感染防御やがん免疫に重要な树状细胞の分化成熟における顿狈础折り畳み构造を初めて解明
2022.08.18
- プレスリリース
- 研究
- 医疗
感染防御やがん免疫に重要な树状细胞の分化成熟における顿狈础折り畳み构造を初めて解明
横浜市立大学大学院医学研究科免疫学 田村智彦教授および熊本大学国際先端医学研究機構 黒滝大翼特任准教授らの研究グループは、国立感染症研究所、米国国立衛生研究所との共同研究で、感染防御やがん免疫に関わる樹状細胞*1の分化成熟における顿狈础折り畳み构造の変化とその分子メカニズムを解明しました。
本研究成果は、米国科学アカデミー纪要「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」に掲载されました。(米国东部时间2022年8月15日)
本研究成果は、米国科学アカデミー纪要「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」に掲载されました。(米国东部时间2022年8月15日)
| 研究成果のポイント ?树状细胞の分化成熟过程における顿狈础の折り畳み构造の変化を全ゲノム规模で明らかにした ?転写因子*2 IRF8が樹状細胞の前駆細胞 (もとになる細胞) におけるDNA折り畳み構造の変化に必須であることを発見した ?感染防御に関わる遗伝子を含むゲノム领域では感染の前に顿狈础の折り畳み构造が準备されていることがわかった |
研究背景
ヒトの細胞1個に含まれるDNAを繋ぎ合わせると約 2 m もの長さになります。この極めて長い分子は5から10 μm ほどの小さな核内に収納され、様々な大きさ?形状をもつクロマチン*3高次构造を形成しています。しかし、これらクロマチン高次构造の形成の仕组みやその机能については不明な点が多く残されています。
树状细胞は、ウイルスなどの病原体やがん细胞に対する免疫応答において司令塔とも呼ばれる必须の细胞です。树状细胞の数が少ないと、病原体に感染しやすくなり、がん细胞の排除を十分に行うことができなくなります。そのため、私たちの体の中で树状细胞がどのように产生されるのかを理解することはとても重要です。実际、树状细胞を発见したラルフ?スタインマン博士は2011年にノーベル生理学?医学赏を受赏しています。
树状细胞は骨の中の骨髄に存在する造血干细胞*4という细胞に由来します。造血干细胞が复数の前駆细胞段阶を介して树状细胞を产生することが知られています。このような细胞分化*5の過程で、その細胞に特徴的な遺伝子発現パターンが形成されることが重要です。そのためには、転写因子と呼ばれるDNA 結合性のタンパク質が、DNA の「エンハンサー *6」と呼ばれる遗伝子発现を制御する领域に结合する必要があります。エンハンサーは遗伝子から离れて存在する场合も多く、エンハンサーが遗伝子の発现を调节するにはクロマチン高次构造の変化を介して遗伝子と物理的に近接する必要があります。そのためエンハンサーによる遗伝子発现制御机构を理解するにはクロマチン高次构造の解析が必须になります。しかし、树状细胞が生体内で分化する过程において、クロマチン高次构造がどのように変化するのかについては全くわかっていませんでした。
树状细胞は、ウイルスなどの病原体やがん细胞に対する免疫応答において司令塔とも呼ばれる必须の细胞です。树状细胞の数が少ないと、病原体に感染しやすくなり、がん细胞の排除を十分に行うことができなくなります。そのため、私たちの体の中で树状细胞がどのように产生されるのかを理解することはとても重要です。実际、树状细胞を発见したラルフ?スタインマン博士は2011年にノーベル生理学?医学赏を受赏しています。
树状细胞は骨の中の骨髄に存在する造血干细胞*4という细胞に由来します。造血干细胞が复数の前駆细胞段阶を介して树状细胞を产生することが知られています。このような细胞分化*5の過程で、その細胞に特徴的な遺伝子発現パターンが形成されることが重要です。そのためには、転写因子と呼ばれるDNA 結合性のタンパク質が、DNA の「エンハンサー *6」と呼ばれる遗伝子発现を制御する领域に结合する必要があります。エンハンサーは遗伝子から离れて存在する场合も多く、エンハンサーが遗伝子の発现を调节するにはクロマチン高次构造の変化を介して遗伝子と物理的に近接する必要があります。そのためエンハンサーによる遗伝子発现制御机构を理解するにはクロマチン高次构造の解析が必须になります。しかし、树状细胞が生体内で分化する过程において、クロマチン高次构造がどのように変化するのかについては全くわかっていませんでした。
研究内容
最近の次世代シーケンス技术*7の発展により、贬颈-颁法(染色体立体配座捕捉法)などによって细胞核内のクロマチン高次构造を全ゲノム规模で解析できるようになりました。本研究ではマウス生体に由来する树状细胞と复数段阶の骨髄前駆细胞を用い、贬颈-颁法でクロマチン高次构造の変化を网罗的に解析しました。その结果、树状细胞に特徴的に発现する遗伝子を含む顿狈础领域では、树状细胞前駆细胞の段阶でエンハンサーの活性化が起こり、その后核内コンパートメント*8と呼ばれるクロマチン高次构造が活性化型に変化し、最终的に树状细胞に分化する段阶でトポロジカル関连ドメイン*9と呼ばれる构造が强く形成されることがわかりました(図1)。
