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インターロイキン33-ST2-p38シグナル伝達経路による病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導

2015年3月13日

遠藤裕介・中山俊憲
(千葉大学大学院医学研究院 免疫発生学)
email:遠藤裕介中山俊憲
DOI: 10.7875/first.author.2015.028

The interleukin-33-p38 kinase axis confers memory T helper 2 cell pathogenicity in the airway.
Yusuke Endo, Kiyoshi Hirahara, Tomohisa Iinuma, Kenta Shinoda, Damon J. Tumes, Hikari K. Asou, Nao Matsugae, Kazushige Obata-Ninomiya, Heizaburo Yamamoto, Shinichiro Motohashi, Keisuke Oboki, Susumu Nakae, Hirohisa Saito, Yoshitaka Okamoto, Toshinori Nakayama
Immunity, 42, 294-308 (2015)

要 約

 免疫系において,メモリーヘルパーT細胞は再侵入してきた抗原を効率よく排除する免疫記憶の要として機能する一方,ぜんそくなど慢性炎症性の疾患の病因にもなりうる.筆者らは,メモリーヘルパーT細胞のなかでも疾患の原因になるものを病原性メモリーヘルパーT細胞とよんでいる.これまで,ぜんそくを代表とするアレルギー疾患をひき起こす病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換を誘導するシグナルやタンパク質については明らかにされていなかったが,この研究において,筆者らは,インターロイキン33-ST2-p38シグナル伝達経路がインターロイキン5を多量に産生する病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導に必須であることを見い出した.さらに,好酸球性副鼻腔炎の患者の鼻ポリープに存在するメモリーヘルパーT細胞は,インターロイキン33により病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換が誘導されることがわかった.以上の結果より,ヒトおよびマウスにおいてインターロイキン33-ST2-p38シグナル伝達経路がインターロイキン5を多量に産生する病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換を誘導し,好酸球性副鼻腔炎を慢性化させることが明らかにされた.

はじめに

 わが国において3人に1人がアレルギー疾患に罹患しており,いわゆる国民病として位置づけられている.代表的なアレルギー疾患であるぜんそくは下気道における頻発性の気道の狭窄や喘鳴などにより特徴づけられる慢性炎症性の疾患で,世界ではおよそ300万人が罹患していると報告されている.しかしながら,その治療はほとんどが対症療法で,いまだ根治治療法は開発されていない.そのため,いったん発症すると慢性化することが多く,治療が長期にわたり患者の肉体的,精神的,経済的な負担がきわめて大きいことから,現代の医学が解決すべき大きな課題のひとつになっている.
 インターロイキン33は2005年にインターロイキン1ファミリーのメンバーのひとつとして同定された1).T細胞,マクロファージ,マスト細胞,好酸球,好塩基球,また,新規に同定された2型自然リンパ球などに作用し,サイトカインの産生をはじめとした2型ヘルパーT細胞の反応を強力に誘導する2).インターロイキン33を産生する細胞については完全には解明されていないが,肺や皮膚などの炎症巣における上皮細胞および内皮細胞がおもな産生細胞であると報告されている3).これらの細胞はインターロイキン33をコードするmRNAを恒常的に発現していること,抗原が曝露されたのちすぐにインターロイキン33が放出されることから,インターロイキン33は核酸やATPといった危険シグナルにより産生が誘導される,いわゆるアラーミンに分類されている.インターロイキン33の受容体はToll様受容体/インターロイキン1受容体ファミリーに属するST2とIL-1RAcPからなるヘテロ二量体から構成されている.IL-1RAcPはユビキタスに発現しているが,ST2を発現する細胞はかぎられており,2型ヘルパーT細胞,マクロファージ,マスト細胞,好酸球,好塩基球,ナチュラルキラー細胞,2型自然リンパ球などが報告されている4)
 今回,筆者らは,ST2がメモリー2型ヘルパーT細胞のなかでもとくに疾患の原因となる病原性メモリー2型ヘルパーT細胞に強く発現していることを見い出した.このことから,インターロイキン33-ST2シグナル伝達経路が病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導に必須なのではないかと推察し,インターロイキン33と病原性メモリー2型ヘルパーT細胞,および,慢性のアレルギー疾患との関係性に着目した.

