link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4419-5632-3_2
MicroRNAs: Key Components of Immune Regulation
ドナルド・T・グラシアス，ピーター・D・カティキス
要旨
転写後レベルでの遺伝子発現の制御により、免疫系に重要な遺伝子の制御レベルが明らかになった。マイクロRNA（miRNA）は、タンパク質翻訳を阻害したり、mRNA転写物を分解することで遺伝子発現を制御する低分子RNAである。1つのmiRNAが複数の遺伝子やコード化されたタンパク質の発現を制御する可能性がある。miRNAは分子シグナル伝達経路に影響を与え、免疫機能を含む多くの生物学的プロセスを制御することができる。発生や癌化におけるmiRNAの役割はよく知られているが、免疫系におけるmiRNAの役割はまだ明らかにされ始めたばかりである。ここ数年、多くのmiRNAが、BおよびTリンパ球、樹状細胞、マクロファージ、その他の免疫細胞タイプの発生、分化、生存、および機能に重要であることが判明している。ここでは、免疫におけるmiRNAの重要な役割を明らかにした最近の知見と、miRNAが自然免疫応答と適応免疫応答をどのように制御することができるかについて述べる。
2.1 はじめに
マイクロRNA（miRNA）は、タンパク質の翻訳を阻害したり、mRNAの転写を分解することで遺伝子発現を制御し、様々な生物学的プロセスを制御することができる興味深い低分子RNAの一種である。線虫でlin-4が発見され、lin-14のタンパク質発現を阻害することが分かって以来[36]、他の種でもmiRNAが同定されている。ヒトでは、これまでに約940のmiRNAが同定されており、バイオ情報ツールにより、全遺伝子の30%程度を標的としている可能性が示唆されている[3]。一つのmiRNAが数百の遺伝子の発現を制御する可能性があり、その後、それらによってコードされるタンパク質を制御する可能性がある[1]。このように、miRNAは細胞内の分子シグナル伝達経路に影響を与え、様々な細胞プロセスに影響を与える可能性を持っている。miRNAの機能に関する重要な疑問は、miRNAが細胞の生物学に影響を与えるのは、少数の選択的なターゲットに深く影響するのか、それとも生物学に大きな変化をもたらす多数のターゲットに対してより微妙な影響を与えるのか、ということである。細胞の発生[19, 57]や癌[12]におけるmiRNAの役割はよく知られているが、免疫系におけるその役割はまだ明らかにされ始めたばかりである。様々なmiRNAが、BおよびTリンパ球、樹状細胞、マクロファージ、およびその他の免疫細胞タイプの発生、分化、生存、および機能において重要であることが判明している。本総説では、自然免疫反応と適応免疫反応におけるmiRNAの役割、様々な免疫細胞タイプにおけるその制御、そして免疫疾患への影響に焦点を当てる。
2.2 生成と機能様式
miRNAは、タンパク質コード化遺伝子のイントロン内、および非コード化RNAのエクソンとイントロン内に同定されている[52]。これらの遺伝子は、RNAポリメラーゼII [37] またはRNAポリメラーゼIII [7]によって転写され、一次miRNA転写物 (pri-miRNA)を形成することができる。これらの転写物は、その後、Drosha（RNAse III）とDGCR8（DiGeorge syndrome critical region gene 8またはPasha）という酵素からなるマイクロプロセッサー複合体によってさらに処理される。この処理により、核内で約70ヌクレオチド（nt）長の前駆体miRNA（pre-miRNA）が生成される[15, 20, 24]。このヘアピン構造は、次にranグアノシン三リン酸（Ran GTP）に関連するexportin-5によって細胞質へ輸出される[6]。exportin-5が欠損すると、成熟したmiRNAは減少するが、プレmRNAは核内に蓄積しないことから、核内での消化からプレmRNAを保護するexportin-5の役割が示唆される[42, 66]。プレ-マイクロRNAが細胞質へ輸送されると、RNAse III酵素であるダイサーとそのdsRBP補因子であるTRBPがプレ-マイクロRNAを切断し、約22 nt長のmiRNA二重鎖を作る[31]。ダイサーの欠損は、成熟したmiRNAの産生を阻害することから[22, 38]、miRNAの生合成においてダイサーが重要な役割を担っていることが示唆される。