図1 樹状細胞分化に伴うクロマチン高次構造の変化
(上段)樹状細胞は造血幹細胞から複数の前駆細胞段階を介して産生される。(下段)前駆細胞の段階で樹状細胞に特徴的に発現する遺伝子のゲノムDNA領域に転写因子IRF8が結合して、エンハンサーの活性化とその後の核内コンパートメントの活性化型への変化 (BからA) を誘導する。さらに樹状細胞に分化する段階でトポロジカル関連ドメイン内の相互作用の増加が引き起こされ、樹状細胞特異的遺伝子が発現する。
(上段)樹状細胞は造血幹細胞から複数の前駆細胞段階を介して産生される。(下段)前駆細胞の段階で樹状細胞に特徴的に発現する遺伝子のゲノムDNA領域に転写因子IRF8が結合して、エンハンサーの活性化とその後の核内コンパートメントの活性化型への変化 (BからA) を誘導する。さらに樹状細胞に分化する段階でトポロジカル関連ドメイン内の相互作用の増加が引き起こされ、樹状細胞特異的遺伝子が発現する。
次に、树状细胞前駆细胞の段阶で核内コンパートメントの変化を诱导する転写因子の同定に挑戦しました。バイオインフォマティクス解析*10を行ったところ、interferon regulatory factor-8(IRF8)が関与する可能性が示されました。以前の研究において、IRF8が樹状細胞の前駆細胞 で高発現し、樹状細胞関連遺伝子のエンハンサーを活性化することを示しています(Kurotaki et al. Blood 133:1803-1813, 2019; Murakami et al. Nature Immunology 22:301-311, 2021など)。そこで、IRF8欠損マウスから前駆細胞を単離してHi-C法で解析しました。その結果、IRF8欠損マウスの樹状細胞前駆細胞では、核内コンパートメントの活性化型への変化が誘導されないことがわかりました。
树状细胞は感染が起こると生体防御に関わる様々な遗伝子を発现することが知られています。そこで、次にこれら感染防御に関与する遗伝子のクロマチン高次构造が树状细胞の分化においてどのように変化するのか贬颈-颁法で解析しました。その结果、これらの遗伝子を含む顿狈础领域は树状细胞の分化を通して、感染刺激を受ける前から活性化型の核内コンパートメントに含まれていることがわかりました(図2)。さらに、トポロジカル関连ドメインについても、感染刺激前の树状细胞においてすでに十分に强く形成され、感染刺激后にも大きな変化が认められませんでした。以上の结果から、生体防御関连遗伝子のクロマチン高次构造は感染の前にはすでに準备されており、それによって树状细胞が病原体に対し素早く反応して必要な遗伝子発现が诱导できるのではないかと考えています。
树状细胞は感染が起こると生体防御に関わる様々な遗伝子を発现することが知られています。そこで、次にこれら感染防御に関与する遗伝子のクロマチン高次构造が树状细胞の分化においてどのように変化するのか贬颈-颁法で解析しました。その结果、これらの遗伝子を含む顿狈础领域は树状细胞の分化を通して、感染刺激を受ける前から活性化型の核内コンパートメントに含まれていることがわかりました(図2)。さらに、トポロジカル関连ドメインについても、感染刺激前の树状细胞においてすでに十分に强く形成され、感染刺激后にも大きな変化が认められませんでした。以上の结果から、生体防御関连遗伝子のクロマチン高次构造は感染の前にはすでに準备されており、それによって树状细胞が病原体に対し素早く反応して必要な遗伝子発现が诱导できるのではないかと考えています。
図2 生体防御関連遺伝子を含むゲノムDNA領域のクロマチン高次構造変化
(上段)树状细胞は感染刺激によりサイトカインやケモカインなど生体防御関连分子を発现する。(下段)生体防御関连遗伝子は树状细胞分化全体を通して常に活性化型コンパートメント础に存在している。これら遗伝子の顿狈础领域は感染が起こっていない树状细胞の段阶でトポロジカル関连ドメイン内の相互作用の増加が生じ、これは感染后に遗伝子が発现しても大きく変化しない。このことから树状细胞が感染时に迅速に生体防御関连遗伝子を発现するためにクロマチン高次构造の确立が重要である可能性がある。
(上段)树状细胞は感染刺激によりサイトカインやケモカインなど生体防御関连分子を発现する。(下段)生体防御関连遗伝子は树状细胞分化全体を通して常に活性化型コンパートメント础に存在している。これら遗伝子の顿狈础领域は感染が起こっていない树状细胞の段阶でトポロジカル関连ドメイン内の相互作用の増加が生じ、これは感染后に遗伝子が発现しても大きく変化しない。このことから树状细胞が感染时に迅速に生体防御関连遗伝子を発现するためにクロマチン高次构造の确立が重要である可能性がある。
今后の展开
今回の解析结果から、细胞が分化していく过程において、その细胞にとって重要な遗伝子のクロマチン高次构造が大きく変化することがわかりました。この知见を応用することで、例えば白血病细胞など病的な前駆细胞のクロマチン高次构造を解析し、その性状を正しく理解することで、新たな诊断?治疗法开発につなげられる可能性があります。また、树状细胞は病原体やがんに対する免疫応答に必须の役割を担いますが、その过剰あるいは异常な活性化は自己免疫疾患を引き起こしたりがんを増悪させたりすることも知られています。本研究における解析データは、それらの疾患の理解や治疗法の开発に役立つことも期待されます。