1.インターロイキン33による病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導

 これまで,インターロイキン33は2型ヘルパーT細胞に作用するという報告はあったものの,実際に,2型ヘルパーT細胞のうちどの集団あるいは亜集団がST2を発現しインターロイキン33に応答するのかは不明であった.CD4陽性T細胞はおおまかに,抗原の刺激をうけていないナイーブCD4陽性T細胞,抗原の刺激ののち数日~1週間をへたエフェクターヘルパーT細胞,数カ月から年単位の長期間にわたり生体に生存するメモリーヘルパーT細胞に分類される5).これらの細胞におけるST2の発現について解析したところ,ST2はメモリー2型ヘルパーT細胞において高く発現していることがわかった.以前に筆者らは,CD62L低発現CXCR3低発現の表現型を示しインターロイキン5を多量に産生するメモリー2型ヘルパーT細胞の亜集団をアレルギー性気道炎症における病原性メモリー2型ヘルパーT細胞として同定したが6,7),病原性および非病原性のメモリー2型ヘルパーT細胞に対するマイクロアレイ解析により,ST2はメモリー2型ヘルパーT細胞のなかでもとくに病原性メモリー2型ヘルパーT細胞において強く発現していることがわかった.
 in vitroにおいてインターロイキン33の存在のもとメモリー2型ヘルパーT細胞を培養したところ,インターロイキン4およびインターロイキン13の産生能に大きな変化は認められなかったが,インターロイキン5の産生能のいちじるしい上昇,および,ST2の発現の上昇が認められたことから,インターロイキン33-ST2シグナル伝達経路により病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換が誘導されることが推察された.また,マウスにインターロイキン33を投与することにより,in vitroにおける結果と同様に,メモリー2型ヘルパーT細胞におけるインターロイキン5の産生能の上昇およびST2の発現の上昇が認められた.ST2を欠損したメモリー2型ヘルパーT細胞やエフェクターヘルパーT細胞においてはこのようなインターロイキン33によるメモリー2型ヘルパーT細胞における病原性の誘導は認められなかったことから,インターロイキン33が直接かつ特異的にメモリー2型ヘルパーT細胞に作用し,その機能の転換を誘導していると考えられた.

2.インターロイキン33-ST2-p38シグナル伝達経路による抗原の刺激に依存しないメモリー2型ヘルパーT細胞の機能の転換の誘導

 T細胞にかぎらず,免疫系の細胞におけるサイトカインの発現の制御はクロマチンのレベルにおいて緻密に制御されている.2型ヘルパーT細胞におけるサイトカインの発現も例外ではなく,ナイーブCD4陽性T細胞から2型ヘルパーT細胞へと分化する過程において分化のマスター転写因子であるGATA3を中心とした転写因子が協調的にはたらくことによりサイトカインをコードする遺伝子座におけるクロマチンのリモデリングが誘導されている.興味深い点として,インターロイキン4およびインターロイキン13の遺伝子座はエフェクター2型ヘルパーT細胞からメモリー2型ヘルパーT細胞への分化の過程において開いたクロマチン構造が完全に維持されているのに対し,インターロイキン5の遺伝子座はメモリー2型ヘルパーT細胞のごく一部の集団でのみ開いたクロマチン構造が維持されている8).通常,T細胞においてサイトカインをコードする遺伝子座におけるクロマチンのリモデリングには抗原の刺激を必要とする.しかし,さきに述べたように,インターロイキン33はメモリー2型ヘルパーT細胞におけるインターロイキン5の産生能の上昇を抗原の刺激に依存することなく誘導するため,インターロイキン33はインターロイキン5の遺伝子座におけるクロマチンのリモデリングを誘導することが推察された.インターロイキン5の遺伝子座におけるクロマチンの状態についてクロマチン免疫沈降法を用いて検討したところ,予想どおり,メモリー2型ヘルパーT細胞においてインターロイキン33によりインターロイキン5の遺伝子座におけるクロマチンのリモデリングが誘導された.
 インターロイキン33-ST2シグナル伝達経路の下流には,IRAK4シグナル伝達経路としてp38,JNK,ERKの活性化,IRAK1シグナル伝達経路としてNF-κBの活性化の誘導されることが知られている1).これらのシグナル伝達経路に対する阻害剤を用いてインターロイキン33-ST2シグナル伝達経路の下流のシグナル伝達経路について探索したところ,p38の阻害剤により病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導(インターロイキン5の産生能およびST2の発現の誘導)がいちじるしく抑制されたが,ほかの阻害剤ではこのような効果は認められなかった.さらに,p38の阻害剤の添加によりインターロイキン5の遺伝子座におけるクロマチンのリモデリングも阻害されたことから,細胞内におけるp38シグナルがインターロイキン33による病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換の誘導に必須であることが示された.

