ガレクチン

ガレクチンは、N-アセチルラクトサミン（Galβ1-3GlcNAcまたはGalβ1-4GlcNAc）などのβ-ガラクトシド糖に特異的に結合するタンパク質のクラスであり、N結合型またはO結合型のグリコシル化によってタンパク質に結合できます。安定性と炭水化物結合のためにジスルフィド結合に依存するため、 S型レクチンとも呼ばれます。哺乳類では、LGALS遺伝子によってコードされる約15種類のガレクチンが発見されており、連続番号が付けられています。ヒトではガレクチン-1、-2、-3、-4、-7、-7B、-8、-9、-9B、9C、-10、-12、-13、-14、および-16のみが特定されています。^[1]ガレクチン5と6はげっ歯類に見られ、ガレクチン11と15は羊と山羊にのみ見られます。ガレクチンファミリーのメンバーは、他の哺乳類、鳥類、両生類、魚類、線虫、海綿動物、および一部の真菌でも発見されています。大多数のレクチンとは異なり、これらは膜結合型ではなく、細胞内と細胞外の両方の機能を持つ可溶性タンパク質です。それらは異なるが重複した分布を持っていますが^[2]、主に細胞質、核、細胞外マトリックスまたは循環中に見られます。多くのガレクチンは分泌されなければなりませんが、それらは古典的な分泌に必要な典型的なシグナルペプチドを持っていません。この非古典的な分泌経路のメカニズムと理由は不明です。^[2]

ガレクチン構造には、二量体、タンデム、キメラの 3 種類があります。二量体ガレクチンはプロトタイプ ガレクチンとも呼ばれ、互いに結合した 2 つの同一のガレクチン サブユニットからなるホモ二量体です。このカテゴリに該当するガレクチンは、ガレクチン 1、2、5、7、10、11、14、15 です。タンデム ガレクチンは、1 つのポリペプチド内に少なくとも 2 つの異なる炭水化物認識ドメイン (CRD) を含むため、本質的に二価であると考えられます。CRD は、小さなペプチド ドメインに結合しています。タンデム ガレクチンには、ガレクチン 4、6、8、9、12 があります。最後のガレクチンはガレクチン 3 で、これは脊椎動物のキメラ カテゴリで見つかった唯一のガレクチンです。ガレクチン 3 には、1 つの CRD と長い非レクチン ドメインがあります。ガレクチン-3は単量体として存在するか、非レクチンドメインを介して五量体までの多価複合体に会合することができる。^[3]これにより、ガレクチン-3は異なるリガンド間を効果的に橋渡しし、接着ネットワークを形成することができる。多量体の形成は濃度に依存する。ガレクチン-3の濃度が低い場合、単量体であり、接着を阻害する可能性が高い。これはインテグリンなどの接着タンパク質に結合し、他の細胞または細胞外マトリックスへのさらなる結合をブロックする。ガレクチン-3の濃度が高い場合、細胞間または細胞と細胞外マトリックスの間を橋渡しすることで接着を助ける大きな複合体を形成する。異なるスプライシングバリアントにより、ガレクチンの多くのアイソフォームが発見されている。たとえば、ガレクチン-8には、タンデム型と二量体型の両方をコードする7つの異なるmRNAがある。発現されるガレクチン-8のタイプは組織に依存する。^[4]ガレクチン-9には、リンカー領域の長さが異なる3つの異なるアイソフォームがある。^[4]

ガレクチン糖鎖認識ドメイン（CRD）は、約135個のアミノ酸からなるβシートから構成されています。2枚のシートはわずかに曲がっており、6本の鎖が凹側を形成し、5本の鎖が凸側を形成しています。凹側は、炭水化物リガンドが結合できる溝を形成し、線状四糖を保持するのに十分な長さです。^[5]

ガレクチンは、基本的にガラクトースおよびその誘導体を特徴とするグリカンに結合します。しかし、生理学的には、非常に強い結合にはラクトースまたはN -アセチルラクトサミンが必要になる可能性があります。一般に、糖が長いほど、相互作用は強くなります。たとえば、ガレクチン 9 は、N -アセチルラクトサミンモノマーよりもポリラクトサミン鎖に強い親和性で結合します。これは、糖と結合ポケットの間でより多くのファンデルワールス相互作用が発生する可能性があるためです。C 型レクチンとは異なり、炭水化物の結合はカルシウムに依存しません。リガンドの結合の強さは、リガンドとガレクチンの両方の多価性、炭水化物の長さ、およびリガンドの炭水化物認識ドメインへの提示モードなど、いくつかの要因によって決まります。異なるガレクチンは、発現する組織とそれらが持つ機能に応じて、オリゴ糖に結合するための異なる結合特異性を持っています。しかし、いずれの場合も、結合にはガラクトースが不可欠です。N -アセチルラクトサミンと複合体を形成したガレクチンの結晶化実験では、結合はガラクトースの炭素4位と炭素6位のヒドロキシル基とN -アセチルグルコサミン（GlcNAc）の炭素3位からタンパク質中のアミノ酸の側鎖への水素結合相互作用によって起こることが示されています。マンノースなどの他の糖には結合できません。この糖は立体障害なしには炭水化物認識ドメイン内に収まらないためです。結合ポケットの性質上、ガレクチンは末端糖またはグリカン内の内部糖に結合することができます。これにより、同じ細胞上の2つのリガンド間、または異なる細胞上の2つのリガンド間の架橋が可能になります。^[6]

