF などのアダプター分. は 2000 年前後から急速に明らかにされ，ようやく現在. 子によって下流に伝えられ，NF-kappaB などの転写因. における免疫学の大きな潮流の一つと認識されるに至っ. 子を活性化し，炎症性サイトカインなど生体防御に必要. た．. な遺伝子の発現を誘導する2）．. 自然免疫は感染初期における病原体排除に重要である．別名 Innate Immunity とも呼ばれ，Innate は「生ま. 自然免疫系の過剰活性化は病気の原因. れながら」を意味する．生後すぐは獲得免疫が十分に発. 自然免疫担当細胞は病原体を認識すると，獲得免疫系. 達しておらず微生物の攻撃に弱く，宿主を防御するため. 細胞に対して，抗原特異的な免疫応答を誘導する．一般. 「生まれながら」備わっている自然免疫系が生命の維持. に，ウイルス感染や細胞内寄生体に対しては細胞障害性. に必須となる．. T 細胞の誘導やマクロファージの活性化を促す Th1 反. 過去，自然免疫系は貪食細胞を中心とすることからプ. 応の誘導が重要である．Th1 細胞の産生するサイトカイ. リミティブで単純な免疫系と考えられていた時期があっ. ン IFN-gamma は貪食細胞に対して，NO 産生誘導→ファ. たが，実際には大変複雑な活性化機構を有し，かつ感染. ゴソーム成熟化→細胞内病原体の消化亢進，というよう. 防御以外も含めた幅広い生命現象に関わっていることが. に殺菌能を高める．一方で，Th1 への極端な偏りは，関. 認知されている．自然免疫は生体に侵入してきた外敵を. 節炎や大腸炎などの慢性炎症性疾患などを引き起こし，. 昭和大学歯学部口腔微生物学講座（2014 年 3 月 4 日受付；2014 年 3 月 6 日受理）.

(2) Dental Med Res. 34. Regulatory Mechanism for the Innate Immune System. 13. 却って宿主へ悪影響をもたらす．そのため，健康な宿主. 現が亢進している．さらに STAT3 欠失マウスは，IL-10. では自然免疫の活性化は厳密に制御するメカニズムが多. ノックアウトマウスと同様の慢性大腸炎を発症したこと. 数存在している3）．. から，この抑制性シグナルが欠失すると，マクロファージが異常に活性化し，結果として慢性大腸炎のような慢. 転写因子による制御機構. 性炎症性疾患を誘発することを示している．. では，どのように自然免疫系は制御されているのであ. 腸管などの粘膜には常在細菌叢が存在し，絶えず. ろうか．一つは，抑制性サイトカインである．サイト. TLR を介した恒常的活性化シグナルを受けるが，通常，. カインには炎症を誘導するサイトカインと抑制するサ. 生体が備えている抑制機構により生体防御に不要な炎症. イトカインが存在することが知られている．TNF-alpha. は抑制されている．しかし一端抑制機構が破綻すると. や IL-6 は炎症誘導性のサイトカインであるが，一方. 炎症性サイトカインが過剰産生され，慢性大腸炎が誘. で，IL-10 は抑制サイトカインであることが知られてい. 発される．正常マウスの粘膜固有層を調べると，多数. る．ノックアウトマウスなどを用いた解析などから，こ. の CD11b 陽性マクロファージ系細胞が存在する．この. の IL-10 が自然免疫細胞活性化を強く抑制すること，ま. マクロファージは抑制性マクロファージの一種と考えら. た慢性大腸炎の発症に重要な役割を担っていることが. れ，炎症性サイトカインを産生せず，かつ恒常的 IL-10. 4）. 明らかにされている．また，ミエロイド系細胞特異的. 産生がみられる6）．我々の過去の研究では，正常マウス. （LysM-Cre）STAT3 欠損マウスの解析から，転写因子. で大腸粘膜に局在するこれら抑制性マクロファージの. STAT3 が自然免疫細胞での IL-10 シグナル伝達に必須で. TLR 不応答メカニズムを，正常マウスと IL-10 ノックア. あり，慢性大腸炎の発症に強く関わっていることが明ら. ウトマウスの細胞間で遺伝子発現の差を DNA マイクロ. 5）. かになっている．この STAT3 欠失マクロファージで. アレイで比較することにより解析した．その結果，正常. は，IL-10 による抑制効果が無効となり，TLR リガンド. マウスの大腸粘膜に局在する抑制性マクロファージ特異. 刺激による TNF-alpha，IL-6，IL-12 などの炎症性サイト. 的に発現している遺伝子として Bcl-3，IkappaBNS など. カイン産生が正常マクロファージに比べ増加し，同時に. の転写因子同定された7, 8）．両分子はいずれも，アンキ. CD80，CD86 などのマクロファージ細胞表面抗原の発. リンリピート構造を有した，I-kappaB ファミリー分子. Fig. 1 Schema shows the inhibitory mechanisms for the innate immune responses. Surface receptors and numerous intracellular molecules in innate immune cell control negatively the signaling pathways in the receptor-dependent and transcription factor-dependent manner following specific ligand activation. The words with underline indicate the down-regulation observed in regulatory responses..

