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23:33
Daniel Enriquez de Guevara
北大などT、単純ヘルペスウイルスが宿主に感染するメカニズムを解明
単純ヘルペスウイルスが宿主に感染するメカニズムを解明
＜ポイント＞
＞単純ヘルペスウイルスは哺乳類の免疫細胞表面にあるたんぱく質のPILRαを利用して、免疫応答を抑えることで細胞に感染します。
＞PILRαが単純ヘルペスウイルス表面の糖鎖とペプチドを同時に認識する分子機構を世界で初めて解明しました。
＞感染症・免疫などの生命現象の理解につながるとともに、新規抗ウイルス薬、免疫調節薬、ワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）などを開発するための基盤となります。
JST課題達成型基礎研究の一環として、北海道大学大学院薬学研究院の前仲勝実教授、大阪大学免疫学フロンティア研究センター／微生物病研究所の荒瀬尚教授らの研究グループは、単純ヘルペスウイルスが宿主の免疫細胞から排除されることなく、体内へ入り込む巧妙な感染機構を解明しました。
単純ヘルペスウイルスは脳炎や口唇ヘルペス、性器ヘルペス、皮膚疾患、眼疾患、小児ヘルペスなど、多様な疾患を引き起こす難治性の病原性ウイルスであり、日本だけでも年間約７万人が治療を受けていると言われています。特に、性器ヘルペスは既存の抗ウイルス薬では完治が不可能で、ヘルペス脳炎では致死的もしくは重度の後遺症が残る場合があります。単純ヘルペスウイルスの感染機構の解明は、これらの感染症を制御するうえで大変重要です。
単純ヘルペスウイルスの表面にはさまざまな糖たんぱく質が存在し、その中でもglycoprotein B（gB）が、宿主の免疫細胞表面にあるPILRαたんぱく質と結合すると、それが免疫細胞の攻撃を抑えるスイッチの役割を果たし、単純ヘルペスウイルスは難なく細胞へ侵入します。しかし、それらの結合機構の構造的な基盤は解明されていませんでした。
本研究では、PILRαたんぱく質と、PILRαとgBが結合した複合体の立体構造を世界で初めて明らかにすることによって、原子レベルで結合機構を解明しました。その結果、PILRαはこれまでgBの糖部分を認識していると考えられていましたが、実際は糖部分とたんぱく質（ペプチド）部分の両方を同時に認識していました。さらに、PILRαたんぱく質に結合する７アミノ酸からなる糖ペプチドを加えると、PILRαたんぱく質を競合阻害し、単純ヘルペス感染を阻害できることが判明しました。
PILRαは免疫系、神経系、ウイルス感染において幅広く機能を発揮しており、今回明らかとなった新しい認識機構は、ウイルス侵入メカニズムの理解や侵入阻害剤の開発だけでなく、PILRαによる広範な免疫の調節機構の理解とその調整薬やワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）の開発につながると考えられます。
本研究成果は、２０１４年６月２日（米国東部時間）の週に米国科学雑誌「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」のオンライン速報版で公開されます。
本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）
研究領域：「アレルギー疾患・自己免疫疾患などの発症機構と治療技術」
（研究総括：菅村和夫宮城県立病院機構理事長）
研究課題名：「ペア型レセプターを標的とした免疫・感染制御技術の開発」
研究代表者：荒瀬尚（大阪大学微生物病研究所教授）
共同研究者：前仲勝実（北海道大学大学院薬学研究院教授）
研究期間：平成２１年１０月～平成２７年３月
JSTはこの領域で、アレルギー疾患や自己免疫疾患を中心とするヒトの免疫疾患を予防・診断・治療することを目的に、免疫システムを適正に機能させる基盤技術の構築を目指しています。
上記研究課題では、病原体などに対する生体防御や自己免疫疾患などの発症に重要な役割を持つと考えられている、抑制化と活性化の両方のレセプターからなるペア型レセプターを標的として、その免疫制御機構を解明するとともに、病原体や腫瘍、あるいは自己免疫疾患やアレルギー疾患の新たな治療法の開発を目指します。
＜研究の背景と経緯＞
DNAからつくられたたんぱく質はその後、糖鎖やその他分子が付加されることで、生体内で機能するようになります。翻訳後修飾の１つであるO型（オー型）糖鎖（注１）修飾は、生理学的事象で非常に重要ですが、構造的に複雑で多様で不均一であるため、その詳細な機能について理解することは困難でした。一方で、複雑な構造であるために、生体内では細胞の状態のマーカーとして機能しています。例として、腫瘍形成・転移および免疫システム、感染症、血液型、発生・分化において、さらにバイオ医薬においてもその機能の重要性が近年注目されています。