ガレクチンは比較的幅広い特異性を持つ大きなファミリーです。そのため、細胞間相互作用、細胞マトリックス接着、膜貫通シグナル伝達の仲介など、多岐にわたる機能を持っています。その発現と分泌はよく制御されており、発生中のさまざまな時期に発現する可能性があることを示唆しています。^[6]ノックアウトマウスモデルで個々のガレクチン遺伝子を欠失させても、重大な欠陥はありません。これは、必須機能にかなりの重複があるためです。ガレクチンの機能のリストは膨大で、すべてが発見されている可能性は低いです。主な機能のいくつかを以下に説明します。

ガレクチンは、細胞内外の両方で細胞死を制御できるという点で独特です。細胞外では、細胞外側のグリカンを架橋し、膜を介してシグナルを伝達して細胞死を直接引き起こしたり、アポトーシスを誘発する下流のシグナル伝達を活性化したりします。^[7]細胞内では、細胞運命を制御するタンパク質を直接制御できます。多くのガレクチンはアポトーシスに役割を果たしています。

• ガレクチンがアポトーシスを制御する重要な方法の1つは、胸腺におけるT細胞の正の選択と負の選択を制御することです。このプロセスにより、自己反応性があり自己抗原を認識するT細胞の循環が​​防止されます。ガレクチン1とガレクチン9はどちらも胸腺の上皮細胞から分泌され、T細胞のアポトーシスを媒介します。T細胞の死は、免疫応答後に活性化および感染したT細胞を殺すためにも必要です。これもガレクチン1とガレクチン9によって媒介されます。^[7]ガレクチン1はT細胞表面の多くのタンパク質に結合しますが、特にCD7、CD43、CD45がアポトーシスに関与しています。
• ガレクチン7はp53 プロモーター下で発現し、紫外線などによるDNA損傷後のケラチノサイトのアポトーシスを制御する上で重要な役割を果たしている可能性がある。^{[7] [8]}
• ガレクチン12の発現は脂肪細胞のアポトーシスを誘導する。^[8]
• ガレクチン3は抗アポトーシス活性を持つ唯一のガレクチンであることが示されており、マウスのノックアウトでアポトーシス率が上昇することが証明されています。細胞内では、ガレクチン3は抗アポトーシスファミリーのタンパク質であるBcl-2タンパク質と結合することができ、標的細胞へのBcl-2の結合を強化する可能性があります。 ^[7]一方、ガレクチン3はプロアポトーシス性でもあり、T細胞と好中球の死を媒介します。^[8]

ガレクチン-3は、T細胞受容体（TCR）の活性化を負に制御する上で重要な役割を果たしている。T細胞膜上のガレクチン-3によるT細胞受容体と他の糖タンパク質の架橋は、TCRのクラスター化を防ぎ、最終的に活性化を抑制する。これにより、自己活性化が防止される。N-アセチルグルコサミントランスフェラーゼV（GnTV）欠損のトランスジェニックマウスの実験では、自己免疫疾患に対する感受性が高まった。[ 6 ] ^GnTVは、T細胞受容体上のガレクチン-3のリガンドであるポリラクトサミン鎖の合成に必要な酵素である。このノックアウトは、ガレクチン-3がTCRの自己活性化を防ぐことができないため、T細胞が過敏になることを意味する。また、免疫システム内では、ガレクチンは免疫細胞への化学誘引物質として作用し、炎症性サイトカインの分泌を活性化することが証明されている。^[3]

ガレクチンはインテグリンを介した接着を促進することも阻害することもできます。インテグリンを介した接着を強化するために、ガレクチンは異なる細胞上の2つのグリカンを架橋します。これにより細胞が近づき、インテグリンの結合が起こります。また、同じ細胞上の2つのグリカンに結合してインテグリン^[9]結合部位をブロックすることで接着を妨げることもできます。ガレクチン-8はインテグリンに結合したグリカンに特異的であり、接着に直接関与するだけでなく、インテグリン特異的シグナル伝達カスケードを活性化します。^[10]

