NUDT21によるオートファジー経路を介したマクロファージの過剰活性化の調節

学術的背景

炎症反応は、病原体の排除や組織修復を促進する体の免疫防御の重要な要素です。しかし、この反応の調節不全は、炎症性腸疾患（IBD）、関節リウマチ（RA）、乾癬、全身性エリテマトーデス（SLE）などの慢性炎症性疾患を引き起こす可能性があります。これらの疾患は、異常な免疫反応と持続的な炎症を特徴とし、重篤な生命を脅かす状態に発展する可能性があります。マクロファージの過剰活性化は、これらの炎症性疾患の重要な特徴であり、疾患の病態に大きく寄与しています。これらの条件下での機能不全のマクロファージは、炎症反応が亢進し、組織損傷、持続的な炎症、疾患の重症化を引き起こします。したがって、マクロファージの活性化を制御する複雑な調節メカニズムを研究することは、過剰な炎症反応を防ぐためにタイムリーな調整を行うために重要です。

分子レベルでは、正確な転写調節とRNA代謝の変化が、マクロファージの活性化状態とサイトカイン産生に密接に関連しています。RNA代謝には、RNAの合成、加工、分解に関与するさまざまなプロセスが含まれます。選択的ポリアデニル化（Alternative Polyadenylation, APA）は、RNA代謝の重要なプロセスであり、異なるポリアデニル化部位（PAS）を選択することにより、異なる3’非翻訳領域（3’UTR）長を持つmRNAアイソフォームを生成します。APAは、主に2つのタイプに分けられます：3’UTR-APAとイントロン-APAです。3’UTR-APAは、コーディング配列を変更せずに3’UTRの長さを調整し、イントロン-APAは、短縮されたタンパク質を生成する可能性があります。研究によると、3’UTRの短縮は、マクロファージの分化中またはウイルス刺激に応答して起こりますが、APA調節因子、特に個々のマクロファージ活性化への寄与については不明な点が多く残されています。

論文の出所

本論文は、Yunzhu Chen、Baiwen Chen、Jingyu Liら、上海交通大学医学院、同济大学、重庆医科大学などの研究者によって共同で行われ、2024年11月13日にCellular & Molecular Immunology誌に掲載されました。論文の責任著者はHua-bing Liです。

研究の流れと結果

1. 炎症性疾患におけるNUDT21の発現増加

NUDT21の炎症性疾患における役割を探るため、研究者らはまずGEOデータベースを用いて、さまざまな免疫介在性炎症性疾患（IMIDs）におけるNUDT21のmRNA発現プロファイルを分析しました。その結果、炎症性腸疾患（IBD）、乾癬、関節リウマチ（RA）、敗血症患者の炎症組織において、NUDT21のmRNA発現が有意に上昇していることが明らかになりました。さらに、IFNγ/LPS刺激後の骨髄由来マクロファージ（BMDMs）において、NUDT21のmRNAおよびタンパク質レベルが増加していることも確認されました。これらの結果は、NUDT21が炎症の進行を促進する可能性を示唆しています。

2. NUDT21欠損マクロファージの大腸炎に対する保護効果

NUDT21のマクロファージにおける機能を調べるため、研究者らは骨髄系特異的NUDT21欠損マウス（NUDT21fl/fl LysMcre、以下NUDT21-CKO）を作製しました。RT-qPCRおよびウェスタンブロット解析により、NUDT21-CKOマウスのBMDMsにおいてNUDT21が効率的に欠損していることが確認されました。その後、研究者らは3%デキストラン硫酸ナトリウム（DSS）を用いてマウスの大腸炎モデルを誘導し、野生型（WT）マウスと比較して、NUDT21-CKOマウスでは体重減少が少なく、結腸の短縮が軽度で、結腸炎症も軽度であることを発見しました。これらの結果は、NUDT21欠損がマクロファージ機能の変化を通じて大腸炎に対して保護効果を持つことを示しています。

3. NUDT21欠損マクロファージによる過剰炎症の軽減

NUDT21欠損マクロファージの急性過剰炎症における役割をさらに調べるため、研究者らはポリI:Cとリポ多糖（LPS）を用いてマウスのHLHモデルを誘導しました。その結果、WTマウスと比較して、NUDT21-CKOマウスでは生存率が有意に向上し、体温と体重の減少が少なく、末梢白血球数と脾臓損傷スコアも低いことが明らかになりました。さらに、NUDT21-CKOマウスの脾臓および肝臓組織では、炎症性サイトカインIL6およびIL1βのmRNA発現レベルが有意に低下していました。クロドロネートリポソームを用いてマクロファージを除去したところ、WTマウスの死亡率がNUDT21-CKOマウスと同程度に低下し、NUDT21欠損マクロファージが急性炎症の軽減に重要な役割を果たしていることが確認されました。