3.インターロイキン33により機能の転換が誘導された病原性メモリー2型ヘルパーT細胞によるアレルギー性炎症の慢性化

 以前の研究により,組換えインターロイキン33をマウスへ投与することにより気道への好酸球の浸潤および粘液の産生が増加することが報告されている9).逆に,ぜんそくマウスモデルにおいて,インターロイキン33に対する中和抗体やインターロイキン33ノックアウトマウスを用いた解析においては,2型ヘルパーT細胞によるサイトカインの産生が抑制されること,および,粘液を産生する杯細胞の数が減少することがわかっている10,11).このように,インターロイキン33がアレルギー疾患における病態の悪化に関与することは疑う余地がないが,複雑な生体の環境においてインターロイキン33がどの細胞を標的として炎症をひき起こしているのか,また,病態のバックグラウンドによる応答性の違いあるいはおのおのの細胞への依存度の違いなどについてはいまだ十分には明らかにされていない.近年,インターロイキン33による2型自然リンパ球を介したアレルギー疾患の誘導が注目をあつめている.T細胞およびB細胞を欠損したRag2ノックアウトマウスにおいてもプロテアーゼ誘導性の好酸球の浸潤および肺における粘液の産生などの病態が誘導されること,また,インターロイキン33ノックアウトマウスではこのような病態がいちじるしく抑制されることから,プロテアーゼ誘導性の急性マウスモデルではインターロイキン33を介した2型自然リンパ球の活性化がアレルギー疾患における病態の形成に必須であると考えられている11,12)
 ぜんそくマウスモデルにおいてインターロイキン33ノックアウトマウスあるいはST2ノックアウトマウスを用い解析したところ,野生型のマウスと比較してこれらのノックアウトマウスでは,メモリー2型ヘルパーT細胞によるインターロイキン5の産生の減少,肺への好酸球の浸潤および気道の抵抗の低下が認められ,インターロイキン33-ST2シグナル伝達経路がぜんそくマウスモデルにおいてもメモリー2型ヘルパーT細胞の病原性を誘導していることが明らかにされた(図1).また,Thy1.2抗体を用いて2型自然リンパ球を欠損させた状態においても好酸球性の気道炎症の抑制は認められなかったことから,少なくともこの実験系では,アレルギー性気道炎症の病態においてメモリー2型ヘルパーT細胞に対するインターロイキン33の寄与は大きいと考えられた.

figure1

4.インターロイキン33により機能の転換が誘導された病原性メモリー2型ヘルパーT細胞による慢性副鼻腔炎の患者における慢性化

 慢性副鼻腔炎は,アレルギー性の副鼻腔炎が長びき,副鼻腔における膿汁の貯留および炎症性の粘膜の肥厚が起こり,ひどい症状のものでは鼻ポリープとよばれる鼻腔の粘膜から生じる炎症性かつ増殖性の腫瘤の発生する難治性の疾患である13).鼻ポリープに好酸球の浸潤をともなう慢性副鼻腔炎はとくに好酸球性副鼻腔炎とよばれ,多発性の鼻ポリープを示し,その鼻ポリープは篩骨洞に優位に存在するという特徴をもつ.それにくわえ,好酸球性副鼻腔炎はぜんそく,とくに成人に発症するぜんそくの合併が高いなど従来型の慢性副鼻腔炎とは異なる臨床像が知られている.慢性副鼻腔炎の患者について鼻ポリープの組織に浸潤したCD45RO陽性メモリーヘルパーT細胞の機能を解析したところ,従来型の副鼻腔炎と比較して好酸球性副鼻腔炎の患者から採取したメモリーヘルパーT細胞ではインターロイキン5にくわえST2の発現が有意に上昇していた.さらに,ST2の発現のレベルと一致して,従来型の副鼻腔炎の患者に由来するメモリーヘルパーT細胞はインターロイキン33に対しほとんど応答しなかったが,好酸球性副鼻腔炎の患者に由来するメモリーヘルパーT細胞はインターロイキン33に反応しインターロイキン5の産生がいちじるしく増加することがわかった.この結果は,好酸球性副鼻腔炎の患者の鼻ポリープの組織において産生されたインターロイキン33がメモリーヘルパーT細胞にはたらきかけ病態を重症化させていることを示唆した.実際に,免疫染色法により,従来型の副鼻腔炎と比較して好酸球性副鼻腔炎の患者の鼻ポリープの組織にはインターロイキン33を産生する細胞が多く存在することがわかった.つまり,インターロイキン33→ST2→メモリー2型ヘルパーT細胞→インターロイキン5→好酸球→慢性炎症という一連の流れが好酸球性副鼻腔炎の患者の鼻ポリープの組織において起こっており,病態の慢性化に寄与していることを意味した.