ガレクチン-1とガレクチン-3は、驚くべきことに、スプライソソームを含む核リボ核タンパク質複合体と結合することがわかった。^[11]研究により、ガレクチン-1と-3は必須のスプライシング因子であることが明らかになった。これは、ラクトースを用いたアフィニティークロマトグラフィーによってガレクチンを除去するとスプライシング活性が失われるからである。^[12]ガレクチンのスプライシング能力は、その糖結合特異性とは無関係であると思われる。糖認識ドメインに対する部位特異的変異誘発研究では、グリカン結合は除去されるが、スプライソソームとの結合は妨げられない。

細胞質ガレクチン-8とガレクチン-9は、リソソーム膜の損傷に反応してmTOR（mTORC1）とPRKAA （AMPK）を制御することが示されている。 ^[13]リソソーム穿孔やその他の膜内損傷は、浸透圧活性物質を生成する化学物質、 結晶性シリカ、おそらくアミロイド凝集体、細胞質有機または無機結晶、およびMycobacterium tuberculosisなどの細胞内微生物病原体など、さまざまな因子によって引き起こされる可能性がある。このような損傷は、リソソーム内で重合する膜透過性ジペプチド前駆体を使用してモデル化できる。静止した恒常性条件下では、ガレクチン-8はmTORと相互作用し、mTORは活性状態ではリソソーム膜の細胞質（細胞面）側に存在する。しかし、リソソームが損傷し、外面、すなわち内腔に配向した糖鎖（糖タンパク質および糖脂質）が露出すると、ガレクチン-8 は 膜損傷により露出した細胞面糖鎖を認識し、 mTOR を放出します。 ガレクチン-8 は代わりに、 SLC38A9、LAMTOR1、およびRRAGA / RRAGB (RagA/B)を含むリソソーム膜に位置する mTOR 調節複合体に結合します。この複合体は mTOR に対する親和性を失い、mTOR の不活性化とリソソームから細胞質への移行を引き起こします。ガレクチン-8、SLC38A9、LAMTOR1、およびRRAGA / RRAGBを含む損傷応答性複合体はGALTOR として知られています。^[13]ガレクチン3とガレクチン8は、損傷したリソソーム上でオートファジー開始機構を組み立てるオートファジー受容体調節因子TRIM16とも相互作用する。 ^{[14]一方、ガレクチン8は}サルモネラ菌によって損傷した液胞を認識するオートファジー受容体CALCOCO2（NDP52）とも相互作用する。^[9]

膜損傷に対する細胞応答におけるガレクチンの機能的役割は拡大しており、例えば ガレクチン3は損傷したリソソームにESCRTをリクルートし、リソソームを修復できるようにします。 ^[15]これは、オートファジーが誘導されてエンドソームとリソソームがオートファジーによって除去されないように修復する前に起こります。

ガレクチンは豊富に存在し、体中に広く分布しており、いくつかの独特な機能を持っています。そのため、ガレクチンは、がん、HIV、自己免疫疾患、慢性炎症、移植片対宿主病（GVHD）、アレルギー反応など、さまざまな疾患に関係していると考えられています。最も研究され特徴付けられているメカニズムは、がんとHIVに関するもので、以下に説明します。

がんに関して最もよく理解されているガレクチンはガレクチン3です。証拠は、ガレクチン3が悪性形態への形質転換、転移、および腫瘍細胞の侵襲性の増加を含む腫瘍形成に関連するプロセスでかなりの役割を果たしていることを示唆しています。 ^{[16] [17]}ガレクチン3はRasなどのがん遺伝子と相互作用し、増殖を促進する下流シグナル伝達を活性化するため、がんに関与しているという重要な証拠がいくつかあります。また、サイクリンEやc-mycなど、細胞周期のタンパク質のいくつかを制御することもでき、これにより追加の腫瘍形成特性が付与される可能性があります。^[16] ガレクチン3の濃度は、乳がんを含む一部のがん患者の循環血中で上昇しています。また、乳がん細胞の表面のグリカンに結合していることも確認されています。がんが転移したがん患者ではガレクチン3がさらに高くなっており、このガレクチンが転移に重要な役割を果たしていることを示唆しています。^[18]ガレクチン3は、非常に大きな膜貫通ムチンであるMUC-1にも結合し、癌細胞上では長いコア2型O-グリコシル化からより短いコア1型O-グリコシル化へと発現を変化させる。コア2グリカンはガラクトースまたはシアリン酸で終わるが、コア1は分岐しており、大きな炭水化物伸長の可能性を秘めている。MUC-1のレベルが高いと、予後が悪く、転移の可能性が増加する。この癌関連MUC-1は、ガレクチン3の天然リガンドである。^[18]正常細胞では、MUC-1は明確な極性を持ち、細胞の周りの保護バリアとして機能し、細胞間相互作用を減らす。乳癌細胞では、ガレクチン3が癌関連MUC-1に対して高い親和性を持ち、脱分極を引き起こし、細胞の保護シールドを破壊すると仮定されている。これにより、細胞表面の小さな接着分子が露出し、E-セレクチンなどの内皮細胞壁の接着タンパク質と相互作用して、血流への浸潤が促進されます。^[18]実験では、MUC-1の過剰発現だけでは転移能を高めるのに十分ではなく、実際には腫瘍細胞の血流への侵入を阻害することが示されています。癌の浸潤性および転移性を高めるには、MUC-1に加えて、上方制御されたガレクチン-3の存在が必要です。^{[18]これは、ガレクチン-3を阻害すると、ヒト乳癌細胞が}in vitroで悪性度を失うことを示す他の研究によって裏付けられています。^[16]これは、ガレクチン 3 阻害剤などの癌治療薬の開発への手がかりとなる可能性があります。