成熟したmiRNAの片方の鎖は、アルゴノート（Ago2）タンパク質、ダイサー、TRBPからなるRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）にパッケージされる[21]。そして、この成熟miRNAは、RISCを標的mRNAに導き、その3’非翻訳領域（3’UTR）と相互作用する[35]。この相互作用は、3’UTR要素と、miRNAの「シード」領域と呼ばれるヌクレオチド2-7を中心とした5’領域の間の部分的な配列相補性に依存している[4]。当初、miRNAはmRNAにはほとんど影響を与えず、標的タンパク質の出力を抑制すると考えられていたが[51]、最近の研究では、哺乳類のmiRNAは主に標的mRNAレベルを低下させることで作用する可能性が指摘されている[23]。ほとんどの研究が遺伝子を沈黙させる能力に焦点を当てているにもかかわらず、最近のデータでは、いくつかのmiRNAが特定の条件下でタンパク質翻訳を増加させる可能性も示唆されている[61]。
2.3 自然免疫におけるマイクロRNAの役割
自然免疫系は、様々な病原体の感染に対する第一線の防御を行うもので、単球、顆粒球、ナチュラルキラー細胞などの自然免疫細胞によって媒介されている。これらの細胞は、いくつかの保存されたパターン認識受容体を通じて病原体関連分子パターン（PAMPs）を検出するが、その中でもToll様受容体が最もよく知られている。最近の研究では、病原体を認識した後のTLR活性化の下流で、miR-146a、miR-125b、miR-155、miR-9などのいくつかのmiRNAが炎症反応を制御する役割が指摘されている[5,30,49,60]. その他のデータでは、これらの細胞タイプの発生と機能において、miRNAが絶対的に必要であることが示唆されている。以下に述べるように、多くの自然免疫細胞は、miRNAによって制御されている。
2.3.1 単球とマクロファージ
単球とマクロファージは、炎症性サイトカイン産生の誘導と微生物病原体の貪食を通じて、感染に対する自然免疫応答において重要な役割を担っている。ヒト単球において、LPS刺激に応答する200のmiRNAの発現プロファイルを解析したところ、miR-146a/b、miR-155、miR-132の発現が増加していることが明らかになった[58]。miR-146は、IRAK1 (IL-1 receptor-associated kinase 1)とTRAF6 (TNF receptor associated factor 6)を制御しNF-B依存的に制御することがわかった。[58]. IRAK1とTRAF6は、TLRシグナル伝達経路の下流で作用するアダプター分子である。TLR刺激は、AP-1とNF-kB転写因子の活性化につながり、様々な免疫応答遺伝子をアップレギュレートする。miR-146aフィードバックも、マクロファージにおけるIRAK1、IRAK2、TRAF6を標的としたRIG-I経路の調節を通じて、水疱性口内炎ウイルスによって引き起こされるIFNタイプ生産をネガティブに阻害している。[26]。このように、miR-146aは、自然界反応の際のTLRおよびサイトカインシグナルをダウンレギュレートする役割を担っていると考えられる。
TLR活性化後や炎症性サイトカイン（例えば、TNF-やIL-1）による単球でのmiR-9の誘導は、NF-κB1の制御につながり、NF-kB依存応答のフィードバック制御を引き起こす。[5]. 同様に、TLR4誘導型miRNAであるmiR-147は、ネズミのマクロファージにおける炎症反応をネガティブに制御することが示された[40]。
定常発現時にTNF- mRNA転写物を直接抑制するmiR-125bは、LPSの存在下でダウンレギュレーションされる[60]。一方、miR-155は炎症反応を媒介する重要な役割を果たすことが知られており、マウスマクロファージにおいて、Poly(I:C)とIFNにさらされると大幅にアップレギュレートされる[49]。さらに、miR-155は、LPSに応答してTNF-の翻訳を増強し、Ripk I [Receptor (TNFR superfamily) – interacting serine-threonine kinase I], IB kinase (IKK) and Fas-associated death domain (FADD)の表現を直接標的とすることがわかっていた。[60]. また、miR-155は、ホスホイノシチド3キナーゼ経路のネガティブレギュレーターであるイノシトールホスファターゼSHIP1を直接標的とし、炎症反応を促進するキナーゼAktの活性化を高めることが判明した。[50]。
2.3.2 樹状細胞
