細胞内細菌はどのようにあなたの細胞を乗っ取るのか？
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細胞内細菌はどのようにあなたの細胞を乗っ取るのか？
クラミジア、レジオネラ、リステリアなどの病原体を研究する科学者たちは、哺乳類細胞の内部構造を制御する方法について、マスタークラスを受ける。
細胞内小器官を持つ有機細胞の断面図
キャサリン・オフォード
キャサリン・オフォード
2022年12月1日｜10分以上読む
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© istock.com, dani3315
細胞生物学の大学院生だったシャエリ・ムカルジーは、細胞の内部構造をいじる新しい方法を常に探し求めていた。2000年代初頭、ムカルジーはアルバート・アインシュタイン医科大学のデニス・シールズの研究室に所属し、細胞がどのようにしてタンパク質やその他の輸送物を内部で組織化しているのかを研究していた。特に、ゴルジ装置という膜結合区画の集合体に興味を持ち、このオルガネラの活動を操作して、その仕組みをより深く理解しようとしていた。遺伝学的手法を用いれば、数日でオルガネラの構造を変化させることができ、ある種の薬物を用いれば、30分もかからずにオルガネラの構造を崩壊させることができた。しかし2008年、Mukherjee教授は、細胞内を混乱させる新しい方法を発見した。
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この技術は、イェール大学医学部のクレイグ・ロイの論文から得たものである。ロイのチームは、「AnkXというタンパク質を細胞に微量注入すると、ピコモルレベルでも5分ほどでゴルジ体全体を断片化できることを発見しました」とムカジーは言う。驚くべきことに、AnkXは細胞生物学者や製薬会社によって作られたものではありませんでした。レジオネラ・ニューモフィラという小さな細胞内細菌が作り出すもので、レジオネラ症という深刻な肺感染症の病原体である。この論文は、ゴルジ体を標的とした最速の方法を明らかにしただけでなく、細胞内細菌を「細胞内の基本的なプロセスを理解するためのレンズとして」利用できることを示唆していたのである。
この強力な小さな微生物に興味を持ったムカルジーは、ロイの研究室のポスドクに応募し、レジオネラ菌がヒトの細胞を内側から攻撃する仕組みを詳しく研究することになった。そして、宿主のタンパク質を模倣したり、既存の細胞経路を乗っ取って細菌に有利に働くレジオネラ菌のペプチドを、研究者たちが300以上同定していることを知った。細胞内細菌には、サルモネラ菌、リステリア菌、クラミジア菌などの医学的に重要な病原体や、結核やハンセン病の原因菌など、数え切れないほどの種類があることを、彼女はあらためて認識した。(後述の虫かご参照）。
細菌とアクチンの相互作用の研究は、今もなお新たな謎を投げかけている。
これらの微生物はいずれも、白血球や抗体など、体が宿主細胞の外に住む病原体に対して発動する免疫防御の猛威から、少なくとも一部分は守られて生活している。その代償として、細菌は細胞内の免疫システムを回避し、細胞質という複雑で忙しい環境を通り抜け、最終的にはその環境を抜け出して他の細胞に感染する方法を考え出さなければならなかったのである。
細胞内細菌がどのように宿主をコントロールするかという研究は、これらの微生物がどのように病気を引き起こすかについて科学者に情報を提供するだけでなく、哺乳類の生物学の秘密をも明らかにしていると、現在カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究室を率いるムカジーは言う。この虫は細胞の重要な機能を突き止めるコツを知っているのです」と彼女は言う。「レジオネラ菌は優れた細胞生物学者なのです」。
バグ・ボックス