(3) 14. H. Kuwata. Dental Med Res. 34. に属する核内に存在する転写因子であり，サイトカイ. 問題となるのは「悪玉コレステロール」などの低比重リ. ン転写制御との関わりが考えられた9, 10）．また，Bcl-3，. ポタンパク質（以下 LDL）である．血液中の LDL は血. IkappaBNS は IL-10 ノックアウトマウスの大腸粘膜固有. 管壁を通して組織内に入り活性酸素により酸化 LDL と. 層マクロファージでは発現が見られないことから，腹腔. 変化する．マクロファージ細胞表面には，スカベンジャー. マクロファージでの IL-10 による発現誘導を解析したと. 受容体 CD36 が発現しており，組織中の酸化 LDL を取. ころ，両遺伝子とも IL-10 により誘導されることが明ら. り込み分解する．CD36 は血小板や血管内皮細胞などに. かとなっている．この Bcl-3 をレンチウイルスベクター. も発現しているが，マクロファージに発現した CD36 が. のシステムを用いてマクロファージに恒常的に発現さ. 粥状硬化症などの病態形成に深く関わっている．. せると，LPS 刺激による TNF-alpha の発現は強く抑制. 細胞膜に存在する受容体はしばしば多量体を形成す. される．また Bcl-3 ノックアウトマウス由来の腹腔内マ. る．多量体形成はシグナル伝達において必要なステップ. クロファージでは IL-10 による TNF-a 産生抑制が障害. であるが，分子機構はあまり理解されていない．最近. されていた．一方，IkappaBNS も Bcl-3 と同様，核内. 我々は，1 分子イメージングの手法を用いて CD36 の細. I-kappaB ファミリー分子のひとつである10）．Bcl-3 と同. 胞膜におけるダイナミズムを調べたところ，細胞膜にお. 様に IkappaBNS をレンチウイルスベクターのシステム. ける CD36 の重合化はアクチンや微小管などの細胞骨格. を用いて恒常的にマクロファージに過剰発現した系で. により厳密に制御されていることを発見した．このと. は，IL-6 誘導が顕著に障害されていた11）．IkappaBNS の. き CD36 の細胞表面における軌跡は特徴的な直線型運動. ノックアウトマウスの腹腔マクロファージを採取し LPS. を示し，受容体同士の衝突確率を上げることにより重合. で刺激した結果，IL-6，IL-12 p40 産生はノックアウトマ. 化を促進していた．この直線型軌跡は細胞骨格作用性阻. ウス由来のマクロファージおよび樹状細胞で顕著に増加. 害剤により消滅し，リガンドの取り込みやシグナル伝達. していた．その他のデータや文献などから，LPS によっ. も阻害された．これらのことから細胞骨格が細胞膜にお. て誘導された IkappaBNS が LPS 刺激後 3∼5 時間以降. いて受容体のクラスタリングを制御することによりその. に遅れて誘導されてくる IL-6，IL-12p40 などの遺伝子発. 機能を制御していることが判明した16）．このように，細. 現に対して抑制的に働いていることが明らかにされてい. 胞膜に存在する受容体レベルでも分子の会合の阻害や促. る．その他にも，TLR のシグナルには A20，SOCS ファ. 進などによってシグナルの伝わりやすさを調節すること. ミリー，ATF3 など様々な抑制性因子が存在することが. ができることが明らかとなった．今後 TLR を含めたそ. 12∼14）. ．このように，自然免疫系のシグナ. の他の受容体や細胞でも同様のメカニズムが存在するの. ル制御はリダンダンシー（重複性）に富んでいるが，こ. か，大変興味深いところである．また，技術的トレンド. れは単一の制御機構が破綻したとしても生体が維持でき. としては，生細胞での分子トラッキングが可能な高精細. るように何重にもセイフティネットとして重要であるか. の顕微鏡的手法が今後ますます必要になるのではと考え. らであろう．. ている．. 受容体レベルのシグナル調節機構. 多様な抑制性マクロファージの機能. 知られている. このように，転写因子による抑制はよく研究されてき. 今後，自然免疫の研究ではどのようなテーマが主流と. たが，受容体レベルでの制御メカニズムはどうであろう. なるのであろうか．マクロファージには表現型の違いに. か．よく知られている例としては TLR4 受容体の構造変. より多数のサブセットが存在することが明らかになりつ. 化があげられる．シグナル依存的に TLR4 分子自体の構. つあり，これまでの研究では，M1 型と M2 型の 2 種類. 造を変化させ，リガンドとの結合を調節することでシグ. が知られている．M1 型マクロファージはバクテリアや. ナルを調整する，あるいは補助分子 MD2 との会合を変. ウイルスの感染時に分化誘導され，これらの病原体の排. 化させることによりシグナルを調節することも知られて. 除に重要なサイトカイン，ケモカインなどを産生するこ. 15）. いる．このように，受容体レベルでも様々なシグナル. とが主な機能と考えられている．一方で，M2 型マクロ. 制御機構が存在するが．加えて，最近の研究では受容体. ファージは寄生虫感染，アレルギー応答，創傷治癒など. の多量体形成によってシグナル調節していることが示唆. に関与している．これまでに知られている M2 型マクロ. されている．. ファージのマーカーは必ずしも特異的ではなく，今後さ. マクロファージは感染防御以外にも重要な役割も有し. らに特異性の優れた分子の発見が望まれている．抑制能. ている．食事として摂取した動物性油脂がリポタンパク. の分子メカニズムについては徐々に解明が進んでおり，. 質として血管内に循環することで高脂血症となる．特に. 特異的転写因子が発見されつつある．例えば IRF4 は，.