樹状細胞は、免疫反応の開始と制御に不可欠であり、循環血液中の単球や骨髄の骨髄性前駆細胞に由来する。マイクロアレイプロファイリングにより、5日間の経過中にMDDCにおける20のmiRNAの差分発現が明らかになったように、miRNAはヒト単球由来樹状細胞（MDDC）の分化に重要な役割を果たすと考えられる[25]。この研究では、miR-21とmiR-34が、標的遺伝子であるWNT1とJAG1を制御することにより、MDDCの分化に重要であることが明らかになった。外来性のWnt-1やJagged-1の添加やこれらのmiRNAの阻害は、DC-SIGN/CD14比を調節し、分化したMDDCのエンドサイト機能を低下させた。miR-146aは骨髄由来DCサブセットによって異なって発現し、間質DC（intDC）に対してランゲルハンス細胞（LC）で高い構成発現レベルを持っています[30]。このmiRNAは、TGF-1に応答して転写因子PU.1によって誘導され、TLR2依存性のNF-kBシグナルを減少させることによってDCの活性化を制御している。LCにおけるmiR-146aの高発現は、常在菌のリガンドによる不適切な活性化に対する感受性を低下させるために、上皮微小環境によって誘導されていると考えられる。
miR-155もまた、樹状細胞の最適な機能にとって必要であることがわかった[53]。miR-155は、主要組織適合性複合体II（MHC-II）と共刺激分子の発現によって示される成熟には影響しないが、miR-155欠損のDCはT細胞を効率的に活性化できず、抗原提示に欠陥があることを示唆している。また、pu.1の発現を直接抑制してDC特異的細胞接着分子-3の非インテクリン（DC-SIGN）発現を低下させ、DCの病原菌取り込みを制御できる[44]. 興味深いことに、活性化したヒトMDDCのTAB2レベルを制御することで、IL-1シグナル経路を調節する可能性もあり、負のフィードバックループの一部として炎症性サイトカイン産生を減少させる[8]. このように、miRNAは自然免疫応答および適応免疫応答におけるDCの機能を調節する上で重要な役割を担っている可能性がある。
2.3.3 顆粒球
miRNAは、増殖や機能など、顆粒球の重要なプロセスも制御する可能性がある[29]。miR-223が存在しない場合、骨髄前駆細胞の増殖と病原性刺激に対する好中球の過敏性が増加し、炎症反応の誇張につながる。また、骨髄系前駆細胞の増殖に重要な転写因子であるMef2cを直接標的とするが、機能には関与していないことから、他の標的も関与している可能性が示唆された。したがって、miR-223は、活性化中の顆粒球の反応を微調整し、病態につながる異常な反応や不適切な反応を防ぐ働きをすると考えられる。miR-9は、ヒト好中球のLPSによって、MYD88/INF-B依存的に誘導され、抑制フィードバックループを介して細胞機能を制御する[5]。
また、他のグループは、炎症時や急性骨髄性白血病（AML）の特定の症例における顆粒球／マクロファージ（GM）の拡大におけるmiR-155の役割を特定し、SHIP1が重要な標的であると述べている[50]。マウスでmiR-155を過剰発現させると骨髄増殖性障害になることから、自然免疫時のmiRNA発現制御には厳しいバランスが保たれていることがわかる[50]。
2.3.4 その他の自然免疫細胞
不変性NK T（iNKT）細胞は、MHCクラスI様分子であるCD1dによって提示される脂質に特異的な不変性T細胞受容体（TCR）を発現する自然免疫様T細胞の異なるクラスである。iNKT細胞ではmiR-21が過剰発現し、他の13のmiRNAが過小発現するという、他のT細胞とは異なるmiRNA発現プロファイルを示す[18]。機能的なmiRNAの生成に重要なダイサーを欠失させると、細胞死の増加により胸腺と末梢の両方でiNKT細胞の数が著しく減少する[69]。
マスト細胞などの他の自然細胞は、ほとんどの組織に存在し、特に皮膚、胃腸管、肺気道などの露出した表面付近に存在する。miR-221-222は、マスト細胞の活性化に伴い、細胞増殖を抑え、細胞周期阻害剤p27kipの部分的阻害を通じて細胞周期を制御することにより、マスト細胞の様々な機能を媒介すると考えられている[45]。
2.4 適応免疫におけるマイクロRNAの役割
適応免疫応答は、細胞傷害性エフェクター反応につながる抗原特異的TおよびBリンパ球の活性化とその後のクローン拡大、感染症に対応したサイトカインおよび抗体産生によって特徴づけられる。自然免疫における応答の制御に加えて、miRNAは適応免疫応答の制御においても重要な役割を担っている。多くの異なるmiRNAがB 細胞とT 細胞の発生、活性化、生存、増殖に重要な役割を担っている。
2.4.1 B細胞