細胞内細菌は、宿主に依存する度合いがかなり異なる。リステリア菌やレジオネラ・ニューモフィラ菌などのいわゆる「常在菌」は、繁殖のために宿主細胞の中にいる必要はない。一方、クラミジア・トラコマティスやマイコバクテリウム・レプリーのような偏性細胞内細菌は、宿主の細胞内にいる必要があり、この特徴から研究室での培養や研究が困難である。従順型細胞内病原体は、通性型に比べてゲノムが減少していることが多い。これは、より限定された生活様式を反映した遺伝的傾向である。
リステリア・モノサイトゲネスとクラミジア・トラコマティスの模式図© istock.com, ciphotos; © istock.com, gilnature
細菌はアクチン細胞骨格を乗っ取って、尾っぽを作ったり、乗り物に乗ったりする
1980年代後半、細菌学者ダニエル・ポートノイは、ペンシルバニア大学のアクチン専門家ルイス・ティルニーを訪ね、新しい研究アイデアについて話し合った。このときの様子を、後にティルニーは『Journal of Cell Biology』誌に次のように語っている。「ポートノイは学部のピクニックに押しかけてきて、私に彼のリステリア菌を見てくれとせがんだのです」。
その頃までには、リステリア菌がマクロファージ（病原体や細胞の残骸を取り込む運動性のヒト免疫細胞）などの細胞に感染し、液胞に取り込まれて液胞から細胞質内に侵入することが知られていた。また、この細菌は隣接する細胞間に素早く拡散することも報告されていた。アクチンは、細胞が細胞内の細胞骨格を構築し、細胞の運動や分裂などの重要なプロセスを助けるために使用するタンパク質である。興味をそそられたティルニーは、このプロジェクトを引き受け、2人は、液胞から脱出したリステリアが、何らかの方法で、アクチンフィラメントから自身の尾のような構造を構築することを明らかにした。
二人が「コメット」と呼ぶこの小さなリステリアは、アクチンの新しい運動性を利用して細胞質を飛び回り、ついには細胞膜にぶつかって突起を作り、それが隣のマクロファージに伸びていった。この突出部は、細胞膜を取り囲んで液胞を形成し、リステリア菌はその新しい区画から筋力だけで脱出し、感染を完了させるのである。(ポートノイとティルニーは1989年の論文で、このプロセス全体について説明し、この発見は「寄生虫による感染の細胞生物学の段階に関心を持つ人々にとって重要であり、...アクチンフィラメントが細胞内でどのように組織化されるかを知りたい細胞生物学者にとって刺激的であるはずだ」と述べている。
それ以来、他の多くの科学者もリステリアのアクチン共役の研究に加わっています。1990年代にパスツール研究所でリステリア菌の病原性を研究していた微生物学者パスカール・コサールは、すぐにこの微生物が尾部を構築するのに必要な細菌タンパク質ActAを特定した。細胞生物学者のMatthew Welch（当時カリフォルニア大学サンフランシスコ校）らは、次に、宿主細胞のタンパク質複合体であるArp2/3を単離したが、これもリステリアが運動性を獲得するのに必要であった。研究チームは、リステリア菌のActAがArp2/3複合体を菌体表面に呼び寄せ、これがアクチン重合を開始させていることを突き止めた。この研究は、真核生物が独自のArp2/3活性化タンパク質を持っている可能性を示唆していた。そして実際、研究者たちは、宿主のアクチン核形成促進因子の全ファミリーを明らかにし、リステリアのActAがそれをうまく模倣していることを突き止めたのである。
「もし、先頭のリボソームの速度を落とすと、後続のリボソームがそれにぶつかるのです。
-カリフォルニア大学サンフランシスコ校、シャエリ・ムカルジー氏
赤痢菌、リケッチア菌、マイコバクテリウム菌、ブルクホルデリア菌など、細胞内細菌の多くは、Arp2/3をハイジャックして独自のアクチン尾部を構築していることが観察されている。多くの細菌は、リステリア菌のような方法で新しい宿主に感染するが（隣の部屋に押し込んで空胞に取り込まれる）、それが唯一の方法というわけではない。現在カリフォルニア大学バークレー校に在籍するウェルチと大学院生のノラ・コストウは、最近、ライブセルイメージングやその他の技術を用いて、隣接する細胞を融合させることで拡散するBurkholderia thailandensisの研究を行った。この細菌は、基本的に「増殖可能な環境」を拡大するのだとウェルチは言う。「それを繰り返し行うので、場合によっては何百もの細胞が融合することもあります」。彼とコストーは、アクチンを動力とするB. thailandensisが、細胞膜を押して突起を作り、隣接する細胞に液胞を作るのではなく、その2つの細胞を1つにすることによって、この拡散を達成することを示しました。この融合は、細菌が突起を形成する際に分泌する特定のタンパク質に依存しているようである。この知見は、細胞生物学者が細胞融合をより一般的に理解するのに役立つと、著者らは論文で述べている。
