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自然免疫における異常なR-loop：敵か味方か？
May 9, 2023
はじめに：R-loops… 敵か味方か？
哺乳動物細胞における遺伝子転写では、一本鎖の新生RNA分子が二本鎖DNAと相互作用し、その特徴的な配置が変化することにより『R-loops』が形成されます。R-loopsは、転写調節やDNA損傷修復において重要な役割を果たしますが(Santos-Pereira and Aguilera, 2015) 、一方でDNA二本鎖切断と密接に関連することも知られており、その存在がゲノムの不安定性や、老化促進、アポトーシスなどを誘発する可能性があります(Crossley et al.、Santos-Pereira and Aguilera、およびHe et al.)。ヒト細胞におけるR-loopの消失機構として、senataxin (SETX遺伝子にコードされるヘリカーゼ)によるRNA-DNAハイブリッドの巻き戻し(Skourti-Stathaki et al.)やBRCA1タンパク質(BRCA1: BReast CAncer susceptibility gene 1遺伝子にコードされるがん抑制因子)が関与していることが知られています(Hatchi et al.)。
R-loopプロセッシング：副産物はどうなる？
R-loopが生じたゲノム領域ではエンドヌクレアーゼによる核酸分解プロセッシングを介したDNA切断が誘導されるため(Sollier et al.、Makharashvili et al.、Cristini et al.)、一般的にDNA損傷レベルが上昇し、ゲノムが不安定になります(Crossley et al.)。しかし、R-loop消失の詳細なメカニズムや細胞への影響は不明なままでした。最近、Crossleyを筆頭著者とするStanford UniversityのKarlene A. Cimprichらの研究グループは、過剰なR-loopが生じるとエンドヌクレアーゼ活性により生じたR-loop分解産物が細胞質に蓄積し、これにより自然免疫応答が活性化されて細胞死が起こることをNature誌に発表しました(訳注：R-loopは核内で生じることから、その解消プロセスも核内の現象と考えられていました)。この論文では最終的に、異常なR-loopプロセッシングにより起こる自然免疫活性化が、がんや神経変性などの発症に関連する新たな疾患関連メカニズムである可能性を示唆しています。
R-loopプロセッシングに対する細胞の応答
Crossley らはまず、R-loopの解消に関与するsenataxinまたはBRCA1をヒト細胞において発現抑制し、人為的に多数のR-loop形成を誘導しました。すると、エンドヌクレアーゼによりプロセッシングされたR-loop分解産物は、RNA-DNAハイブリッドとして細胞質に蓄積することを見出しました。次に、SETXノックダウン細胞の細胞質から精製したRNA-DNAハイブリッドをcytoDRIP-Seqと名付けた次世代シークエンシングにより解析しました。これにより、細胞質に蓄積したハイブリッドは、核内で大量に生じたR-loopに由来すること、および特定の安定した配列を有することを明らかにしています。
自然免疫応答では病原体特有のタンパク質やDNA、RNAの構造を認識するパターン認識受容体を介して生体防御機構が活性化されますが、R-loop分解産物のとの関連は知られていませんでした。そこで著者らは、細胞質RNA-DNAハイブリッドを認識するパターン認識受容体を探索し、細胞質ハイブリッドがcGAS (cyclic GMP-AMP synthase)とTLR3 (Toll-like Receptor 3)に結合することを見出しました。これらはそれぞれDNAとRNAの受容体として働くことが知られています(Schlee and Hartmann)。さらに、これらの受容体の下流において、IRF3 (Interferon Regulatory Factor 3)のシグナルが活性化されて細胞死が誘導されることも示しました。興味深いことに、著者らは、SETXの機能消失型変異を原因とする眼球運動失行を伴う運動失調症2型(AOA2: 常染色体潜性の脊髄小脳失調症の一種；Suraweera et al.)の患者由来線維芽細胞、およびBRCA1に変異を有するヒト卵巣がん細胞(Harding et al.)において、過剰なR-loopの蓄積を介した免疫応答が生じていることを示しています。
結論、疑問、今後の研究
この論文は、異常なR-loopプロセッシングにより生じる細胞質RNA-DNAハイブリッドレベルの上昇が、自然免疫応答を誘導して細胞死を引き起こすという証拠を示しています。さらにR-loopプロセッシングの異常が、がんや神経変性などの疾患と関連することを示し、更に多くの疾患との関連も示唆しています。しかし、核内で形成されるR-loopがどのようにプロセッシングされるのか、なぜ特定の性質を持つR-loopのみが細胞質へ移行して蓄積するのかなど、R-loopプロセッシングの詳細については未解明の部分がが残されています。今後、R-loopプロセッシングの制御メカニズムの詳細が明らかにされることにより、R-loopプロセッシングに関連する疾患の新たな治療法開発や、新たな診断法の開発にも応用されることが期待されます。
R-loopプロセッシングと疾患との関連について詳細は、Nature, December 2022をご参照ください。
About the author
Stuart P. Atkinson, Ph.D.
Stuart was born and grew up in the idyllic town of Lanark (Scotland). He later studied biochemistry at the University of Strathclyde in Glasgow (Scotland) before gaining his Ph.D. in medical oncology; his thesis described the epigenetic regulation of the telomerase gene promoters in cancer cells. Following Post-doctoral stays in Newcastle (England) and Valencia (Spain) where his varied research aims included the exploration of epigenetics in embryonic and induced pluripotent stem cells, Stuart moved into project management and scientific writing/editing where his current interests include polymer chemistry, cancer research, regenerative medicine, and epigenetics. While not glued to his laptop, Stuart enjoys exploring the Spanish mountains and coastlines (and everywhere in between) and the food and drink that it provides!
Contact Stuart on Twitter with any questions
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