インターロイキン-1受容体関連キナーゼ

インターロイキン-1受容体（IL-1R）関連キナーゼ（IRAK）ファミリー^[1]は、急性炎症とそれに続く追加の適応免疫応答を誘発することにより、人体に導入された病原体に対する防御応答において重要な役割を果たします。IRAKは、インターロイキン-1受容体シグナル伝達経路といくつかのToll様受容体シグナル伝達経路の必須コンポーネントです。Toll様受容体（TLR）は、特定の病原体関連分子パターン（PAMP）を認識することで微生物を検出し、 IL-1Rファミリーのメンバーはインターロイキン-1（IL-1）ファミリーサイトカインに反応します。これらの受容体は、アダプタータンパク質、主にMyD88を介して細胞内シグナル伝達カスケードを開始します。^{[2] [3]}これに続いてIRAKが活性化されます。TLRとIL-1Rメンバーは、Toll/インターロイキン-1（TIR）ドメインと呼ばれる細胞質ドメインに高度に保存されたアミノ酸配列を持っています。^[4]異なるTLR/IL-1Rの誘発は、相同なTIRモチーフによる類似のシグナル伝達カスケードをもたらし、ミトゲン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）とIκBキナーゼ（IKK）複合体の活性化につながり、核因子κB（NF-κB）とAP-1依存性の炎症性遺伝子の転写応答を開始します。 ^{[5] [4]} TLR/IL-1R経路の主要なプレーヤーとその役割を理解することは重要です。なぜなら、Toll/IL-1Rシグナル伝達の異常な調節を引き起こす変異の存在は、さまざまな急性炎症性疾患や自己免疫疾患につながるからです。^[6]

IRAKは膜近位の推定セリン-スレオニンキナーゼです。ヒトではIRAKファミリーのメンバーとしてIRAK1、IRAK2、IRAKM、IRAK4の4つが知られています。IRAK-1とIRAK-4の2つは活性キナーゼであり、IRAK-2とIRAK-Mの2つは不活性キナーゼですが、いずれも核因子κB（NF-κB）とミトゲン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）の経路を制御します。^[5]

IRAK ファミリーの各メンバーの特別な/重要な特徴:

• IRAK-1がNF-κB活性化につながる他のシグナル伝達カスケードを制御する機能を持つという証拠がいくつかあります。特に神経成長因子（NGF）のシグナル伝達経路は、その活性化と細胞生存のために、そのシグナル伝達経路におけるIRAK-1の機能に依存している可能性があります。^[7]
• IRAK-2には、IRAK-2a、IRAK-2b、IRAK-2c、IRAK-2dの4つのアイソフォームがあります。後者の2つはTLRシグナル伝達経路に負のフィードバックを持っています。IRAK-2aとIRAK-2bは、LPSを刺激し​​てNF-κB/TLR経路を正に活性化します。^{[8] [2]}
• IRAK-Mは単骨髄細胞（単球とマクロファージ）に特異的ですが、他のIRAKは普遍的に発現しています。IRAK-MはIRAK-4/IRAK-1複合体を阻害することでTLRシグナル伝達を負に制御します。
• 最も新しく発見されたIRAKファミリーのメンバーであるIRAK-4は、IRAK-1のリクルートメントと活性化/分解に重要であることがわかった。IL-1はIRAK-4を刺激してIL-1R複合体を形成し、IRAKの上流にあるToll/IL-1受容体シグナル伝達カスケードを開始するため、IRAK-1を欠失してもNF-κBとミトゲン活性化タンパク質キナーゼ経路の活性化は失われない。^{[9] [10]}

IRAKは、1994年にマイケル・マーティンとその同僚によって、ヒトT細胞からI型インターロイキン-1受容体（IL-1RI）とタンパク質キナーゼを共沈させることに成功した際に初めて特定されました。彼らは、このキナーゼがT細胞の膜貫通型IL-1受容体と細胞質シグナル伝達経路の下流成分を結びつけるものであると推測しました。^[11]