(4) Dental Med Res. 34. Regulatory Mechanism for the Innate Immune System. もともと T リンパ球で Th2 への分化に必須の分子として見いだされたが，最近の研究から自然免疫系において M2 マクロファージへの分化に必須であることが判明している．さらに jmjd3 という分子が IRF4 結合部位のヒストン H3 K27 残基を脱メチル化することにより制御していることが，クロマチン免疫沈降法などの手法を用いて明らかにされている．さらに同種の機能を有すると考えられる組織マクロファージと呼ばれるマクロファージでは，Trib および C/EBPalpha が分化に必須であることも報告されている17, 18）．組織マクロファージは血液中の脂質代謝に必要であると考えられており，jmjd3 型 M2 マクロファージとの機能やスカベンジャー受容体との関連についても興味深い．今後は抑制型マクロファージに分化するメカニズムおよび生体内での機能と関連する生命現象を詳細に解析することが期待される．腫瘍や組織治癒などは免疫系と関連が深いことが知られつつも，これまで研究が十分に進んでいない分野である．あるいは，歯科に関連する分野でも重度の歯周疾患や口腔内の粘膜疾患との関連などが抑制性マクロファージと関係するのではないだろうか．近い将来に抑制性マクロファージの解明を通じて歯科・口腔疾患の病態解明，新規治療法の開発が進むのではないかと期待している．. 文献 1） Lemaitre B, Nicolas E, Michaut L, Reichhart JM, Hoffmann JA: The dorsoventral regulatory gene cassette spatzle/Toll/cactus controls the potent antifungal response in Drosophila adults. Cell, 86: 973 983, 1996 2） Kawai T, Akira S: Toll-like receptors and their crosstalk with other innate receptors in infection and immunity. Immunity, 34: 637 650, 2011 3） Kayama H, Takeda K: Regulation of intestinal homeostasis by innate and adaptive immunity. Int Immunol, 24: 673 680, 2012 4） Kühn R, Löhler J, Rennick D, Rajewsky K, Müller W: Interleukin-10-deficient mice develop chronic enterocolitis. Cell, 75: 263 274, 1993 5） Takeda K, Clausen BE, Kaisho T, Tsujimura T, Terada N, Förster I, Akira S: Enhanced Th1 activity and development of chronic enterocolitis in mice devoid of Stat3 in macrophages and neutrophils. Immunity, 10: 39 49, 1999 6） Kobayashi M, Kweon MN, Kuwata H, Schreiber RD, Kiyono H, Takeda K, Akira S: Toll-like receptordependent production of IL-12p40 causes chronic enterocolitis in myeloid cell-specific Stat3-deficient mice. J Clin Invest, 111: 1297 1308, 2003. 15. 7） Hirotani T, Lee PY, Kuwata H, Yamamoto M, Matsumoto M, Kawase I, Akira S, Takeda K: The nuclear IkappaB protein IkappaBNS selectively inhibits lipopolysaccharide-induced IL-6 production in macrophages of the colonic lamina propria. J Immunol, 174: 3650 3657, 2005 8） Kuwata H, Watanabe Y, Miyoshi H, Yamamoto M, Kaisho T, Takeda K, Akira S: IL-10-inducible Bcl-3 negatively regulates LPS-induced TNF-alpha production in macrophages. Blood, 102: 4123 4129, 2003 9） Schwarz EM, Krimpenfort P, Berns A, Verma IM: Immunological defects in mice with a targeted disruption in Bcl-3. Genes Dev, 11: 187 197, 1997 10）Fiorini E, Schmitz I, Marissen WE, Osborn SL, Touma M, Sasada T, Reche PA, Tibaldi EV, Hussey RE, Kruisbeek AM, Reinherz EL, Clayton LK: Peptide-induced negative selection of thymocytes activates transcription of an NF-kappa B inhibitor. Mol Cell, 9: 637 648, 2002 11）Kuwata H, Matsumoto M, Atarashi K, Morishita H, Hirotani T, Koga R, Takeda K: IkappaBNS inhibits induction of a subset of Toll-like receptor-dependent genes and limits inflammation. Immunity, 24: 41 51, 2006 12）Boone DL, Turer EE, Lee EG, Ahmad RC, Wheeler MT, Tsui C, Hurley P, Chien M, Chai S, Hitotsumatsu O, McNally E, Pickart C, Ma A: The ubiquitin-modifying enzyme A20 is required for termination of Toll-like receptor responses. Nat Immunol, 5: 1052 1060, 2004 13）Mansell A, Brint E, Gould