前回に引き続き、2019年度の12号目のネイチャーのハイライトより。
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免疫学：STING活性化の構造基盤
Nature 567, 7748
2019年3月21日
免疫学：STING活性化の構造基盤
Nature 567, 7748
2019年3月21日
STINGは、細胞質中のDNAに対する自然免疫応答に重要な役割を担うタンパク質で、リガンドであるサイクリックジヌクレオチド（cGAMP）に結合するとコンホメーション変化を起こし、キナーゼTBK1を引き寄せて活性化する。TBK1は次いで、STINGと転写因子IRF3をリン酸化する。TBK1によってリン酸化されたIRF3は二量体化し、核へと移動してI型インターフェロンの発現を調節する。今回Z Chenたちはクライオ（極低温）電子顕微鏡を使って、完全長STINGのリガンドが結合していない状態とcGAMPが結合した状態の構造を明らかにしている。得られた2つの構造の比較からSTING活性化のモデルが考案され、変異導入解析によって裏付けが得られた。同じグループからのもう1つの論文では、TBK1とSTINGの間の相互作用の構造基盤が確認され、STING中のTBK1結合モチーフが突き止められて、STINGを介したシグナル伝達の予想外のモデルが提案されている。STINGのアゴニストはがん治療に、またアンタゴニストは自己免疫疾患の治療に使えると考えられているので、その活性化機構を明らかにした今回の結果は、これらの薬剤候補の開発に重要なものとなるだろう。
News & Views p.321
Letter p.389
Letter p.394
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2つの論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、「免疫学：STINGタンパク質の構造における炎症の手掛かり」と題されています。
見出しにおいては、「STINGタンパク質は、炎症の引き金を引いて細胞内防御を助ける。STINGが活性化される仕組みを明らかにした今回の2つの研究は、このタンパク質をがんや自己免疫疾患の治療の標的にする戦略をもたらす可能性がある。」と取り上げられました。
本文を直訳しますと・・・。
STINGタンパク質の構造はこの炎症の重要な調節因子を明らかにします
となります。
見出しを直訳しますと・・・
STINGタンパク質は、炎症を引き起こすことによって細胞内防御を助けます。 STINGがどのように活性化されるかを明らかにする研究は、癌や自己免疫疾患の治療においてこのタンパク質を標的とする戦略につながる可能性があります。
となります。
本文を直訳しますと・・・。
STINGタンパク質は、炎症を引き起こすことによって細胞内防御を助けます。 STINGがどのように活性化されるかを明らかにする研究は、癌や自己免疫疾患の治療においてこのタンパク質を標的とする戦略につながる可能性があります。
細胞質における二本鎖DNAの異常な存在は、STINGを活性化する強力な危険信号です。酵素cGASがそのようなDNAを感知すると[4,5]、分子はcGAMPになります。これがSTINGに結合してアクティブ化すると、シグナル伝達カスケードが始まり、最終的には遺伝子発現が変化して炎症誘発性分子が生成されます。この防御機構の異常は、癌、自己炎症性症候群または神経変性疾患を含むさまざまな状態を支えます[6-9]。したがって、STINGは非常に有望な薬物標的です[10]が、そのような取り組みを成功させるには、STING活動がどのように規制されているかを理解することが不可欠です。
以前の研究[11–13]は、STINGの細胞質ドメインがcGAMPとどのように相互作用するか、およびSTINGの活性化に続く下流のシグナル伝達イベントがどのようにトリガーされるかを明らかにしました。たとえば、cGAMPは、二量体11を作る2つのSTINGタンパク質の細胞質ドメインによって形成されるV型ポケットに結合し、構造変化を受けた後、STINGはゴルジ複合体と呼ばれるオルガネラに輸送され、そこでTBK1[12]を動員します。このような進歩にもかかわらず、cGAMPバインディングがSTINGの活性化を引き起こし、後続のダウンストリームシグナリングイベントを促進する方法は不明でした。
Shangと同僚は、極低温電子顕微鏡（cryo-EM）の手法を使用して、cGAMPがバインドされていない完全長のヒトSTING、およびcGAMPがバインドされているかどうかにかかわらず、完全長の鶏STINGの原子分解能に近い構造を生成しました。 cGAMPが結合していない場合、STINGダイマーは、各STINGタンパク質の異なるドメイン間および2つの異なるSTINGタンパク質のドメイン間の相互作用によって安定化されます。
膜貫通ヘリックスは、2つのSTINGタンパク質間のクロスオーバーポイントを形成する、コネクターヘリックスとコネクターループで構成されるコネクターエレメントを介してcGAMP結合ドメインにリンクされています。 cGAMP結合状態では、各サブユニットのコネクター要素とcGAMP結合領域がほどけ、cGAMP結合ドメインが180°回転します（参考文献2の補足ビデオ1を参照）（図1）。この動きは、おそらくコネクタ要素とcGAMP結合ドメインの接合部を押し離す可能性があるcGAMPによって開始されます。 STINGのいくつかの病気の原因となる変異はこの接合領域にあり、これらの変異がcGAMPがなくてもこの回転を引き起こす可能性があることを示唆しています。
