ミコラクトンは、Sec61依存的に血管内皮グリコカリックスと基底膜の壊滅的な損失を引き起こす：マイコバクテリウム・ウルセランス感染における組織壊死を促進する新たな間接的メカニズム

Główne pojęcia

ミコラクトンはSec61トランスロコンを阻害することで、血管内皮細胞におけるグリコカリックスと基底膜の構成要素の産生を阻害し、その結果生じる細胞接着と遊走の欠損が、マイコバクテリウム・ウルセランス感染における組織壊死の一因となる。

Streszczenie

研究の概要

本研究は、マイコバクテリウム・ウルセランス感染症（ブルーリ潰瘍）における組織壊死のメカニズムに関する新たな知見を提供するものです。従来、組織壊死は、菌が産生する毒素であるミコラクトンの直接的な細胞毒性作用によってのみ引き起こされると考えられてきました。しかし、本研究では、ミコラクトンが血管内皮細胞に及ぼす影響をin vitroおよびin vivoで詳細に解析し、ミコラクトンがSec61トランスロコンを阻害することで、血管内皮細胞のグリコカリックスと基底膜の構成要素の産生を阻害し、その結果生じる細胞接着と遊走の欠損が、組織壊死に寄与することを明らかにしました。

研究方法

• ヒト皮膚微小血管内皮細胞（HDMEC）を用いたin vitro実験
• マウスを用いたin vivo実験
• タンデム質量タグ（TMT）多重LC/MSを用いたプロテオミクス解析
• フローサイトメトリー
• 免疫蛍光染色
• 電子顕微鏡

主な結果

• ミコラクトンは、HDMECにおいて、細胞形態の変化（細胞の伸長化、丸みを帯びて細胞接着能の低下）、細胞遊走の阻害、単層透過性の亢進を引き起こす。
• プロテオミクス解析の結果、ミコラクトンは、グリコシル化、細胞接着、細胞外マトリックスの構成に関与するタンパク質を有意に減少させることが明らかになった。
• ミコラクトンは、ゴルジ体に局在するII型膜貫通型タンパク質、特にグリコサミノグリカン（GAG）合成に必要な酵素を著しく減少させる。
• GAGリンカー構築酵素であるガラクトシルトランスフェラーゼII（B3GALT6）のノックダウンにより、ミコラクトンと同様の細胞形態変化と単層透過性の亢進が認められた。
• ミコラクトンは、基底膜の構成成分であるラミニンや他の接着分子も減少させる。
• 外因性ラミニン-511の添加は、ミコラクトンによって誘導される細胞の丸みと接着の欠損を改善し、細胞遊走を回復させた。
• マウス感染モデルにおいて、感染初期段階で血管壁へのフィブリノーゲンの浸透が観察され、その後、真皮におけるフィブリンへの変換が認められた。また、血管周囲の染色性の低下と基底膜の不規則な構造が観察された。

結論

ミコラクトンは、Sec61トランスロコンを阻害することで、血管内皮細胞におけるグリコカリックスと基底膜の構成要素の産生を阻害する。その結果、細胞接着と遊走が阻害され、血管機能不全が引き起こされる。この血管内皮細胞に対する作用は、ミコラクトンによる組織壊死の新たなメカニズムとして、ブルーリ潰瘍の病態形成に重要な役割を果たしている可能性がある。

今後の展望

本研究の結果は、ブルーリ潰瘍の新たな治療法開発に繋がる可能性を秘めている。例えば、外因性ラミニン-511の投与は、血管内皮細胞の機能を回復させ、組織修復を促進する効果が期待される。

Statystyki

24時間のミコラクトン曝露により、HDMECにおいて482個のタンパク質が有意にダウンレギュレートされ、220個のタンパク質がアップレギュレートされた（>2倍の変化、p < 0.05）。
ダウンレギュレートされたタンパク質の84.6%は、主にSec61トランスロコンに依存する分泌/エンドリソソーム経路を介して輸送されるタンパク質であった。
ミコラクトンは、ゴルジ体に局在するII型膜貫通型タンパク質のほぼすべてを有意にダウンレギュレートした。
ミコラクトンに曝露されたHDMECでは、GAG生合成経路に関与する23個のタンパク質のうち19個（82%）がダウンレギュレートされた。
ミコラクトン曝露後わずか2時間で、HDMECのパーレカンは約50%減少した。
HDMECにおけるフィブロネクチンのレベルは、ミコラクトン曝露後4時間で75%以上減少し、非常に急速に減少した（p<0.01）。

Cytaty

"The polyketide-derived toxin mycolactone, generated by M. ulcerans, is the critical driver of BU pathogenesis"
"Mycolactone docks to Sec61, preventing signal peptide engagement and locking the translocon in an inactive state"
"The current work presents a novel pathogenic mechanism in BU, driven by Sec61-dependent effects on endothelial cells."