アクチンと細菌の相互作用のバリエーションを研究することで、新たな謎がまだ見つかっていない。ウェルチとポスドクのノルベルト・ヒルは、結核菌の近縁種であるMycobacterium marinumの研究において、微生物タンパク質が細菌だけでなく、細胞内の別の物体（脂質滴）にもアクチン運動性を付与できることを最近明らかにした。この脂質の動きがマイコバクテリアの存在とどのように関係しているのかはまだ不明であるが、「感染中に起こるのではないかと推測したくなります」とウェルチは言う。また、いくつかの研究から、マイコバクテリウム属細菌は脂質小滴を化学エネルギー源として利用している可能性が示唆されており、脂質小滴が飛び交うことは細菌にとって利益となる可能性があるとも述べている。
リステリア菌は宿主にアクチンの尾を作らせる
細胞内細菌の中には、宿主細胞のアクチンを利用して自分自身の輸送システムを構築するものがある。食中毒菌リステリア菌は、マクロファージという免疫細胞に感染すると、液胞に取り込まれ（1）、細胞質に入り、そこで生活と複製を行う（2）。そこで、ActAと呼ばれるタンパク質を用いて、宿主細胞のアクチン重合機構を動員し、アクチンフィラメントの尾部を背後に構築する(3)。この過程で、細菌は自走する手段を得て、宿主細胞膜を押し、近隣の細胞への突起を形成する（4）。近隣の細胞はこの突起を液胞として取り込み、そこからリステリア菌が細胞質にアクセスして、再びサイクルを開始する（5）。
細胞内細菌が宿主細胞のアクチンを利用して、独自の輸送システムを構築する様子を示すイラスト。© scott leighton
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微生物はさまざまな目的のために細胞内膜を制御する
細胞質はすべての人のためにあるわけではない。リステリア菌のような細菌は、アクチンのような構築材料にアクセスする一方で、細胞の免疫防御をかわし、自分ではほとんど制御できない化学環境を生き抜かなければならないのだ。一部の細菌は、オルガネラのような区画を占有して、細胞の他の部分と分離することで、こうした不都合を回避している。このような微生物は、アクチンと相互作用することができ、また実際に作用している。例えば、細胞骨格の再配列を引き起こすタンパク質を分泌して、外から細菌を取り込んだり、他の細胞に高速道路状の突起を形成したりすることがある。しかし、レジオネラ菌の多くは、細胞質内に侵入せずに細胞内を支配することができる別の種類の標的、すなわち脂質膜を使いこなすことができる。
レジオネラ菌が細胞内膜を支配し、模倣する能力を持っていることが、エール大学のポスドク研究員だったムカルジーの関心を集めた。ゴルジ装置を崩壊させた微生物タンパク質AnkXは、宿主に細菌にやさしい区画を用意させるという、より大きな計画の一部であることが判明したのだ。このペプチドは、小胞体やゴルジ装置などの小器官の表面に存在し、細胞内でのタンパク質輸送を制御しているのである。(図参照)。
具体的には、レジオネラ菌は細胞のRabタンパク質の1つにホスホコリネーションという珍しい修飾を施すことで、「宿主の輸送経路を大規模かつ迅速に崩壊させる」ことを明らかにしたと、Mukherjee研究員は語る。さらに、同じRabタンパク質を別のメカニズムで自身の細胞内区画の表面に呼び寄せ、その隠れ家を小胞体に似たものに変えてしまったのである。ロイを含む研究チームはその後、この膜変換が、レジオネラ菌の区画を細菌複製のために準備するプロセスの一部であることを明らかにした。同様の膜コピーあるいは膜ハイジャックのプロセスは、他の微生物でも報告されている。例えば、性感染症の病原菌であるクラミジア・トラコマティスは、細胞内コンパートメントの周囲でゴルジ体膜を再編成し、オルガネラの小胞を脂質の供給源として自分たちのところに移動させようと企んでいる。