Shangらによって生成されたcGAMP結合STINGのクライオEMデータ。この巻き戻しと180°回転がSTINGの起動をどのようにトリガーするかについての興味深い手がかりがいくつかあります。活性化されたcGAMP結合状態では、STING二量体がしっかりと詰め込まれ、脂質膜に並んで配置されます。二量体は隣接する二量体と接続でき、これらの接続は二量体をインターフェイスで接続するループによって安定化されます。著者のモデリングでは、cGAMP結合がない場合、このインターフェイスループは、隣接するSTINGダイマー間の強固な結合をブロックする方向になると示唆されています。コネクタエレメントは、cGAMPがバインドされていない場合に、インターフェイスループのこの抑制的な向きを安定させる可能性があります。これは、cGAMPバインディングでのコネクタエレメントの再配置が四量体化を促進し、STINGの活性化に関連していることを示唆しています。著者らは、活性化STING四量体の形成を観察し、これよりも大きい活性化STINGのオリゴマーが形成される可能性が高い。
Zhangら。 STINGとTBK1の相互作用を調査しました。彼らのクライオEMデータは、TBK1タンパク質の二量体がSTING二量体のcGAMP結合ドメインの上にあることを示しています。 STINGとTBK1の間のこの相互作用は、STINGのカルボキシ末端「テール」にある8つのアミノ酸残基の進化的に保存されたストレッチによって媒介されます。これは、以前のSTING構造では見ることができなかったタンパク質の一部です。 STINGのこのC末端部分は、柔軟なリンカー領域によってcGAMP結合ドメインにつながれており、STINGとTBK1が互いに異なる方向を採用し、cGAMPがSTINGにバインドしているかどうかに関係なく相互に作用します。これは、STINGとTBK1の間の相互作用の促進におけるcGAMPバインディングの役割がおそらく間接的であることを示唆しています。それはSTINGのオリゴマー状態を強制するか、ゴルジ体へのSTING運動を開始するかもしれません。
TBK1と複合したSTINGの構造は、TBK1の活性化に必要なTBK1の自己リン酸化（別のTBK1による1つのTBK1へのリン酸基の付加）は、TBK1の二量体パートナーでは実行できないことを示唆しています。さらに、活性化されたTBK1はSTINGをリン酸化しますが、構造情報は、STINGのリン酸化部位がSTINGダイマーに結合したTBK1ダイマーの触媒ドメインの範囲を超えていることを示しています。一緒に、これらの機能は、1つのSTINGダイマーと1つのTBK1ダイマーの複合体が構成タンパク質のリン酸化に失敗することを示唆し、活性化されたSTINGのオリゴマー化が隣接するTBK1ダイマーのリン酸化につながり、次に隣接するリン酸化を行うモデルをサポートしますSTING分子。著者は、TBK1とSTINGの間の相互作用の可能な方向の柔軟性がこのアクティベーションプロセスを助けることができると推測しています。
Shang、Zhang、およびそれぞれの同僚は、膜貫通タンパク質の高解像度クライオEMの限界を押し上げました。このタイプとサイズのタンパク質複合体の構造を解決することは大きな課題です[14]。しかし、彼らの成功はおそらく、他の人が同じサイズ（約80キロダルトン）の膜貫通タンパク質複合体のクライオEM構造を解こうとする動機となるでしょう。
著者の研究から生まれた構造モデルは、STINGがどのように機能するかに関する他の質問に答えようとする調査に役立つ場合があります。例えば、小胞体からゴルジ体へのSTINGの動きを調節するメカニズムはまだ解明されていません。 STINGには、オートファジーと呼ばれる分解プロセスの開始など、TBK1アクティビティを必要としない機能もあり、そのようなプロセスがどのように制御されるかは完全には理解されていません。さらに、構造は、STINGアクティビティを正確に操作するためのターゲティングの機会を提供する可能性のあるタンパク質領域を特定することにより、創薬プログラムに確かに役立ちます。そのような努力は、人間の病気の治療のためのSTING標的療法をもたらすかもしれません。
・・・となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.321
1つ目の論文。
日本語版本誌では、「免疫学：STINGのTBK1との結合とTBK1によるSTINGリン酸化の構造基盤」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
STINGのCryo-EM構造は、サイクリックGMP–AMPによる活性化のメカニズムを明らかにします
となり、Abstractを直訳しますと・・・
