大阪大学大学院理学研究科の大学院生道田大貴さん(博士前期課程)らをはじめとする大阪大学蛋白質研究所細胞システム研究室(岡田眞里子教授)の研究グループは、免疫B細胞の速やかな抗原応答の分子メカニズムをオミクスデータと数理モデルを用いて明らかにしました。これは、理化学研究所生命医科学研究センター、同・生命機能科学研究センター、東京医科⻭科大学難治疾患研究所(二階堂愛教授)、東京大学大学院新領域創成科学研究科(鈴木穣教授)らとの共同研究グループの成果です。

免疫応答では、サイトカインのような遺伝子の発現の量とタイミングを制御する分子機構が、免疫系を支える土台として重要な役割を担っています。特に、外からの異物に対する初期応答は、その後の免疫応答の経過を左右することから、極めて重要なステップと考えられます。しかし、免疫細胞がある特定の遺伝子だけを選び、適切な発現量をタイミングよくコントロールする仕組みはこれまでわかっていませんでした。大阪大学を中心とした本研究グループは、このことを明らかにするために、抗原に対するB細胞の初期応答を実験的に再現できるIgM抗体を用い、これをマウス由来の初代B細胞に1時間暴露し、細胞から取得した遺伝子発現とゲノムの修飾(エピゲノム)のオミクスデータをコンピュータを用いて詳細に調べました。その結果、刺激した細胞ではそうでない細胞よりも、エンハンサーと呼ばれるDNA上の遺伝子発現調節領域に、NF-kBと呼ばれる転写因子が多く結合し、また、このエンハンサーのDNA⻑と相関して、多数のNF-kBが結合し、刺激に対する応答が標的遺伝子ごとにコントロールされることを見いだしました （図1） 、 （図2左） 。そこで、特定の遺伝子でNF-kBが数多く結合する理由をDNA配列から調べたところ、NF-kBが数多く結合するエンハンサーには、PU.1という免疫細胞独特の因子と少数のNF-kBが"種"として共在し、IgM抗体刺激後、DNA上へのNF-kB結合が加速するように、事前にプログラムされていることがわかりました。また、NF-kBが複数結合できるような⻑いエンハンサーを持つ遺伝子は、IgM抗体量の増加に対して、発現量が急激に増大する閾値 様の変化を引き起こすことが、数理モデルを合わせた解析により明らかになりました。実際に、B細胞の増殖・分化に重要な役割を担うIrf4遺伝子のエンハンサー領域には、NF-kBが12箇所に結合し、このことにより、Irf4遺伝子はわずかなIgM抗体量の変化に対して急激な発現量の増大を引き起こしました。

図1　抗原依存的な早期遺伝子発現制御。エンハンサーの⻑さが抗原刺激時の遺伝子発現量を決定する。PU.1因子は事前にDNAに統合し、抗原に応答してNF-kBのエンハンサーへの結合を加速する。

また、NF-kBは通常は細胞核内にはあまり存在せず、IgM抗体刺激後にB細胞受容体シグナル伝達系の活性化を通して細胞質内から核内に移行することが知られています。このことから、NF-kBの核内量をコントロールするシグナル伝達系もまた抗原応答に重要な役目を果たします。しかし、細胞集団においては、細胞の反応が少しずつ異なるため、一様にNF-kBの核内量が均一になるわけでありません。そこで、IgM抗体刺激後B細胞の核内のNF-kB量が正規分布を示すと仮定し、数理モデルを用いてシミュレーション予測を行ったところ、⻑いエンハンサーによって制御される遺伝子は、それより短いエンハンサーによって制御される遺伝子よりも、細胞間の発現のばらつきの程度が大きくなることが示されました （図2右） 。また、このことは、実データからも検証することができました。このことから、閾値機構を生み出すエンハンサーの分子機構は同時にB細胞の遺伝子発現の多様性を増やし、その後に起こりうるさまざまな細胞環境に対応できることが推測されました。NF-kBは免疫系の維持だけでなく、その過剰活性化は予後の悪いリンパ腫やがんの原因にも関わることが知られています。本成果で用いたオミクスデータ解析や数理モデルの手法は、さまざまな疾患の分子機序の解明、マーカー遺伝子の同定、創薬に応用できると考えます。