ある種の細菌は、感染時のさまざまなタイミングで、細胞が作ることのできるものとできないものをうまく操作するように仕組まれた努力をする。
他の細胞内細菌も、細胞膜を混乱させるさまざまな方法を発見している。単細胞の寄生虫であるトキソプラズマ・ゴンジーは、米国疾病管理予防センターの推定によれば、現在米国内だけで4000万人以上が感染しているとされており、細胞内の液胞で生存し、そこから宿主細胞の機能を破壊するタンパク質を展開する。この現象は、現在では細胞の抗病原体反応に関係していると考えられている、と寄生虫学者から細胞生物学者に転身した、ドイツ、ケルンのマックス・プランク老化生物学研究所のレナ・ペルナス氏は言う。
ペルナスのチームは最近、T. gondiiが、ミトコンドリアの2つの膜のうち外側の膜を剥がすタンパク質を分泌することによって、このミトコンドリアの群れを破壊し利用することを発見した。「この現象がどのようにして起こるのか、正確には分かっていません。しかし、ペルナス博士のチームの実験によれば、外膜の剥離はミトコンドリアが外膜ストレスに対して自然に行う反応であり、感染していない細胞でも起こる可能性があること、そしてT. gondiiがこのプロセスをハイジャックしていること、おそらくはこの反応を通常引き起こす宿主タンパク質を模倣していることが明らかになった。ペルナスの研究で言及されたミトコンドリアタンパク質の少なくとも1つは、SARS-CoV-2などのウイルスにも狙われているようだと指摘する研究者もいる。
さらに、膜操作は細胞分裂から細胞内小器官の配置、さらには病原体そのものにまで影響を及ぼす汎用的な方法であると、ムカジーは言う。「そのため、さまざまな細菌が細胞内のさまざまな膜を標的としているのです」。
レジオネラ菌が宿主の膜を支配する
レジオネラ・ニューモフィラのような細胞内細菌は、宿主細胞内の膜結合型コンパートメントに生息する(1)。レジオネラは、宿主の細胞膜と相互作用し、細胞膜を制御するためのエフェクタータンパク質を分泌する(2)。特にレジオネラは、ゴルジ装置や小胞体と相互作用し、小器官のタンパク質を盗んで、小胞輸送を迂回させる。その後、新たに形成された膜にはリボソーム（3）が付着し、細菌が特定の宿主タンパク質を作るのを助けるが、これは単に膜が小胞体的であることの副産物である可能性もある。レジオネラ菌は、細胞外に飛び出す前に、この区画内で複製を行う(4)。
レジオネラ・ニューモフィラのような細胞内細菌が、宿主細胞内の膜結合型コンパートメントに生息する様子を示すイラスト。© scott leighton
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細菌は宿主細胞を再プログラムし、自分の思い通りにさせる
細胞内細菌やその他の寄生虫は、自分自身のタンパク質製造装置を備えている。そのため、宿主のタンパク質生産の大部分を停止させたり、一時停止させたりすることは、時として理にかなっているのかもしれない。「レジオネラ菌は、タンパク質の折り畳みに関与する宿主のペプチドを標的として、タンパク質合成を阻害することができることを最近明らかにしました」とムカジーは説明する。一方、細胞内細菌は、次の段階に進む前に宿主を殺してしまったり、宿主にエネルギーを消費する仕事を代行させる機会を逃したくはない。