DNAを含む病原体による感染は、サイクリックGMP–AMPシンターゼを介してI型インターフェロンと炎症性サイトカインの産生を引き起こし、インターフェロン遺伝子の刺激因子（STING; TMEM173、MITA、ERIS、MPYSとも呼ばれます）[1,2,3,4,5,6,7,8]。 STINGは、4つの膜貫通ヘリックスとその後に続く細胞質リガンド結合ドメインとシグナル伝達ドメインを含む小胞体膜タンパク質です[9,10,11,12,13]。 STINGの細胞質ドメインは二量体を形成し、cGAMP[9,14]に結合すると構造変化を起こします。ただし、この構造変化がSTINGの活性化にどのようにつながるかは不明のままです。ここでは、非アクティブなダイマー状態（サイズが約80 kDa）のヒトとニワトリの全長STINGの低温電子顕微鏡構造、およびダイマーとテトラマーの両方の状態のcGAMP結合チキンSTINGを示します。構造は、膜貫通領域と細胞質領域が相互作用して、統合されたドメイン交換二量体アセンブリを形成することを示しています。 cGAMPによって誘導されるリガンド結合ドメインの閉鎖により、膜貫通ドメインと比較してリガンド結合ドメインが180°回転します。この回転は、リガンド結合ドメインの二量体側のループの構造変化と連動しており、STING四量体とより高次のオリゴマーが並列パッキングによって形成されます。 STINGのオリゴマー化と活性化のこのモデルは、構造ベースの変異分析によってサポートされています。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.389
Data availabilityによりますと・・・。
この研究で生成されたクライオEMマップは、EMD-0502（ヒトSTING、アポダイマー）、EMD-0503（ニワトリSTING、アポダイマー）、EMD-0504で電子顕微鏡データバンク（EMDB）に登録されています。 （ニワトリSTING、cGAMP結合二量体）およびEMD-0505（ニワトリSTING、cGAMP結合四量体）。原子座標は、アクセッション番号6NT5（ヒトSTING、アポダイマー）、6NT6（チキンSTING、アポダイマー）、6NT7（チキンSTING、cGAMP結合ダイマー）および6NT8（チキンSTING、cGAMP結合テトラマー）でPDBに登録されています。
2つ目の論文です。
本論文においては、日本語版本誌では、「免疫学：STINGのクライオ電子顕微鏡構造から明らかになったサイクリックGMP–AMPによるその活性化機構」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
TBK1とのSTING結合およびリン酸化の構造基盤
となり、Abstractを直訳しますと・・・
感染性病原体からの微生物DNAによる、または核やミトコンドリアからの自己DNAによる哺乳類の細胞質の侵入は、宿主の免疫系に警告する危険信号を表します[1]。 Cyclic GMP–AMP synthase（cGAS）は、I型インターフェロン経路を活性化する細胞質DNAのセンサーです[2]。 DNAに結合すると、cGASが活性化され、GTPおよびATP3からの環状GMP–AMP（cGAMP）の合成を触媒します。 cGAMPは、インターフェロン遺伝子（STING）[3,4,5,6,7,8,9]の刺激因子に結合して活性化するセカンドメッセンジャーとして機能します。次に、STINGは、STINGおよび転写因子IRF3をリン酸化して、I型インターフェロンや他のサイトカインを誘導する、タンク結合キナーゼ1（TBK1）を動員して活性化します[10,11]。ただし、cGAMPにバインドされたSTINGがTBK1とIRF3をアクティブにする方法は理解されていません。ここでは、cGAMPに結合した、完全長のニワトリSTINGと複合したヒトTBK1の低温電子顕微鏡構造を示します。構造から、STINGのC末端のテールがβストランドのようなコンフォメーションを採用し、1つのTBK1サブユニットのキナーゼドメインとTBK1ダイマーの2番目のサブユニットの足場および二量体化ドメインの間の溝に挿入されることがわかります。この結合モードでは、STINGテールのリン酸化部位Ser366は、結合したTBK1のキナーゼドメインの活性部位に到達できません。これは、TBK1によるSTINGリン酸化には、両方のタンパク質のオリゴマー化が必要であることを示唆しています。変異分析は、TBK1とSTINGの間の相互作用モードを検証し、cGAMPによって誘導されるSTINGとTBK1の高次オリゴマー化がTBK1によるSTINGリン酸化につながるモデルをサポートします。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.394
Data availabilityによりますと・・・
TBK1-STINGテール複合体のクライオEMマップは、電子顕微鏡データバンク（EMDB）にアクセッション番号EMD-0506で寄託されています。複合体の原子座標は、PDBにアクセッション番号6NT9で登録されています。
となります。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「がんゲノミクス：乳がんの遅発性再発の予測を向上させる」を取り上げます。
※主治医の指示に従い、療養中ですが、気圧が安定しないため、まだいまいち感覚がつかめていない状態です。通院や主人のテレワークの中での家事に追われる中、情報の洪水の中での情報収集していることもあって、巡回等、ブログ活動の途中で寝落ち爆睡することが多々あるかと思います。巡回途中ですが、休み休みで遅くなったので、取り急ぎ取り上げさせていただきました。休み休みですが、引き続き新型コロナウイルス関連を取り上げます。巡回等ブログ活動が進んでおらず、本当に申し訳ございません。