インテグリンを介した接着を増強するガレクチン-8は、一部の癌でダウンレギュレーションされていることが示されています。^[4]インテグリンと細胞外マトリックスの相互作用が転移を防ぐため、これは癌にとって有益です。しかし、肺癌の研究では、ガレクチン-8への接着が増加すると転移の可能性が高まり、これは表面発現の増加とインテグリンα3β1の活性化によって媒介される可能性があります。^[17]

ガレクチン-8は、エンドソームの完全性を評価する上で特定の役割を果たすことが示されています。細菌やウイルスなどの病原体は、細胞に取り込まれた後、通常、細胞質内の栄養素にアクセスするためにエンドソームから出ようとします。ガレクチン-8は、エンドソーム内のグリコシル化に特異的に結合し、抗菌性オートファジーを活性化するアダプター分子CALCOCO2をリクルートします。^[9]ガレクチン-3、ガレクチン-8、ガレクチン-9は、mTOR（ガレクチン-8）とAMPK（ガレクチン-9）の制御を通じてオートファジーで追加の役割を果たすことが示されている^{[13] 。また、内膜損傷中にTRIM16上で}ULK1-ベクリン1 - ATG16L1イニシエーター複合体を組み立てる因子（ガレクチン-3）としても機能します。[ ^14]

ガレクチン-1は、ガラクトース結合特異性のため、HIV感染を増強することが示されている。HIVはCD4 ⁺ T細胞および免疫系の他の細胞を優先的に感染し、適応免疫系を動けなくする。HIVは、gp120とgp41からなるウイルスエンベロープ糖タンパク質複合体の結合を介してCD4 ^{+細胞に感染する}ウイルスである。gp120糖タンパク質には、トリマンノースコア上に高マンノースオリゴマーとN-アセチルラクトサミン鎖の2種類のN-グリカンが含まれている。 ^[19]高マンノースオリゴマーは病原体関連分子パターン（PAMP）であり、樹状細胞にあるC型レクチンDC-SIGNによって認識される。N-アセチルラクトサミン鎖はガレクチン-1のリガンドである。^[20]ガレクチン-1は胸腺で発現する。特にTh1細胞によって大量に分泌される。^{[8] [19]}通常の機能では、ガレクチン1はT細胞のCD4共受容体のグリカンに結合して自己反応を防ぐ。HIVが存在すると、ガレクチンはCD4共受容体とgp120リガンドの間を橋渡しし、T細胞のHIV感染を促進する。ガレクチン1はHIV感染に必須ではないが、gp120とCD4の結合速度を加速することでHIV感染を助ける。ガレクチンとHIVの関係のメカニズムを知ることで、重要な治療の機会が得られる可能性がある。ガレクチン1阻害剤は抗レトロウイルス薬と併用することで、HIVの感染力を低下させ、薬の効力を高めることができる。 ^[21]ガレクチン3は、HIVカプシドの脱殻時に作用するHIVに対する細胞質制限因子TRIM5αに結合しますが、この関連の正確な役割はまだ明らかにされていません。^[22]いくつかのガレクチンは他のTRIMと結合します^[22]そのいくつかは抗ウイルス制限に寄与することが知られています。

シャーガス病における心臓障害の原因である心臓細胞のトリパノソーマ・クルーズ感染はガレクチン-1によって減少し、感染した心筋細胞のアポトーシスも防ぐ可能性がある。 ^[23] しかし、Benatarら（2015）は、 T. クルーズ感染マウス心筋細胞がN結合型およびO結合型グリカン内のガレクチン-1リガンドである表面ポリ-N-アセチルラクトサミンの濃度を低下させ、「Gal-1耐性糖表現型」を作り出す可能性があることも実証した。 ^[23]

• ガレクチン：定義と歴史（平林 純著）
• 動物レクチンハンドブック（デイビッド・キルパトリック著）
• 米国国立医学図書館の医学件名標目表(MeSH)におけるガレクチン