「IRAK」という名前は、1995年にZhaodan Caoと同僚によってつけられました。IRAKのドメインのDNA配列分析により、 Toll受容体の下流で機能するショウジョウバエのセリン/スレオニン特異的タンパク質キナーゼPelleと多くのアミノ酸が保存されていることが明らかになりました。Caoの研究室は、IL-1で処理した細胞とIL-1なしで処理した細胞の種類からIL-1受容体を免疫沈降させることにより、キナーゼの活性がIL-1受容体と必然的に関連付けられていることを確認しました。過剰発現したIL-1受容体のない細胞でさえ、IL-1にさらされるとキナーゼ活性を示し、内因性IL-1受容体とタンパク質キナーゼを共沈させることができました。したがって、ヒトIL-1受容体の補助タンパク質は、インターロイキン-1受容体関連キナーゼと名付けられました。^[12]

1997年、MyD88はIL-1受容体の細胞質ドメインにIRAKをリクルートし、IL-1の細胞質シグナルカスケードへのシグナル伝達を媒介する細胞質タンパク質として同定されました。^[13]その後の研究では、IRAKはインターロイキンによって引き起こされる複数のシグナル伝達経路と関連付けられ、複数のIRAKタイプが特定されました。^{[14] [5]}

IRAK ファミリーのメンバーはすべて、保存された N 末端デスドメイン (DD) と中央キナーゼドメイン (KD) からなるマルチドメインタンパク質です。DD は、アダプタータンパク質 MyD88 や他の IRAK メンバーなどの他のシグナル伝達分子との相互作用に重要なタンパク質相互作用モチーフです。KD は IRAK タンパク質のキナーゼ活性を担い、12 のサブドメインで構成されています。すべての IRAK KD には、サブドメイン II に不変のリジン残基を持つ ATP 結合ポケットがありますが、IRAK-1 と IRAK-4 のみにサブドメイン VI の触媒部位にアスパラギン酸残基があり、これがキナーゼ活性に重要だと考えられています。IRAK-2 と IRAK-M は、KD にこのアスパラギン酸残基がないため、触媒的に不活性であると考えられています。^[5]

C末端ドメインはIRAKファミリーメンバー間であまり類似性を示さないようです。C末端ドメインはシグナル分子TRAF6との相互作用に重要です。IRAK-1には3つのTRAF6相互作用モチーフが含まれ、IRAK-2には2つ、IRAK-Mには1つ含まれています。^[15]

IRAK-1には、セリン、プロリン、スレオニン（プロST）が豊富な領域が含まれています。IRAK-1はこの領域で過剰リン酸化を受けると考えられています。プロST領域には、IRAK-1の分解を促進すると考えられる2つのプロリン（P）、グルタミン酸（E）、セリン（S）、スレオニン（T）に富んだ（PEST）配列も含まれています。^{[5] [15]}

インターロイキン-1 受容体 (IL-1R) は、炎症性サイトカインであるインターロイキン-1 (IL-1) の結合に反応して細胞内シグナル伝達カスケードを伝達するサイトカイン受容体です。このシグナル伝達カスケードにより、炎症に関与する特定の遺伝子の転写が開始されます。IL-1R は固有のキナーゼ活性を持たないため、シグナル伝達には IRAK などのアダプター分子のリクルートメントに依存します。

IL-1 が IL-1R 複合体に結合すると、TIR ドメインとの相互作用を通じてアダプター分子 MyD88 のリクルートが引き起こされます。MyD88 は IRAK-4 を受容体複合体に運びます。アダプター分子 Tollip と IRAK-1 の既成複合体も受容体複合体にリクルートされ、IRAK-1 が MyD88 に結合できるようになります。IRAK-1 が MyD88 に結合すると、IRAK-4 に近接するため、IRAK-4 は IRAK-1 をリン酸化して活性化できます。リン酸化されると、IRAK-1 はアダプタータンパク質 TNF 受容体関連因子 6 (TRAF6) をリクルートし、IRAK-1-TRAF6 複合体は IL-1R 複合体から解離します。IRAK-1-TRAF6 複合体は、TGF-β 活性化キナーゼ 1 (TAK1) と 2 つの TAK 結合タンパク質 TAB1 および TAB2 からなる細胞膜上の既存の複合体と相互作用します。 TAK1 は、ミトゲン活性化タンパク質キナーゼキナーゼキナーゼ (MAPKKK) です。この相互作用により、TAB2 と TAK1 がリン酸化され、TRAF6 と TAB1 とともに細胞質に移行します。IRAK-1 は膜に留まり、ユビキチン化による分解の標的となります。TAK1-TRAF6-TAB1-TAB2 複合体が細胞質に入ると、TRAF6 のユビキチン化によって TAK1 キナーゼ活性の活性化が引き起こされます。その後、TAK1 は、核因子 κB (NF-κB) 経路とミトゲン活性化タンパク質キナーゼ (MAPK) 経路の 2 つの転写経路を活性化できます。NF-κB 経路を活性化するために、TAK1 は IκB キナーゼ (IKK) 複合体をリン酸化します。この複合体は、続いて NF-κB 阻害剤である IκB をリン酸化して、プロテアソームによる分解の標的となります。 IκBが除去されると、NF-κBタンパク質p65とp50は自由に核に移行し、炎症誘発遺伝子の転写を活性化します。MAPK経路を活性化するために、TAK1はMAPKキナーゼ（MKK）3/4/6をリン酸化します。次に、MAPKファミリーのメンバー、c-Jun N末端キナーゼ（JNK）およびp38をリン酸化します。リン酸化されたJNK/p38はその後、核に移行し、c-Fosやc-Junなどの転写因子をリン酸化して活性化します。^[5]