単純ヘルペスウイルスは、好中球やマクロファージなどの免疫細胞表面にある抑制型免疫受容体PILRαを利用して宿主の免疫系に排除されず、宿主に感染しています。これまでに、ウイルス膜表面に存在するエンベロープ分子（注２）gBたんぱく質の、安定な構造をとっていないフレキシブルな領域に含まれるO型糖鎖修飾部位にPILRが結合することによって、細胞侵入が誘導されることが分かっていました（図１）。しかし、PILRαが不均一なO型糖鎖と非構造的なペプチド領域をどのように特異的に認識しているのか、その立体構造や認識機構についての知見は得られておらず、詳細は不明のままでした。
＜研究の内容＞
今回研究グループは、リガンド結合前のPILRα（PILRα単体）、および結合後のPILRα（複合体）の結晶構造を決定することに成功しました。
まず、ウイルス表面のgBたんぱく質のうち、PILRα結合に必要な部位の同定を行いました。さまざまな構造の糖やgBたんぱく質のPILRα結合領域（図１）周辺の糖ペプチドを用いて、PILRαがgBたんぱく質を認識するために必要なユニット構造を同定しました。その結果PILRαは特定のgBペプチド（Gly－3Pro－2Ala－1Thr＋1Pro＋2Ala＋3Pro＋4（＊１））を含むシアル化O型糖鎖（注３）を認識することが分かりました。逆に、単純ヘルペスウイルスが侵入する際に、この７つのアミノ酸からなる糖ペプチドを添加すると、PILRαのgB結合部位がふさがれ、侵入阻害剤として利用できることが分かりました。
構造解析のためにPILRα単独およびこの糖ペプチドを混合したPILRαの結晶化を行い、高エネルギー加速器研究機構の放射光施設PhotonFactory、および理化学研究所のSPring－８においてX線回折データを収集しました。その結果、PILRα単独の結晶構造は１．３Å（オングストローム）の分解能で決定することができました（図２左）。PILRαは典型的な免疫グロブリン様β－サンドイッチ構造（＊２）（注４）を持っていることが分かり、既知構造ではシアル酸（注５）を認識する受容体Siglecファミリー（注６）の１つ、Siglec－１／sialoadhesinと最も高い相同性を示しました。また、Siglecファミリーで保存され、シアル酸認識に必須であるアルギニン残基、"essential R"がPILRαでも保存されており、糖との結合に寄与していることが予測されました。
次に、単純ヘルペスウイルスgBたんぱく質由来の糖ペプチドとの複合体構造を決定しました（図２中央・右）。PILRαは糖部分だけではなく、ペプチド領域も同時に認識するというユニークな結合をしていました（図２右）。また、結合に伴い、PILRαは大きく構造変化しており、変化した部分は糖ペプチドの認識に直接関わっていました（図２）。また、"essential R"に相当する１２６番目のアルギニン残基（Arg１２６）はリガンドである糖ペプチドのシアル酸と直接作用しており（図３）、PILRαにおいても、"essential R"が糖認識において必須であることを結晶構造から明らかにすることができました。さらに、結晶構造解析によって分子レベル、細胞レベルで変異体解析（注７）を行い、糖ペプチドとPILRαの相互作用には糖、ペプチドの両方が必要であること、"essential R"がシアル酸認識に必須であることを確認しました。さらに、PILRαに結合する複数のたんぱく質の共通モチーフについては今まで不明でしたが、今回得られた構造情報からその結合モチーフを推定しました。
＊１、２の正式表記は添付の関連資料を参照
＜今後の展開＞
PILRαのリガンドとなるO型糖鎖修飾たんぱく質は近年続々と同定され、PILRαリガンドファミリーを形成しています。それらは、（１）シアル化が必須であること、（２）シアル酸を含む糖鎖の構造が重要であること、（３）O型糖鎖修飾されたペプチド配列にも特異性があること、というユニークな特徴を示しています。また、免疫細胞に発現するものだけではなく、神経細胞に発現するものも存在し、PILRαを介するシグナルの幅広い機能が示唆されています。今回その認識機構は、他の糖認識受容体とは異なり、糖だけでなく糖とペプチドの両方を同時に認識していることが明らかになりました。PILRαは、免疫系、神経系、ウイルス感染において幅広く機能を発揮しており、PILRαを阻害する単純ヘルペスウイルスの侵入阻害剤の開発のみでなく、PILRαを介する免疫の調節を行う薬剤の開発に必須となるデータを得られたことになります。今後、抗ウイルス薬や免疫調節薬・ワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）の開発における基盤情報として利用していく予定です。
※以下の資料は添付の関連資料「参考資料」を参照
・図１ これまでに分かっていた単純ヘルペスウイルス（HSV－１）の細胞侵入機構
・図２ 今回明らかにしたPILRα単独および糖ペプチド複合体の結晶構造