B細胞の発生におけるmiRNAの重要性は、ダイサー欠損のB細胞で行われた研究から知ることができ、おそらくmiR-17-92の標的であるBimの発現が増加した結果、発生が阻害されたと考えられる[34]。その研究では、miR-17-92は成熟B細胞におけるV(D)J遺伝子の再配列を制御しないことも示された。ナイーブメモリーB細胞や胚中心（GC）リンパ球（セントロブラスト）などの精製B細胞サブセットのゲノムワイド発現プロファイリングにより、B細胞の分化過程におけるmiRNAレベルの時間的変化が明らかになった。[43]. また、中心芽細胞では、IRF4とPRDM1（BLIMP1）の発現を標的とするmiR-125bの発現が上昇し、非常にユニークなmiRNA発現シグネチャーが示された。これらの因子は、形質細胞やメモリーB細胞への分化に必要なBCL6の発現を抑制することができる。つまり、miR-125bは、B細胞の分化を制御する役割を担っている可能性がある。しかし、メモリーB細胞は、GCリンパ球（miR-223のレベルが低い）で優先的に発現されるLMO2の発現をダウンレギュレートするmiR-223を発現している。GC細胞におけるLMO2の機能はまだ解明されていないが、びまん性大細胞型B細胞リンパ腫（DLBCL）患者におけるその発現レベルは、生存率の上昇と相関している[47]。
miR-181aはマウス骨髄のBリンパ系細胞で優先的に発現し、造血前駆細胞での異所性発現により、Bリンパ系細胞が倍増するが、Tリンパ系細胞は増加しない[10]。別の関連メンバーであるmiR-181bは、活性化誘導型シチジンデアミナーゼ（AID）を直接制御することにより、活性化B細胞におけるクラススイッチ組換え（CSR）を障害し、それによってB細胞の悪性腫瘍を抑制することが分かっている[14]。同様に、DLE2/miR-15a/16-1クラスターは、G0/G1-S期関連の標的遺伝子を制御することにより、B細胞の増殖を制御していると考えられる[32]。miR-17-92の発現が増加すると、腫瘍抑制因子であるPTENとBimを直接標的とするため、増殖が増加し、活性化による細胞死が少なくなる結果、リンパ増殖性疾患や自己免疫の原因となる可能性がある[65]。
リンパ球の発生過程において、miR-150は成熟リンパ球と休息リンパ球で高発現し、転写因子c-Mybを標的とし、その欠失はプロからプレB細胞への移行を阻止し、B1細胞の形成を阻止する[64]。miR-150の切除により、B1細胞の拡大が進み、体液性免疫応答が増強される。
B細胞応答における最も特徴的なmiRNAはmiR-155であり、その欠失はB細胞免疫に欠陥をもたらす[53, 59]。miR-155欠失は胚中心B細胞と濾胞外B細胞の数の減少をもたらし、B細胞が高親和性IgG1抗体を産生できない。ここで、miR-155は、標的遺伝子PU.1を直接抑制することにより、形質細胞の形成を制御することができる[62]。また、AIDを介したMyc-Ighの転座を抑制し、潜在的な発がん性の転座を抑制する腫瘍抑制因子として働くことができる[16]。
2.4.2 T細胞
T細胞の発達には様々なシグナル伝達カスケードが必要であり、それらは様々なmiRNAによって制御されている。T細胞の発達のいくつかの段階において、分化や活性化などの機能を制御するmiRNAがアップレギュレートされ、miRNAの発現の明確なパターンが存在する[48]。さらに、ナイーブ、エフェクター、メモリーCD8 + T細胞の発現プロファイルから、各サブセットにおけるmiRNAのレベルのダイナミックな変化が明らかになった。[63]。ナイーブCD8 + T細胞に比べてエフェクターCD8 + T細胞ではmiRNAのグローバルなダウンレギュレーションが起こり、メモリーCD8 + T細胞ではそのレベルが再び上昇する。また、活性化に伴い、増殖したCD4 + T細胞は3’UTRが短いmRNAを発現する傾向があり、miRNAによる制御を受けにくくなる[55]。したがって、これらの結果は、miRNAが、抗原によるT細胞の活性化と分化の際に遺伝子発現を調節するのに重要である可能性を示唆している。
T細胞特異的にダイサーを欠失させると、T細胞の発達が損なわれ、を発現する胸腺細胞の生存率が低下し、ヘルパーT細胞細胞の分化と機能が調節できなくなる[11]。末梢T細胞は数が減少し、活性化しても増殖が悪く、アポトーシスが増加する[46]。T細胞の発達に重要なmiRNAの一例として、miR-181aがある。これは、複数のホスファターゼを抑制することでTCRシグナルの強さを調節し、ネガティブセレクションとポジティブセレクションに影響を与えることができる[39]。また、その発現により、中程度の親和性を持つ相互作用T細胞クローンを欠失させることで、中枢性寛容を維持することができる。