このようなトレードオフに直面した細菌は、感染中のさまざまなタイミングで、細胞が作ることのできるものとできないものをうまく操作するよう、周到な計画を立てている。例えば、Mukherjeeたちは最近、レジオネラ菌が分泌するtRNAを模倣する毒素を特定し、これが宿主のリボソームの動きをRNAに沿って停滞させ、衝突を引き起こすことを突き止めた。"先頭のリボソームの速度を落とすと、後続のリボソームがそれにぶつかります。" ちょうど高速道路での玉突き事故のようなものです。その結果、細胞内で一連の現象が起こり、遺伝子発現が大きく変化して、ほんの数個の重要な転写産物が渋滞を回避してタンパク質に翻訳されるようになることを、研究者たちは発見したのである。この反応は制御された細胞死につながり、レジオネラ菌にとっては朗報となる。宿主が破れ、細菌が放出されて他の細胞に感染するのだ10。これは、微生物が生物学者に細胞の働きを教える新たな事例だと、bioRxivのプレプリントでこの研究を紹介しているMukherjee氏は言う。
細胞内細菌の中には、細胞を自滅させるのではなく、宿主の細胞の種類を変化させるという、異なる方法をとるものもあるようだ。エディンバラ大学のアヌラ・ラムブッカナ教授は、ハンセン病の原因菌であるMycobacterium lepraeによる初期化について研究している。これらの細菌は、神経細胞を取り囲み、末梢神経の発達と修復を助けるグリア細胞であるシュワン細胞に感染する。感染は通常、広範囲の神経損傷を引き起こし、最終的には感染した手足の痛みや触覚に対する感受性を失うことになる。しかし2013年、Rambukkanaたちは、この細菌がまず宿主の遺伝子発現を乗っ取り、シュワン細胞を幹細胞様の状態に再プログラムしているらしいことを示唆する一連のin vitro実験とマウス実験の結果を報告した。(図参照）。
このように遺伝子発現に手を加えることは、少なくとも2つの点でM.lepraeの拡散を助けると思われる。第一に、変化した細胞は筋肉細胞など他の種類の細胞に分化し、これらの組織に細菌を繁殖させる可能性があるとRambukkanaは言う。第二に、初期化された細胞はマクロファージを引き寄せ、マクロファージ自身が感染症を拾って他の組織に広げる可能性がある。研究チームは現在、この細胞再プログラム化の根底にあるメカニズムの解明を進めるとともに、この現象の治療への応用の可能性を探っている。例えば、細菌が細胞の状態を再プログラムするために用いる因子を研究すれば、再生医療に新たな手法を提供できるかもしれないとラムブッカナ研究員は言う。同チームは現在、九官鳥のアルマジロ（Dasypus novemcinctus）を使って、こうした原理のいくつかを検証している。九官鳥は人間の生物学にとって理想的なモデルではないが、M. lepraeにとっては人間以外の数少ない自然宿主の1つである。
現在、ドイツのEMBLハイデルベルクで客員研究員を務めるコサルトは、シュワン細胞の初期化に関するこの研究を「非常に興味深い」と評価し、この種の知見は、細胞内病原体が細胞の機能を破壊する試みがいかに多様であるかを明らかにするものであると指摘する。「さらに、感染による生物学的影響を理解するためには、種の違いの研究に加え、異なる菌株間や異なる条件下での変化を調べる必要があるとも述べている。例えば、細胞内細菌が感染する生物のマイクロバイオームと直接的・間接的な相互作用を検討し始めたのは比較的最近のことであり、この研究分野はもっと注目されてもよいとコサールは言う。
しかし、多くの場合、細胞内細菌を用いた研究が及ぼす広範な影響を事前に予測することは困難である。「私たちは基礎科学者であり、基本的なプロセスを研究したいと思っています。その研究は「将来的に影響を及ぼす可能性があります」と彼女は言う。
Mycobacterium lepraeが宿主を幹細胞のような状態に戻す
ハンセン病の原因菌であるレプラ菌は、宿主であるシュワン細胞を幹細胞のような状態に戻すことで、細胞の初期化を極限まで行う(1)。この細胞は、例えば筋肉細胞などに再分化することができ、おそらく細菌を他の組織に拡散させることになるだろう（2）。また、再プログラムされた細胞は、マクロファージに感染を移し、マクロファージは肉芽腫と呼ばれる構造を形成した後、自ら感染を拡大させることができる（3）。
ハンセン病の原因菌であるマイコバクテリウム・レプリーが、宿主であるシュワン細胞を幹細胞のような状態に戻すことで、細胞の初期化を極限まで進めている様子を示すイラスト。