・図３ PILRαと構造類似性の高いSiglecファミリー／糖リガンドとの構造比較
・用語解説
・論文タイトル
＜ポイント＞
＞単純ヘルペスウイルスは哺乳類の免疫細胞表面にあるたんぱく質のPILRαを利用して、免疫応答を抑えることで細胞に感染します。
＞PILRαが単純ヘルペスウイルス表面の糖鎖とペプチドを同時に認識する分子機構を世界で初めて解明しました。
＞感染症・免疫などの生命現象の理解につながるとともに、新規抗ウイルス薬、免疫調節薬、ワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）などを開発するための基盤となります。
JST課題達成型基礎研究の一環として、北海道大学大学院薬学研究院の前仲勝実教授、大阪大学免疫学フロンティア研究センター／微生物病研究所の荒瀬尚教授らの研究グループは、単純ヘルペスウイルスが宿主の免疫細胞から排除されることなく、体内へ入り込む巧妙な感染機構を解明しました。
単純ヘルペスウイルスは脳炎や口唇ヘルペス、性器ヘルペス、皮膚疾患、眼疾患、小児ヘルペスなど、多様な疾患を引き起こす難治性の病原性ウイルスであり、日本だけでも年間約７万人が治療を受けていると言われています。特に、性器ヘルペスは既存の抗ウイルス薬では完治が不可能で、ヘルペス脳炎では致死的もしくは重度の後遺症が残る場合があります。単純ヘルペスウイルスの感染機構の解明は、これらの感染症を制御するうえで大変重要です。
単純ヘルペスウイルスの表面にはさまざまな糖たんぱく質が存在し、その中でもglycoprotein B（gB）が、宿主の免疫細胞表面にあるPILRαたんぱく質と結合すると、それが免疫細胞の攻撃を抑えるスイッチの役割を果たし、単純ヘルペスウイルスは難なく細胞へ侵入します。しかし、それらの結合機構の構造的な基盤は解明されていませんでした。
本研究では、PILRαたんぱく質と、PILRαとgBが結合した複合体の立体構造を世界で初めて明らかにすることによって、原子レベルで結合機構を解明しました。その結果、PILRαはこれまでgBの糖部分を認識していると考えられていましたが、実際は糖部分とたんぱく質（ペプチド）部分の両方を同時に認識していました。さらに、PILRαたんぱく質に結合する７アミノ酸からなる糖ペプチドを加えると、PILRαたんぱく質を競合阻害し、単純ヘルペス感染を阻害できることが判明しました。
PILRαは免疫系、神経系、ウイルス感染において幅広く機能を発揮しており、今回明らかとなった新しい認識機構は、ウイルス侵入メカニズムの理解や侵入阻害剤の開発だけでなく、PILRαによる広範な免疫の調節機構の理解とその調整薬やワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）の開発につながると考えられます。
本研究成果は、２０１４年６月２日（米国東部時間）の週に米国科学雑誌「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」のオンライン速報版で公開されます。
本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）
研究領域：「アレルギー疾患・自己免疫疾患などの発症機構と治療技術」
（研究総括：菅村和夫宮城県立病院機構理事長）
研究課題名：「ペア型レセプターを標的とした免疫・感染制御技術の開発」
研究代表者：荒瀬尚（大阪大学微生物病研究所教授）
共同研究者：前仲勝実（北海道大学大学院薬学研究院教授）
研究期間：平成２１年１０月～平成２７年３月
JSTはこの領域で、アレルギー疾患や自己免疫疾患を中心とするヒトの免疫疾患を予防・診断・治療することを目的に、免疫システムを適正に機能させる基盤技術の構築を目指しています。
上記研究課題では、病原体などに対する生体防御や自己免疫疾患などの発症に重要な役割を持つと考えられている、抑制化と活性化の両方のレセプターからなるペア型レセプターを標的として、その免疫制御機構を解明するとともに、病原体や腫瘍、あるいは自己免疫疾患やアレルギー疾患の新たな治療法の開発を目指します。
＜研究の背景と経緯＞
DNAからつくられたたんぱく質はその後、糖鎖やその他分子が付加されることで、生体内で機能するようになります。翻訳後修飾の１つであるO型（オー型）糖鎖（注１）修飾は、生理学的事象で非常に重要ですが、構造的に複雑で多様で不均一であるため、その詳細な機能について理解することは困難でした。一方で、複雑な構造であるために、生体内では細胞の状態のマーカーとして機能しています。例として、腫瘍形成・転移および免疫システム、感染症、血液型、発生・分化において、さらにバイオ医薬においてもその機能の重要性が近年注目されています。