おわりに

 筆者らの提唱しているように病原性メモリーヘルパーT細胞と疾患とのかかわりが強く示唆されてきているが,今回,新たに,メモリー2型ヘルパーT細胞においてインターロイキン33により病原性メモリー2型ヘルパーT細胞への機能の転換が誘導されること,および,インターロイキン33の作用機序として細胞内におけるp38シグナルが重要であることが明らかにされた.今後の課題として,病原性メモリー2型ヘルパーT細胞と2型自然リンパ球との相違点を細胞レベルおよび遺伝子レベルにおいて解明すること,また,アレルギー疾患における病態の形成においてそれぞれの細胞がどのくらい寄与しているのかなど,病態やそのバックグラウンドに応じて発現するタンパク質や慢性化をひき起こすフィードバック機構に着目し,アレルギー疾患の慢性化における役割について研究を進めていくことが,治療の基盤を築くうえで重要であると考えられる.

文 献

  1. Schmitz, J., Owyang, A., Oldham, E. et al.: IL-33, an interleukin-1-like cytokine that signals via the IL-1 receptor-related protein ST2 and induces T helper type 2-associated cytokines. Immunity, 23, 479-490 (2005)[PubMed]
  2. Lloyd, C. M. & Hessel, E. M.: Functions of T cells in asthma: more than just TH2 cells. Nat. Rev. Immunol., 10, 838-848 (2010)[PubMed]
  3. Liew, F. Y., Pitman, N. I. & McInnes, I. B.: Disease-associated functions of IL-33: the new kid in the IL-1 family. Nat. Rev. Immunol., 10, 103-110 (2010)[PubMed]
  4. Lloyd, C. M.: IL-33 family members and asthma: bridging innate and adaptive immune responses. Curr. Opin. Immunol., 22, 800-806 (2010)[PubMed]
  5. Nakayama, T. & Yamashita, M.: Initiation and maintenance of Th2 cell identity. Curr. Opin. Immunol., 20, 265-271 (2008)[PubMed]
  6. Endo, Y., Iwamura, C., Kuwahara, M. et al.: Eomesodermin controls interleukin-5 production in memory T helper 2 cells through inhibition of activity of the transcription factor GATA3. Immunity, 35, 733-745 (2011)[PubMed]
  7. Endo, Y., Hirahara, K., Yagi, R. et al.: Pathogenic memory type Th2 cells in allergic inflammation. Trends Immunol., 35, 69-78 (2014)[PubMed]
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  9. Kurowska-Stolarska, M., Stolarski, B., Kewin, P. et al.: IL-33 amplifies the polarization of alternatively activated macrophages that contribute to airway inflammation. J. Immunol., 183, 6469-6477 (2009)[PubMed]
  10. Liu, X., Li, M., Wu, Y. et al.: Anti-IL-33 antibody treatment inhibits airway inflammation in a murine model of allergic asthma. Biochem. Biophys. Res. Commun., 386, 181-185 (2009)[PubMed]
  11. Oboki, K., Ohno, T., Kajiwara, N. et al.: IL-33 is a crucial amplifier of innate rather than acquired immunity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 18581-18586 (2010)[PubMed]
  12. Halim, T. Y., Krauss, R. H., Sun, A. C. et al.: Lung natural helper cells are a critical source of Th2 cell-type cytokines in protease allergen-induced airway inflammation. Immunity, 36, 451-463 (2012)[PubMed]
  13. Nakayama, T., Yoshikawa, M., Asaka, D. et al.: Mucosal eosinophilia and recurrence of nasal polyps: new classification of chronic rhinosinusitis. Rhinology, 49, 392-396 (2011)[PubMed]

生命科学の教科書における関連するセクションへのリンク

東京大学 大学院総合文化研究科・教養学部附属教養教育高度化機構自然科学教育高度化部門から公開されている生命科学の教科書 “A Comprehensive Approach To LIFE SCIENCE”(羊土社『理系総合のための生命科学 第2版』の英語版)における関連するセクションへのリンクです.

著者プロフィール

遠藤 裕介(Yusuke Endo)
略歴:2011年 千葉大学大学院医学薬学府博士課程 修了,同年 千葉大学大学院医学研究院 特任研究員を経て,2012年より同 特任講師.
研究テーマ:病原性メモリー2型ヘルパーT細胞の誘導機構と病態における役割.
関心事:細胞外環境と細胞内情報(エピジェネティクス制御,エネルギー状態など)による細胞運命の決定.

中山 俊憲(Toshinori Nakayama)
千葉大学大学院医学研究院 教授.
研究室URL:http://www.m.chiba-u.ac.jp/class/meneki/

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