大型放射光施設 SPring-8

公開日

2015年01月20日

2015年1月20日
国立大学法人東京大学

研究成果のポイント
•進入してきたウイルスや細菌から生体を守るために、Toll様受容体8 （TLR8）という自然免疫応答を引き起こすタンパク質があります。
•TLR8に一本鎖RNA^（注１）が結合した状態の詳細な三次元構造と、その活性化には一本鎖RNAと一本鎖RNAが分解されて生じるウリジンとの協調的な作用が関わっていることを明らかにしました。
•本成果は、TLR8を標的とした抗がん剤や自己免疫疾患治療薬などの開発につながることが期待されます。

発表内容
   病原体に対する防御機構として、私たちの体には自然免疫機構が備わっています。TLR受容体は自然免疫系の受容体であり、病原体の持つ特定の分子パターンを認識しています。TLR受容体が活性化すると、自然免疫が発動して炎症反応や抗ウイルス応答が起こり、病原体を排除します。TLR受容体はI型膜貫通タンパク質^（注３）であり、細胞外のロイシンリッチリピート（LRR）ドメイン^（注４）で分子パターンを認識して細胞外から細胞内へ情報を伝達しています。
   TLR7およびTLR8は、HIV-1やA型インフルエンザウイルスなどの一本鎖RNAを認識し、最終的に抗ウイルス応答を引き起こすTLR受容体です。一方で、生体自身の死細胞などから放出されるRNAにも反応して異常な炎症応答を引き起こし、自己免疫疾患などを引き起こすことが知られています。これまで、TLR7およびTLR8がどのようにして一本鎖RNAを認識するのかについて、詳細な機構は不明でした。さらにこれらのTLRは一本鎖RNAとは構造的にも化学的にも大きく性質の異なる化学合成リガンド^（注５）でも活性化されますが、この機構は大きな謎でした。

   本研究グループは、一本鎖RNA に結合した状態のTLR8 （一本鎖RNA結合型TLR8 、3種）、およびウリジンに結合した状態のTLR8（ウリジン結合型TLR8）の結晶構造を明らかにすることに成功しました。結晶からの回折像の測定には、大型放射光施設SPring-8および高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリーの強力なX線を使用し、1.9～2.6 Å（オングストローム、1 Åは0.1ナノメートル）という高い分解能で構造を決定しました。
   構造解析の結果、一本鎖RNA結合型TLR8とウリジン結合型TLR8は、いずれもTLR8が2分子結合した活性化型の2量体構造であることがわかりました（図１）。一本鎖RNA結合型TLR8の構造から、TLR8には一本鎖RNAそのものは結合しておらず、その分解産物であるウリジン（モノヌクレオシド）と オリゴヌクレオチドをそれぞれ別々の部位（第一結合部位、第二結合部位）で認識していることがわかりました。第一結合部位は合成低分子化合物の結合部位に相当し、2量体界面に存在していました。第二結合部位は今回の研究で新たに見つかった結合部位でTLR8のLRR構造の内側にあり、2量体界面から離れた場所に存在していました。また、ウリジン結合型TLR8の構造では、第一結合部位にウリジンが結合していました。TLR8とモノヌクレオシドやモノヌクレオチドとの結合の強さを測定したところ、これらの中でウリジンが最も強く結合すること、および一本鎖RNA存在下ではウリジンの結合が増強されることが明らかになりました。
   これらの結果から、TLR8の活性化は、一本鎖RNAとその分解産物のウリジンによる協調的な効果によって引き起こされることが明らかになりました（図２）。またTLR8の化学合成リガンドはウリジンと類似しており、両者が同様にTLR8を活性化するという謎を解明するものでもあります。
   病原体由来のRNAを認識するTLR7およびTLR8は、ウイルス感染や自己免疫疾患、さらにはがんに至るまで、さまざまな疾患に関わっていることがわかっています。しかし、TLR7やTLR8の一本鎖RNAの具体的な認識機構はこれまで不明であり、それらの疾患の発症機構の解明は困難でした。これまでTLR8は一本鎖RNAを認識する受容体だと考えられていましたが、今回の結果からウリジンも同時に認識していることが明らかになりました。このことは、TLR8を標的にした創薬において、2つの部位で制御するという新しい視点を取り入れた治療薬開発に応用できると期待されます。
   本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（CREST）、科学研究費補助金、公益財団法人武田科学振興財団助成金、公益財団法人持田記念医学薬学振興財団助成金などの外部資金支援を受けて行われたものです。

《参考図》

《用語解説》
[1]　一本鎖RNA
   二本鎖を構成していないRNAである。遺伝情報をRNAとして保持するウイルス（RNAウイルス）は一本鎖RNAウイルスと二本鎖RNAウイルスに分けられる。

[2]　ウリジン
   RNAを構成する成分の一つであり、ウラシル（塩基）とリボース（糖）が結合した構造を持つ。

[3]　I型膜貫通タンパク質
   タンパク質のN末端側が細胞外に、C末端側が細胞内に配置している1回膜貫通型タンパク質。

[4]　ロイシンリッチリピート（LRR）ドメイン
   保存されたロイシンを含む20～30残基のアミノ酸配列が複数連なって形成される領域である。全体として馬蹄形の構造を形成する。

[5]　リガンド
   特定の受容体（receptor; レセプター）に特異的に結合する物質。TLR8では天然に存在するRNA以外に人工的に合成されたある種の化合物もリガンドとなることが知られている。