JA, O'Neill LA, Hertzog PJ: Mal interacts with tumor necrosis factor receptorassociated factor（TRAF） -6 to mediate NF-kappaB activation by toll-like receptor（TLR） -2 and TLR4. J Biol Chem, 279: 37227 37230, 2004 14）Gilchrist M, Thorsson V, Li B, Rust AG, Korb M, Roach JC, Kennedy K, Hai T, Bolouri H, Aderem A: Systems biology approaches identify ATF3 as a negative regulator of Toll-like receptor 4. Nature, 441: 173 178, 2006 15）Nomura F, Akashi S, Sakao Y, Sato S, Kawai T, Matsumoto M, Nakanishi K, Kimoto M, Miyake K, Takeda K, Akira S: Endotoxin tolerance in mouse peritoneal macrophages correlates with downregulation of surface toll-like receptor 4 expression. J Immunol, 164: 3476 3479, 2000 16）Jaqaman K, Kuwata H, Touret N, Collins R, Trimble WS, Danuser G, Grinstein S: Cytoskeletal control of CD36 diffusion promotes its receptor and signaling function. Cell, 146: 593 606, 2011 17）Satoh T, Takeuchi O, Vandenbon A, Yasuda K, Tanaka Y, Kumagai Y, Miyake T, Matsushita K, Okazaki T, Saitoh T, Honma K, Matsuyama T, Yui K, Tsujimura T, Standley DM, Nakanishi K, Nakai K, Akira S: The Jmjd3-Irf4 axis regulates M2.

(5) 16. Dental Med Res. 34. H. Kuwata. macrophage polarization and host responses against helminth infection. Nat Immunol, 11: 936 944, 2010 18）Satoh T, Kidoya H, Naito H, Yamamoto M, Takemura N, Nakagawa K, Yoshioka Y, Morii E, Takakura N,. Takeuchi O, Akira S: Critical role of Trib1 in differentiation of tissue-resident M2-like macrophages. Nature, 495: 524 528, 2013. An Insight into the Regulatory Mechanism Responsible for the Innate Immune System Hirotaka KUWATA Department of Oral Microbiology and Immunology, Showa University School of Dentistry 1 5 8 Hatanodai, Shinagawa-ku, Tokyo, 145 8555 Japan （Received March 4, 2014; Accepted for publication March 6, 2014）. Abstract：Over the last decade, a lot of literature has unraveled functions of innate immune cells, such as monocyte, macrophage and dendritic cell. The inflammatory responses to infectious microorganisms are generated by the innate immunity and induce acquired immune activation subsequently. As the innate and adaptive immune systems are intertwined, it is impossible to protect our body without the connection with both immune systems. Macrophage activation is tightly controlled by regulatory mechanism which are generally requires a very complicated regulation by both transcriptional molecules and receptors on the surface. In addition, the innate immune system also has different features that function as scavenging foreign substances in the host body. The detailed mechanisms by which molecular mechanism induce alternative activation in macrophage are not yet known. The future direction of immunological research is discussed in the last part. Key words：innate immunity, transcriptional factor, macrophage, inflammation..

(6)