Toll様受容体（TLR）は、病原体関連分子パターン（PAMP）を認識し、特定の病原体を排除するための適切な免疫反応を開始する重要な自然免疫受容体です。PAMPは、細菌リポ多糖（LPS）、ウイルス二本鎖RNAなど、宿主細胞には見られない微生物に関連する保存されたモチーフです。TLRは、固有のキナーゼ活性を持たず、シグナルを中継するためにアダプター分子を必要とする点でIL-1Rに似ています。TLRの刺激は、IL-1Rシグナル伝達経路と同様に、NF-κBおよびMAPKを介した転写を引き起こすこともあります。^{[15] [16]}

IRAK-1はTLR7およびTLR9インターフェロン（IFN）誘導に必須であることが示されている。形質細胞様樹状細胞（pDC）のTLR7およびTLR9はウイルス核酸を認識し、宿主細胞で抗ウイルス状態を誘導するための重要なサイトカインであるインターフェロン-α（IFN-α）の産生を誘発する。TLR7およびTLR9を介したIFN-α誘導には、MyD88、TRAF6、およびインターフェロン調節因子7（IRF7）からなる複合体の形成が必要である。IRF7は、活性化されると核に移行し、IFN-αの転写を開始する転写因子である。IRAK-1はin vitroでIRF7を直接リン酸化することが示され、IRAK-1のキナーゼ活性はIRF7転写活性化に必須であることが示された。^[16]その後、IRAK-1はインターフェロン調節因子5（IRF5）の活性化に必要であることが示された。 IRF5は、特定のウイルスによるTLR7、TLR8、TLR9の刺激に続いてIFN産生を誘導する別の転写因子である。活性化されるためには、IRF5はTRAF6によってポリユビキチン化される必要がある。TRAF6を介したIRF5のユビキチン化はIRAK-1のキナーゼ活性に依存することが示されている。^{[17] [18]}

IRAK-1はTLR4インターロイキン-10（IL-10）誘導においても重要な役割を果たすことが示されています。TLR4は細菌LPSを認識し、炎症反応を制御するサイトカインであるIL-10の転写を誘発します。IL-10転写はシグナル伝達および転写活性化因子3（STAT3）によって活性化されます。IRAK-1は核内でSTAT3およびIL-10プロモーターエレメントと複合体を形成し、STAT3のリン酸化およびIL-10転写の活性化に必要です。^[19]

IRAK-2 は、TLR を介した NF-κB 活性化において重要な役割を果たします。IRAK-2 をノックダウンすると、TLR3、TLR4、TLR8 による NF-κB 活性化が阻害されることが示されています。IRAK-2 がどのように機能するかのメカニズムはまだ不明ですが、IRAK-2 は、IRAK-1 に結合しない Mal/TIRAP と呼ばれる TIR アダプタータンパク質と相互作用することが示されています。Mal/TIRAP は、TLR2 および TLR4 を介した NF-κB シグナル伝達に特に関与しています。さらに、IRAK-2 は TLR3 受容体にリクルートされることが示されています。IRAK-2 は、TLR3 シグナル伝達に役割を果たすことが知られている唯一の IRAK ファミリー メンバーです。^{[20] [15]}