他の研究では、T細胞の分化、活性化、機能において、miR-155のような様々なmiRNAの役割が示されている。miR-155がない場合、CD4 + T細胞は、IL-4、IL-5、IL-10のようなサイトカインの産生を増加させるTH1よりもTH2分化に傾きやすい[53]。これは、IL-4プロモーターの強力なトランスアクチベーターであるc-mafレベルの増加によるものと考えられる。miR-155はまた、CD4 + T細胞上のIFNRの発現を抑制し[2]、IFNの抗増殖効果に対する感受性を低くしている。miR-155レベルの上昇は、CD4 + T細胞に制御性T細胞を介した抑制に対する抵抗性を付与する可能性もある[56]。
一方、miR-326は、Ets-1を標的とすることでTH17の分化を促進し、多発性硬化症の病態に重要な役割を果たす可能性があることが判明した[17]。同様に、miR-17-92は、胚中心B細胞や抗体応答の維持に重要なT濾胞ヘルパー（TFH）細胞の分化を制御することが明らかになった[67]。B細胞における役割に加え、このmiRNAを過剰発現しているT細胞は、増殖と生存の能力の向上も示している[65]。T細胞の活性化はmiR-146aの誘導につながり、TCRのトリガーによってもたらされるアクチベータープロテイン1（AP-1）とIL-2の産生を損ない、適応免疫応答を制御する可能性がある[13]。また、FADD（Fas-associated death domain）の発現を直接抑制し、活性化によって誘導される細胞死を調節することができる。T細胞の活性化には、TCRと共刺激分子の両方を介したシグナル伝達が必要であり、他の機能に加えて、おそらくmiRNAの発現を制御することによっても、T細胞の活性化が可能になる。T細胞のCD28共刺激はmiR-214レベルを増加させ、その結果、Ptenを標的とした増殖の促進を可能にする[28]。
miRNAは、制御性T細胞の発達と機能にも重要であることが判明している。フォークヘッドボックスP3（Foxp3）+Treg細胞でダイサーが存在しない場合、転写因子Foxp3のダウンレギュレーションと、生体内試験でのサプレッサー機能の喪失が見られる[68]。Foxp3はTreg細胞においてmiR-155の発現をアップレギュレートし、これはTregの発生に重要であるか[33]、あるいはSOCS1やc鎖サイトカインのシグナルを制御することによってTreg増殖活性や恒常性を維持するのに重要である[41]と考えられている。Foxp3はまた、CD4 + CD25 + Treg細胞においてmiR-142-3pをダウンレギュレートし、アデニルシクラーゼ（AC）9 mRNAを標的とし、サプレッサー機能に必要なcAMPレベルの上昇を可能にする[27]. 一方、miR-31やmiR-21などのmiRNAは、T細胞におけるFoxp3の発現を制御する可能性がある[54]。
以上のことから、miRNAがT細胞サブセットの発達、分化、機能を制御し、感染症や自己免疫に対する免疫応答の側面を制御する上で重要な役割を担っていることを示す証拠が次々と出てきていることが明らかになった。
2.5 結論
miRNAは、免疫系において重要な役割を果たし、免疫細胞の発達、分化、機能などのプロセスを制御していることが明らかになりつつある。様々なタイプの免疫細胞において、多くの反応を制御するいくつかのmiRNAが同定されている。また、miR-155のような単一のmiRNAが、異なる標的遺伝子を直接制御することによって、マクロファージ、樹状細胞、BおよびTリンパ球に影響を与え、グローバルな免疫応答に影響を与えるという興味深いパターンも出現している。これまでの様々な研究から、免疫系におけるmiRNAの発現異常が、特に炎症性疾患、がん関連疾患、自己免疫疾患などの疾患発症に寄与する可能性があることが、ますます明らかになってきている。さらに、miRNAは、ウイルスや細菌などの病原体に対する免疫反応にも重要であり、宿主免疫に寄与している可能性がある。生体内でのmiRNAの役割を解明し、その機能だけでなく、その効果を媒介するメカニズムも確認するためには、さらなる研究が必要である。また、miRNAが個々の遺伝子を標的として強く作用し、免疫力を変化させるのか、あるいは、一連の遺伝子に穏やかに作用し、深い生物学的結果をもたらすのか、生体内試験モデルを用いて解明する必要がある。免疫におけるmiRNAの複雑な役割を解明し、理解を深めるためには、さらに多くの研究が必要であり、最終的には病気を治療するための新しい治療法を開発することができるかもしれない。