研究内容

レジオネラとは

レジオネラ(Legionella pneumophila)は、自然界の淡水・土壌環境中どこにでもいるありふれた細菌です。しかしながら、レジオネラに汚染された水滴(エアロゾルといいます)をヒトが吸入すると、肺の中で増殖し、治療をしなければ死に至るような重篤な肺炎を引きおこすことがあります(レジオネラ症といいます)。

ではなぜ、レジオネラに汚染されたエアロゾルが発生するのでしょうか? これを解くカギは、レジオネラによるアウトブレイクを検証することにより得られました。最初のレジオネラアウトブレイクは、1976年アメリカのフィラデルフィアで開催された退役軍人の親睦団体"the American Legion"の会合で発生しました。当初、インフルエンザ様症状を呈した患者が多数発生したため、新型インフルエンザ(swine flu)ではないかと疑われたようですが、その後の研究によりレジオネラという新たに同定された細菌が、会場となったホテルのエアコンシステムを汚染していたためと判明しました。蛇足ですが、レジオネラ(Legionella)という名前は、"the American Legion"にちなんでつけられたものです。日本における最大のアウトブレイクは、2002年に宮崎県の入浴施設で発生したもので、循環式浴槽システムの汚染によるものでした。つまり、ヒトが発明したエアコンや循環式浴槽のようなデバイスにより、レジオネラに汚染されたエアロゾルが発生し、レジオネラはヒトの肺に到達できるようになったのです。

以上の議論は説得力があるように聞こえたかもしれませんが、よく考えると大きな疑問が残ります。ヒトに重篤な病気を引きおこす細菌が、なぜ自然界のいたるところにいるのでしょう? レジオネラにとってヒトは最終宿主であり、ヒトからヒトへの感染は成立しません。ヒトと相互作用することなしにヒトに対する病原性を獲得・進化させたりすることができるのでしょうか? 実は、レジオネラは自然界において自由生活性アメーバを自然宿主として、その中で増殖します。アカントアメーバ(Acanthamoeba)を始めする自由生活性アメーバもまた、自然界中どこにでもいるありふれた微生物です。レジオネラはこのような自由生活性アメーバとの相互作用の歴史の中で、アメーバ中で生存・増殖するためのメカニズムを獲得しました。ヒトに感染した場合には、同じメカニズムを使ってヒト肺胞マクロファージに感染・増殖し、肺炎を引きおこしているのです。この点は、他の病原細菌と比較した場合、レジオネラのもつ最大の特徴といっていいと思います。


Dot/Icm IVB型分泌系

レジオネラは研究室内で培養でき、遺伝子操作も容易です。20世紀の終わりまでに、病原性に必須なレジオネラ遺伝子の遺伝学的探索の結果、20-30のdot あるいはicmと名付けられた遺伝子群が同定されました。当初これらがなにをコードしているかは必ずしも明らかではなかったのですが、2000年に解明されたColIbやR64といったプラスミドの接合伝達系遺伝子群に近縁であることが判ってきました。当時、植物病原菌アグロバクテリウムや、ヒト病原菌であるピロリ菌や百日咳菌が病原因子(これらは核酸であったり、タンパク質であったり、タンパク質複合体であったりします)を輸送するため、接合伝達系と近縁な分泌系を利用していることがすでに明らかにされていましたが、レジオネラのDot/Icm分泌系やR64プラスミドの接合伝達系は、既知の分泌系・接合伝達系とはあまり似ていませんでした。現在では、プラスミド接合伝達系と起源をともにする生体高分子輸送系のことを総称してIV型分泌系(T4SS; the Type IV secretion system)と呼びます。さらにT4SSは、アグロバクテリウムのものに近縁な古典的なもの(IVA型分泌系; T4ASS)と、レジオネラのDot/Icm分泌系に近縁なもの(IVB型分泌系; T4BSS)に大別されます。

 プラスミドの接合伝達は非常に古くから知られている現象で
(Joshua Lederbergに1958年のノーベル医学生理学賞が授与されました)、遺伝子マッピングのためのツールとして現在の分子生物学・分子遺伝学の成立に一定の役割を果たしました。しかしながら、その輸送装置の実体や輸送メカニズムはブラックボックスのままであり、現在の病原菌研究者が頭を悩ますことになっています。といいますのも、IV型分泌系は、先に述べた病原菌病原因子の輸送だけではなく、遺伝子の水平伝搬のメカニズムのひとつとして多剤耐性菌の出現にも大きな役割を果たしていると考えられるからです。IV型分泌を阻害する薬剤は、新世代の抗生物質として利用できるかもしれません。現在、IV型分泌の研究は、構造生物学的知見がドライビングフォースとなり、急速に進展しつつあります(私は正直、今が旬だと思っています)。私たちも、レジオネラのDot/Icm IVB型分泌系、およびそれに近縁なR64プラスミド接合伝達系に着目し、構造・機能解析を進めています。これまでの成果は、IVB型分泌系が、多様な細菌分泌系(II型・III型・IVA型・VI型分泌系)のモザイクとして成り立っていることを示しつつあります。