研究费
本研究は、文部科学省、日本学术振兴会、日本ワックスマン财団、ノバルティス科学振兴财団、化学及血清疗法研究所、东京生化学研究会、日本血液学会、ホーユー科学财団、日本ジェネティクス、上原记念生命科学财団による研究助成と、熊本大学病院研究活性化プロジェクト并びに横浜市立大学先端医科学研究センターが认定されている文部科学省共同利用?共同研究拠点「マルチオミックスによる遗伝子発现制御の先端的医学共同研究拠点」の支援を受けて行われました。
论文情报
タイトル: Chromatin structure undergoes global and local reorganization during murine dendritic cell development and activation
著者: Daisuke Kurotaki, Kenta Kikuchi, Kairong Cui, Wataru Kawase, Keita Saeki, Junpei Fukumoto, Akira Nishiyama, Kisaburo Nagamune, Keji Zhao, Keiko Ozato, Pedro P. Rocha, Tomohiko Tamura
掲载雑誌: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 119(34): e2207009119, 2022
DOI:
著者: Daisuke Kurotaki, Kenta Kikuchi, Kairong Cui, Wataru Kawase, Keita Saeki, Junpei Fukumoto, Akira Nishiyama, Kisaburo Nagamune, Keji Zhao, Keiko Ozato, Pedro P. Rocha, Tomohiko Tamura
掲载雑誌: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 119(34): e2207009119, 2022
DOI:
用语説明
*1 樹状細胞 : T細胞に抗原提示して獲得免疫を誘導する極めて重要な免疫細胞。感染などの際にサイトカインと呼ばれる物質を産生し、生体防御に働くことも知られている。
*2 転写因子 : それぞれ特徴的なDNA配列を認識して様々なゲノム部位に結合することで、遺伝子からRNAの転写を制御するタンパク質。ヒトでは1,500種類以上あると言われている。
*3 クロマチン : DNAとそれに結合したタンパク質の複合体のこと。
*4 造血幹細胞 : 骨髄内に存在し、全ての血液細胞に分化する能力と、細胞分裂しても自らを維持する自己複製能を有する組織幹細胞の一種。
*5 細胞分化 : 幹細胞が特定の機能を持つ細胞になる現象。
*6 エンハンサー : 遺伝子の転写開始点から離れた領域に存在し、転写因子が結合することで遺伝子の発現を調節するゲノムDNA領域。
*7 次世代シーケンス技術 : DNA断片の配列を並列的に極めて短時間で解析する技術。この方法を応用することで、クロマチン高次構造の状態を調べること (Hi-C) が可能となった。
*8 核内コンパートメント : 類似の性質を持つクロマチン同士が細胞核内で寄り集まって形成されるクロマチン高次構造。活性化型のAコンパートメントと不活性化型のBコンパートメントに分けられる。
*9 トポロジカル関連ドメイン : ゲノムDNAに結合するCTCFとコヒーシン複合体により形成されるクロマチン高次構造。
*10 バイオインフォマティクス解析 : 様々な生物学的データを情報科学によって解析する技術。
*2 転写因子 : それぞれ特徴的なDNA配列を認識して様々なゲノム部位に結合することで、遺伝子からRNAの転写を制御するタンパク質。ヒトでは1,500種類以上あると言われている。
*3 クロマチン : DNAとそれに結合したタンパク質の複合体のこと。
*4 造血幹細胞 : 骨髄内に存在し、全ての血液細胞に分化する能力と、細胞分裂しても自らを維持する自己複製能を有する組織幹細胞の一種。
*5 細胞分化 : 幹細胞が特定の機能を持つ細胞になる現象。
*6 エンハンサー : 遺伝子の転写開始点から離れた領域に存在し、転写因子が結合することで遺伝子の発現を調節するゲノムDNA領域。
*7 次世代シーケンス技術 : DNA断片の配列を並列的に極めて短時間で解析する技術。この方法を応用することで、クロマチン高次構造の状態を調べること (Hi-C) が可能となった。
*8 核内コンパートメント : 類似の性質を持つクロマチン同士が細胞核内で寄り集まって形成されるクロマチン高次構造。活性化型のAコンパートメントと不活性化型のBコンパートメントに分けられる。
*9 トポロジカル関連ドメイン : ゲノムDNAに結合するCTCFとコヒーシン複合体により形成されるクロマチン高次構造。
*10 バイオインフォマティクス解析 : 様々な生物学的データを情報科学によって解析する技術。
お问合わせ先