本研究成果は、国際科学誌『Cell Reports』に、6月3日(水)に公開されました。

図2　エンハンサーの⻑短による遺伝子の誘導特性。NF-kBのエンハンサーへの結合数は遺伝子発現の閾値性と発現倍加に関与する(左)。⻑いエンハンサーは細胞間の遺伝子発現のばらつきを生み出し、B細胞をさまざまな環境下に対応させる(右)。

獲得免疫に重要な役割を担うB細胞は、抗原、サイトカイン、細胞間相互作用などにより活性化され、多数の遺伝子の発現を誘導します。このような遺伝子の一部は、免疫B細胞をさらに活性化させるために、増殖のための細胞構成材料として機能したり、抗体産生細胞として成熟させるための因子として働いたり、逆に、特殊な回路を活性化させ細胞死を誘導させることが知られています。このような遺伝子発現の機構は、その時の細胞にとって必要な遺伝子だけを、適量だけ、タイミングよく誘導させることで、B細胞の数や活性化状態を制御し、私たちのからだの免疫応答全体の調和を図ります。ある遺伝子の量が十分でなかったり、あるいは、重要な局面で遺伝子の発現が起こらないなどのタイミングがずれると、私たちを守ってくれるはずの免疫機構が機能しなくなったり、あるいは、逆に暴走することで、私たち自身の健康を脅かすことに繋がります。免疫応答では、遺伝子発現の量とタイミングを制御する仕組みが、免疫系を支える土台として重要な役割を担っています。特に、初期の抗原応答は、その後の免疫応答の経過を左右することから、極めて重要なステップと考えられます。しかし、B細胞がある特定の遺伝子だけを選び、適切な発現量をタイミングよくコントロールする仕組みはこれまでわかっていませんでした。同研究室は、以前に、B細胞受容体シグナル伝達系におけるシグナル増幅機構が、NF-kBの核内移行を閾値様に制御することを示しました(Shinohara et. al. Science 2014)。一般的に、このような閾値を生み出すような分子機構は、細胞間のばらつきを増やす機構としても機能することが知られています。本研究では、NF-kBの活性化が細胞質内および核内で複雑に制御され、そのために多様な細胞状態を生み出せることを裏付けました。

本研究成果により、抗原による免疫応答がNF−kB転写因子とDNA側の相互作用により速やかに制御されること、また、NF-kBを制御するシグナル伝達系が免疫応答のばらつきを生み出す可能性が示されました。シグナル伝達系とNF-kB-DNA相互作用の2つの作用点への介入により、免疫応答のバランスを一細胞レベルで制御できることが考えられます。また、疾患データへの数理モデルの適用により、疾患発症機序の解明、疾患マーカーの同定、創薬等に役立てることが期待できます。

本研究成果は、2020年6月3日(水)に国際科学誌『Cell Reports』(オンライン)に掲載されました。

論文タイトル："The number of transcription factors at an enhancer determine switch-like gene expression"
著者：Hiroki Michida, Hiroaki Imoto, Hisaaki Shinohara, Noriko Yumoto, Masahide Seki, Mana Umeda, Tetsutaro Hayashi, Itoshi Nikaido, Takeya Kasukawa, Yutaka Suzuki, Mariko Okada-Hatakeyama
掲載雑誌：Cell Reports(セル・リポーツ)

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)「代謝統合オミクス」、同科学研究費補助金 基盤研究(A)「疾病機序理解のための遺伝子ネットワーク数理モデル基盤の構築」、科学技術振興機構 未来社会想創造事業「創薬を加速する細胞モデリング基盤の構築」等の支援を得て行われました。