Kluczowe wnioski z

Mycolactone causes destructive Sec61-dependent loss of the endothelial glycocalyx and vessel basement membrane: a new indirect mechanism driving tissue necrosis in Mycobacterium ulcerans infection

by Hsieh,L. T.-... o www.biorxiv.org 02-21-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.02.21.529382v2

Głębsze pytania

ミコラクトンによって阻害されるSec61依存性タンパク質の産生を回復させることで、ブルーリ潰瘍の治療効果が期待できるか？

ミコラクトンによって阻害されるSec61依存性タンパク質の産生を回復させることができれば、ブルーリ潰瘍の治療効果が期待できます。なぜなら、ミコラクトンの毒性は、Sec61トランスロコンの阻害を介して発揮されるからです。Sec61は、細胞膜や細胞外、様々なオルガネラへと輸送される分泌タンパク質の産生に必須のタンパク質複合体です。
本論文では、ミコラクトンが血管内皮細胞に及ぼす影響について詳細に解析しており、ミコラクトンがSec61を阻害することで、細胞接着、遊走、透過性に関わる多くのタンパク質（特にプロテオグリカンや基底膜構成成分）の発現が著しく低下することが示されています。
もし、Sec61の機能を回復させることができれば、これらのタンパク質の産生が再開され、血管内皮細胞の機能が回復することで、ブルーリ潰瘍の病態進行を抑制できる可能性があります。例えば、血管内皮細胞の細胞接着や透過性の回復は、組織への細菌の拡散を防ぎ、免疫細胞の浸潤を促進することで、感染の拡大を抑制すると考えられます。
しかし、Sec61は細胞にとって非常に重要なタンパク質複合体であるため、その機能を人為的に操作することは容易ではありません。Sec61の機能を回復させる方法としては、例えば、ミコラクトンによるSec61の阻害を解除する薬剤の開発、あるいは、Sec61の機能を代替できるような分子を開発することなどが考えられます。

ミコラクトンのSec61への結合を阻害する薬剤を開発できれば、ブルーリ潰瘍の病態進行を抑制できる可能性はあるか？

ミコラクトンのSec61への結合を阻害する薬剤の開発は、ブルーリ潰瘍の病態進行を抑制する上で非常に有望な戦略と考えられます。
本論文では、ミコラクトンがSec61に結合することで、その機能を阻害し、血管内皮細胞の機能不全を引き起こすことが示されています。具体的には、ミコラクトンはSec61の側方ゲートを開いた状態に固定することで、新生ポリペプチド鎖のER内腔への移行を阻害します。
もし、ミコラクトンのSec61への結合を阻害する薬剤を開発できれば、ミコラクトンによるSec61の機能阻害を防ぎ、その結果として、血管内皮細胞の機能不全を抑制できる可能性があります。
実際に、本論文では、ミコラクトンとは構造的に異なるSec61阻害剤であるイポモエassin Fとその誘導体であるZIF-80を用いた実験が行われています。その結果、これらの阻害剤もミコラクトンと同様に、血管内皮細胞の形態変化や細胞接着の低下を引き起こすことが確認されています。
この結果は、ミコラクトンによる血管内皮細胞への影響が、Sec61の阻害を介していることを強く示唆しており、ミコラクトンのSec61への結合を阻害する薬剤が、ブルーリ潰瘍の治療薬として有効である可能性を示しています。

組織における細胞外マトリックスの恒常性維持機構は、他の感染症や疾患の病態形成にも関与しているのだろうか？

組織における細胞外マトリックス（ECM）の恒常性維持機構は、ブルーリ潰瘍だけでなく、他の多くの感染症や疾患の病態形成にも深く関与しています。
ECMは、細胞を取り囲む複雑な構造体であり、組織の構造を維持するだけでなく、細胞の接着、遊走、増殖、分化など、様々な細胞機能を制御しています。
感染症において、多くの病原体は、ECMを足場として利用したり、ECMを分解する酵素を産生することで、組織に侵入したり、拡散したりします。また、一部の病原体は、ECMの構成成分に結合することで、宿主の免疫システムから逃れたり、組織に定着したりします。
一方、宿主側も、感染に応答して、ECMの産生や分解を調節することで、病原体の侵入や拡散を防いだり、免疫細胞を感染部位に誘導したりします。
このように、ECMの恒常性維持機構は、感染症の病態形成において重要な役割を担っており、ECMを標的とした治療法の開発も進められています。
感染症以外でも、がん、慢性閉塞性肺疾患 (COPD)、心血管疾患、神経変性疾患など、多くの疾患において、ECMの恒常性破綻が病態に関与していることが知られています。
例えば、がん細胞は、ECMを分解する酵素を産生することで、周囲の組織に浸潤したり、転移したりします。また、COPDでは、ECMの過剰な産生や分解のバランス異常が、気道の狭窄や肺気腫などの病態に関与しています。
このように、ECMの恒常性維持機構は、様々な疾患の病態形成に深く関与しており、ECMを標的とした治療法の開発は、多くの疾患の治療に貢献することが期待されています。