エフェクタータンパク質とは

レジオネラはファゴソームの形で宿主細胞内へ侵入しますが、Dot/Icm分泌系により輸送される何かを使って、このファゴソームを形態的には小胞体(ER)に似た特殊なオルガネラに作り替え、その中で増殖します。それではいったい何がDot/Icm分泌系により輸送されているのでしょう? 2002年に私はRalFというレジオネラタンパク質が宿主哺乳類細胞へ直接輸送されること突き止めました。宿主細胞中で、RafFはARF1という宿主Gタンパク質のグアニンヌクレオチド交換因子(GEF)として機能し、ARF1をレジオネラを含む宿主細胞内膜小胞(LCV; Legionella-containing vacuole)に一過的にリクルート・活性化します。この発見はまた、Dot/Icm分泌系が細菌由来タンパク質を宿主細胞内へ直接輸送していることを証明しました。このような、直接宿主細胞中へ輸送され、宿主細胞内因子と相互作用することにより機能を発揮する、細菌由来タンパク質のことを「エフェクタータンパク質」と呼びます。現在では、レジオネラはその全タンパク質の1割に迫ろうとする膨大な数のエフェクタータンパク質を、Dot/Icm分泌系を使って宿主細胞へ輸送していることが実験的に示されています。

 次の疑問は当然のことながら、これら膨大なエフェクタータンパク質はいったい何をしているのか、ということになります。実際の研究には、エフェクタータンパク質自体の冗長性、およびエフェクタータンパク質が標的とする宿主内プロセスの冗長性により困難な面(ハイリスク)もありますが、その一方で、8割方は既知のタンパク質とは相同性のない新規構造・機能を持ち、その機能を明らかにできればインパクトが大きい、という面(ハイリターン)もあります。私たちは最近、別のエフェクタータンパク質を標的としてその制御を司るエフェクタータンパク質(メタエフェクター)の存在を明らかにしました。これは先に述べたエフェクタータンパク質の定義を覆し、エフェクタータンパク質研究の新展開を誘うもので、発表論文は2011年2月のNature Reviews Microbiology誌のResearch Highlightsとして取り上げられました


アメーバは生物のるつぼ?

レジオネラ属菌は、人畜共通感染症Q熱の病原菌であるコクシエラ、節足動物の病原菌・共生菌であるリケッチエラ属菌とともに単系統のグループを形成します。これら分類上レジオネラ目とされる細菌群は、全て染色体上にDot/Icm分泌系に近縁なIVB型分泌系を持っており、これらが病原性・共生関係において重要な役割を果たしていると考えられています。IVB型分泌系の系統解析は、レジオネラ目細菌の共通祖先がIVB型分泌系を獲得し、以降垂直伝搬により維持されていることを支持しています。一方でエフェクタータンパク質はレジオネラ目細菌間で全く保存されていません。それでは、エフェクタータンパク質はどこから来るのでしょう? 例えば、先に述べたエフェクタータンパク質RalFは、レジオネラとリケッチア(発疹チフスの病原菌であり、リケッチエラとは全く別の細菌です)の間で水平伝搬したと考えられます。この水平伝搬の起こった場はどこなのでしょう?

環境中からアカントアメーバを分離すると、その約1割はなんらかの細菌を保持しています。その一部はもちろんレジオネラ属菌やパラクラミジア属菌などのアメーバ共生菌なのですが、それ以外にも病原菌を含めてありとあらゆる種類の細菌が見いだされます。そのような細菌のほとんどは全く解析されていません。アカントアメーバにはGiant virusesという巨大ゲノムを持つウイルスが存在します(さらに驚くべきことには、このウイルスに感染するファージvirophageも存在します)。この巨大ウイルスはへたな細菌よりも大きなゲノムを持っていおり、ウイルス由来、真核生物由来の遺伝子に加え、細菌・ファージ由来の遺伝子も多数持っています。アカントアメーバは、少なくとも巨大ウイルスにとっての遺伝子交換の場を与えているようです。レジオネラにとってはどうなのでしょう? 

私たちはこのような興味から、レジオネラ・アメーバ共生菌を含む細菌とアカントアメーバの相互作用の解析を、文部科学省科学研究費新学術領域研究「マトリョーシカ型進化原理」の一環として、進めていこうとしています。