4. NUDT21欠損マクロファージの炎症促進特性の低下

研究者らはさらに、HLHモデルにおけるNUDT21欠損マクロファージの特性を分析し、WTマウスと比較して、NUDT21-CKOマウスの脾臓マクロファージの数と割合が増加し、細胞死が減少していることを発見しました。さらに、NUDT21-CKOマウスの脾臓マクロファージでは、IL6およびTNFαの発現レベルが有意に低下し、サイトカイン分泌も減少していました。これらの結果は、NUDT21欠損がマクロファージの炎症促進特性を有意に低下させることを示しています。

5. NUDT21欠損マクロファージにおけるオートファジー活性の増強

NUDT21欠損マクロファージの抗炎症特性の分子メカニズムを探るため、研究者らはWTおよびNUDT21-CKOマウスのBMDMsに対してハイスループットトランスクリプトームシーケンシング（RNA-seq）を行いました。その結果、NUDT21欠損マクロファージでは2707の遺伝子が差異発現しており、そのうち88%の遺伝子がアップレギュレーションされ、12%の遺伝子がダウンレギュレーションされていました。遺伝子オントロジー（GO）および京都遺伝子・ゲノム百科事典（KEGG）経路解析により、オートファジー関連経路が最も豊富に存在することが明らかになりました。さらに、NUDT21欠損マクロファージでは、主要なオートファジー調節因子であるMAP1LC3BおよびULK2の発現が有意に増加し、これらの遺伝子のmRNA安定性が増強されていることが確認されました。透過型電子顕微鏡（TEM）および免疫蛍光染色により、NUDT21欠損マクロファージではオートファゴソームおよびオートリソソームの数が有意に増加していることが確認されました。

6. NUDT21によるオートファジー遺伝子のmRNA安定性の調節

NUDT21は、UGUAモチーフを認識して遠位ポリアデニル化部位の使用を促進し、その欠損はmRNAの3’UTR短縮を引き起こします。研究者らは、DAPARSアルゴリズムを用いてWTおよびNUDT21-CKOマウスのBMDMsのRNAシーケンシングデータを分析し、約1800の遺伝子が3’UTR長の変化を示し、そのうち90%の遺伝子が3’UTR短縮を示すことを発見しました。さらに、NUDT21欠損マクロファージでは、MAP1LC3BおよびULK2のmRNA安定性が増強され、オートファジー活性が増加し、NF-κBシグナル経路の活性化と炎症性サイトカインの分泌が減少することが明らかになりました。

結論と意義

本研究では、NUDT21が3’UTR長を調節することで、主要なオートファジー遺伝子のmRNA安定性に影響を与え、マクロファージのオートファジー活性と炎症反応を調節することを明らかにしました。NUDT21欠損マクロファージは、オートファジー活性が増強され、炎症性サイトカインの分泌が減少することで、炎症性疾患において保護的な役割を果たします。この発見は、RNA代謝とオートファジー調節の間の複雑な相互作用を明らかにし、炎症性疾患の治療における新たな潜在的なターゲットを提供します。

研究のハイライト

1. NUDT21は炎症性疾患において発現が増加しており、炎症の進行において重要な役割を果たす可能性があります。
2. NUDT21欠損マクロファージは、オートファジー活性を増強し、炎症性サイトカインの分泌を減少させることで、大腸炎およびHLHモデルにおいて保護的な役割を果たします。
3. NUDT21は3’UTR長を調節し、オートファジー遺伝子のmRNA安定性に影響を与えることで、マクロファージの炎症反応を調節する新たなメカニズムを明らかにしました。

研究の価値

本研究は、NUDT21がマクロファージのオートファジーと炎症反応において重要な役割を果たすことを明らかにし、炎症性疾患の治療における新たなアプローチを提供します。NUDT21または関連するオートファジー遺伝子の3’UTRを標的とすることで、マクロファージの全体的な機能を損なうことなく、正確な抗炎症治療法を開発する可能性があります。この発見は、科学的価値と臨床応用の可能性を秘めています。