免疫の「監視」を避けたいですか?とんでもない！浙江大学の最新研究がネイチャー誌に掲載

乳酸は人間の健康に重要な役割を果たします。乳酸の異常な蓄積は、癌や免疫系疾患と密接に関係しており、発生率と死亡率が高い。乳酸はどのようにして免疫監視を「回避」し、細胞内に蓄積し続けるのでしょうか?この問題の背後にある分子メカニズムは重要であるが、まだ十分に研究されていない。

浙江大学生命科学研究所の張龍教授のチームは、分子生物学と生化学を駆使して、大腸菌における乳酸感知タンパク質アラニルtRNA合成酵素1（AARS1）と合成酵素2（AARS2）、およびそれらの相同タンパク質AlaRSを発見した。 AARS1/2は乳酸を感知して乳酸プロテオームを媒介する重要な役割を担っていることを明らかにし、乳酸蓄積が重篤な疾患につながる分子メカニズムを解明し、乳酸蓄積による予後不良に対する新たな治療戦略を提供しました。

北京時間9月25日、研究チームは「AARS1とAARS2はL-乳酸を感知し、リジンラクチルトランスフェラーゼとしてcGASを制御する」と題する研究論文をネイチャー誌に発表した。

01 免疫監視を逃れる「透明マント」を暴く

人体では、正常なグルコース代謝はトリカルボン酸回路を通じて行われ、グルコースを効率的かつ完全に酸化するプロセスです。しかし、臨床現場では、多くの病態において異常なグルコース代謝が存在し、グルコースの不十分な代謝と乳酸の過剰な蓄積として現れることが観察されています。腫瘍細胞を例にとると、その細胞内の乳酸濃度は正常細胞に比べて数十倍、あるいは数百倍も高くなることがよくあります。乳酸値が高いと細胞の恒常性が乱れるだけでなく、体の病気に対する抵抗力にも影響を与える可能性があります。したがって、ヒトの疾患の発症における乳酸の作用機序をより深く理解することは、新たな治療戦略の開発にとって非常に重要です。

環状グアノシン一リン酸アデニル酸合成酵素 (cGAS) は、細胞内の異常な DNA を認識し、下流のインターフェロン信号を誘導し、免疫システムを活性化できる細胞内免疫「モニター」です。張龍氏のチームは、ヒトサイトメガロウイルスを出発点として、感染患者の血清中のL-乳酸含有量とcGAS触媒産物である環状グアノシン一リン酸-アデノシン一リン酸（cGAMP）のレベルを比較し、両者のレベルが負の相関関係にあることを発見した。これは乳酸がcGASの活性を阻害することを意味します。

張龍氏のチームは、乳酸がcGASの活動を阻害する仕組みをさらに調査した。研究者らは、in vitro インキュベーション実験を通じて、cGAS 活性の阻害には溶解物中の特定のタンパク質の関与が必要であることを発見しました。これは、補助因子の存在が L-乳酸を介した cGAS 阻害に重要な役割を果たすことを示しています。実験では、cGAS 活性の減少が cGAS ラクチル化レベルの増加とよく相関していることも示され、L-乳酸が cGAS のラクチル化修飾を促進することでその活性を調節する可能性が高いことが示されました。

細胞内のL-乳酸を感知し、cGAS不活性化を媒介する遺伝子を特定するために、研究チームはHT1080細胞株でゲノムワイドなCRISPRスクリーニングを実施しました。結果は、AARS1 と AARS2 をノックダウンした後、細胞内の全体的な乳酸修飾レベルが大幅に低下したことを示しており、AARS1 と AARS2 は乳酸受容体であり、乳酸修飾プロセスで重要な役割を果たしている可能性があることを示しています。

cGAS が「モニター」であるならば、ラクチル化修飾は監視カメラを覆う「目に見えないマント」のようなもので、cGAS が免疫反応を認識して誘発する能力を失わせます。悪性腫瘍細胞と同様に、免疫監視を逃れ、体に認識されずに増殖し転移し続けます。

研究チームはさらに、構造シミュレーションを通じて、ヒトAARS1/2と大腸菌AlaRSのL-乳酸への結合様式がL-アラニンに似ていることを発見した。保存残基を変異させた後、これらの酵素の L-乳酸への結合能力は大幅に低下し、アラニル tRNA 合成酵素が L-乳酸分子に特異的に結合できることが確認されました。

張龍氏は次のように述べた。「AARS1/2 はもともとアラニン tRNA 合成酵素でした。L-乳酸と L-アラニンの分子構造が似ているため、乳酸値の高い環境では AARS1/2 が L-乳酸を「誤って」認識するのではないかと推測しています。」

02 乳酸変化を研究するための新しいツール

試験管内実験では、AARS1/2 と AlaRS の両方が 1 分子の L-乳酸と 1 分子の ATP を直接触媒して、1 つの部位でラクチル化修飾を生成できることが示されました。 「半世紀以上前にアシル化修飾が報告されて以来、補酵素Aに依存しない触媒反応モードが発見されたのはこれが初めてです。このモードは、グルコースの代謝産物であるL-乳酸とATPをタンパク質に共有結合的に修飾し、重要なタンパク質の機能を直接変えることができます。」張龍氏は、このメカニズムは、代謝産物としての乳酸がタンパク質の翻訳後修飾に関与する主な経路も明らかにしていると述べた。

cGAS アミノ末端ラクチル化がその機能に与える影響を明らかにするために、研究チームは、部位特異的かつ完全にラクチル化されたタンパク質を生成するための遺伝子コード拡張の直交システムを開発しました。この技術は、ラクチル化修飾後のタンパク質の機能を検出するための強力なツールを提供します。

この研究では、システムは乳酸リジンを cGAS タンパク質に組み込むことで、部位特異的かつ完全に乳酸化された cGAS タンパク質を調製し、乳酸化 cGAS タンパク質 (cGASLac) と非乳酸化コントロール タンパク質 (cGASNon-Lac) 間の機能の違いを直感的に観察することができました。

cGASNon-Lac と比較すると、cGASLac は 45 bp ISD への結合能力が低くなります。 cGASNon-Lac と 45bp DNA は、in vitro でより高い蛍光強度と優れた流動性を持つより大きな液滴を素早く形成しましたが、cGASLac は DNA との結合能力が弱く、自己凝集して蛍光回復能力の低い小さなゲル状の液滴を形成する傾向がありました。特に、cGASNon-Lac は 100 bp DNA や HT-DNA などの長い DNA 鎖と in vitro でインキュベートした後、強力な流動性を持つ液滴を効果的に形成できましたが、cGASLac は凝集してコロイド液滴を形成する傾向がありました。 cGASNon-Lac と比較して、cGASLac の触媒活性も大幅に阻害されました。

研究チームは、複数のマウスモデルでラクチル化修飾によるcGAS活性の阻害効果を検証し、 cGASラクチル化が免疫監視を阻害し重篤な疾患を引き起こす重要な要因であることを改めて確認した。

「将来的には、AARS1/2の乳酸認識能力を阻害する具体的な方法を見つけ、高乳酸血症を軽減したいと考えています」と張龍氏は語った。