IRAK-M の最も顕著な特徴の 1 つは、過剰な炎症を防ぐための TLR シグナル伝達の負の調節因子であることです。IRAK-M は MyD88 の IRAK-1 および IRAK-4 への結合を強化し、IRAK-1 が受容体複合体から解離して下流の NF-κB および MAPK シグナル伝達を誘導するのを防ぐと考えられています。IRAK-M は TLR2 シグナル伝達における代替 NF-κB 経路を負に制御することも示されています。代替 NF-κB 経路は主に CD40、リンフォトキシン β 受容体 (LT)、および TNF ファミリーに属する B 細胞活性化受容体 (BAFF 受容体) によってトリガーされます。代替 NF-κB 経路には、NF-κN 誘導キナーゼ (NIK) の活性化と、それに続く IKKα 依存性メカニズムでの転写因子 p100/RelB のリン酸化が含まれます。 IRAK-Mノックアウトにより、代替NF-κB経路の誘導が増加したが、古典的経路の誘導は増加しなかったことが観察された。IRAK-MがNF-κBシグナル伝達を阻害するメカニズムはまだ不明である。^{[15] [20]}

IRAK-4はMyD88を介したシグナル伝達経路の必須成分であり、IL-1RとTLRシグナル伝達の両方にとって重要である。MyD88はIRAK-1とIRAK-4の相互作用のための足場タンパク質として機能し、IRAK-4がIRAK-1をリン酸化できるようにし、IRAK-1の自己リン酸化と活性化につながる[1,2]。IRAK-4はIL-1RとTLRのNF-κBとMAPKシグナル伝達経路、およびTLR7/9 MyD88を介したインターフェロンの活性化にとって重要である。^[21]

インターロイキン1は、自然免疫系において局所的および全身的に作用するサイトカインです。IL-1aとIL-1βは炎症を引き起こすことで知られていますが、他の炎症性サイトカインの誘導や発熱を引き起こすこともあります。IRAKはIL-1受容体シグナル伝達経路の重要なステップであるため、IRAKの欠乏または過剰発現は、IL-1aおよびIL-1βに対する細胞応答の不十分または過剰を引き起こす可能性があります。したがって、インターロイキン1受容体関連キナーゼは、自己免疫疾患、免疫不全疾患、および癌関連疾患の有望な治療ターゲットです。^{[22] [23]}

炎症シグナル伝達は多くの種類の癌において主要な要因であることが知られており、炎症性ミクロ気候はヒト腫瘍の重要な側面である。IRAKを含む炎症シグナル伝達経路を活性化するIL-1βは、腫瘍細胞の増殖、血管新生、浸潤、転移に直接関与している。L265P MyD88変異体を含む腫瘍細胞では、タンパク質シグナル伝達複合体が自発的に形成され、IRAK-4のキナーゼ活性を活性化し、インターロイキン-1シグナル伝達とは無関係に炎症と増殖を促進する。したがって、IRAK-4阻害薬は、L265P MyD88変異を伴うリンパ系悪性腫瘍、特にワルデンシュトレームマクログロブリン血症に対する潜在的な治療薬であり、BTKおよびIRAK1/4阻害剤は有望ではあるものの未確認の結果を示している。^[24]

2013年、シンシナティ大学のギャレット・ライアセンと彼の同僚は、活性IRAK-1とIRAK-4がヒト骨髄異形成症候群（MDS）と急性骨髄性白血病（AML）にどのように関与しているかを研究した。彼らは、IRAK1ノックアウト療法がアポトーシスを誘発し、白血病前駆細胞の活性を低下させることを発見した。彼らはまた、IRAK4はヒトの血液悪性腫瘍の増殖に不可欠であるが、MDS/AMLの病因には不可欠ではないことも明らかにした。^[25] IRAK阻害療法のさらなる試験は、がん治療の開発に不可欠であることが判明するかもしれない。^{[24] [25]}

MS、関節リウマチ、狼瘡、乾癬などの自己免疫疾患は、慢性炎症を誘発する自然免疫系の調節異常によって引き起こされます。^[26]ほとんどの場合、IRAK-1とIRAK-4の阻害は、慢性炎症を誘発するサイトカイン経路に不可欠な機能であるため、ノックアウト薬の最も効果的なターゲットであると考えられています。^[27]

IRAK-M遺伝子の変異は、早期発症型喘息の原因として特定されています。IRAK-Mの機能低下は、肺における炎症性サイトカインの過剰産生につながり、最終的にはT細胞を介したアレルギー反応と喘息症状の悪化を引き起こします。研究者らは、これらの個人におけるIRAK-M機能の増加が喘息症状を緩和する可能性があると提唱しています。^[28]