単純ヘルペスウイルスは、好中球やマクロファージなどの免疫細胞表面にある抑制型免疫受容体PILRαを利用して宿主の免疫系に排除されず、宿主に感染しています。これまでに、ウイルス膜表面に存在するエンベロープ分子（注２）gBたんぱく質の、安定な構造をとっていないフレキシブルな領域に含まれるO型糖鎖修飾部位にPILRが結合することによって、細胞侵入が誘導されることが分かっていました（図１）。しかし、PILRαが不均一なO型糖鎖と非構造的なペプチド領域をどのように特異的に認識しているのか、その立体構造や認識機構についての知見は得られておらず、詳細は不明のままでした。
＜研究の内容＞
今回研究グループは、リガンド結合前のPILRα（PILRα単体）、および結合後のPILRα（複合体）の結晶構造を決定することに成功しました。
まず、ウイルス表面のgBたんぱく質のうち、PILRα結合に必要な部位の同定を行いました。さまざまな構造の糖やgBたんぱく質のPILRα結合領域（図１）周辺の糖ペプチドを用いて、PILRαがgBたんぱく質を認識するために必要なユニット構造を同定しました。その結果PILRαは特定のgBペプチド（Gly－3Pro－2Ala－1Thr＋1Pro＋2Ala＋3Pro＋4（＊１））を含むシアル化O型糖鎖（注３）を認識することが分かりました。逆に、単純ヘルペスウイルスが侵入する際に、この７つのアミノ酸からなる糖ペプチドを添加すると、PILRαのgB結合部位がふさがれ、侵入阻害剤として利用できることが分かりました。
構造解析のためにPILRα単独およびこの糖ペプチドを混合したPILRαの結晶化を行い、高エネルギー加速器研究機構の放射光施設PhotonFactory、および理化学研究所のSPring－８においてX線回折データを収集しました。その結果、PILRα単独の結晶構造は１．３Å（オングストローム）の分解能で決定することができました（図２左）。PILRαは典型的な免疫グロブリン様β－サンドイッチ構造（＊２）（注４）を持っていることが分かり、既知構造ではシアル酸（注５）を認識する受容体Siglecファミリー（注６）の１つ、Siglec－１／sialoadhesinと最も高い相同性を示しました。また、Siglecファミリーで保存され、シアル酸認識に必須であるアルギニン残基、"essential R"がPILRαでも保存されており、糖との結合に寄与していることが予測されました。
次に、単純ヘルペスウイルスgBたんぱく質由来の糖ペプチドとの複合体構造を決定しました（図２中央・右）。PILRαは糖部分だけではなく、ペプチド領域も同時に認識するというユニークな結合をしていました（図２右）。また、結合に伴い、PILRαは大きく構造変化しており、変化した部分は糖ペプチドの認識に直接関わっていました（図２）。また、"essential R"に相当する１２６番目のアルギニン残基（Arg１２６）はリガンドである糖ペプチドのシアル酸と直接作用しており（図３）、PILRαにおいても、"essential R"が糖認識において必須であることを結晶構造から明らかにすることができました。さらに、結晶構造解析によって分子レベル、細胞レベルで変異体解析（注７）を行い、糖ペプチドとPILRαの相互作用には糖、ペプチドの両方が必要であること、"essential R"がシアル酸認識に必須であることを確認しました。さらに、PILRαに結合する複数のたんぱく質の共通モチーフについては今まで不明でしたが、今回得られた構造情報からその結合モチーフを推定しました。
＊１、２の正式表記は添付の関連資料を参照
＜今後の展開＞
PILRαのリガンドとなるO型糖鎖修飾たんぱく質は近年続々と同定され、PILRαリガンドファミリーを形成しています。それらは、（１）シアル化が必須であること、（２）シアル酸を含む糖鎖の構造が重要であること、（３）O型糖鎖修飾されたペプチド配列にも特異性があること、というユニークな特徴を示しています。また、免疫細胞に発現するものだけではなく、神経細胞に発現するものも存在し、PILRαを介するシグナルの幅広い機能が示唆されています。今回その認識機構は、他の糖認識受容体とは異なり、糖だけでなく糖とペプチドの両方を同時に認識していることが明らかになりました。PILRαは、免疫系、神経系、ウイルス感染において幅広く機能を発揮しており、PILRαを阻害する単純ヘルペスウイルスの侵入阻害剤の開発のみでなく、PILRαを介する免疫の調節を行う薬剤の開発に必須となるデータを得られたことになります。今後、抗ウイルス薬や免疫調節薬・ワクチンの効果を高める薬（免疫賦活化剤、アジュバント）の開発における基盤情報として利用していく予定です。
※以下の資料は添付の関連資料「参考資料」を参照
・図１ これまでに分かっていた単純ヘルペスウイルス（HSV－１）の細胞侵入機構
・図２ 今回明らかにしたPILRα単独および糖ペプチド複合体の結晶構造
・図３ PILRαと構造類似性の高いSiglecファミリー／糖リガンドとの構造比較
・用語解説
・論文タイトル
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