ペプチドグリカン認識タンパク質

ペプチドグリカン認識タンパク質（PGRP ）は、細菌の細胞壁のペプチドグリカン成分を認識できる少なくとも1つのペプチドグリカン認識ドメインを持つ、高度に保存されたパターン認識受容体のグループです。これらは昆虫、軟体動物、棘皮動物、脊索動物に存在します。PGRPの作用機序は分類群によって異なります。昆虫では、PGRPはプロフェノールオキシダーゼカスケード、Toll経路、IMD経路、および食作用の誘導という4つの独自のエフェクター経路の1つを活性化することで、間接的に細菌を殺します。^{[1] [2] [3] [4]}哺乳類では、PGRPは細菌の細胞壁または外膜と相互作用して細菌を直接殺すか、ペプチドグリカンを加水分解します。^{[1] [2] [3] [4]また、}炎症や微生物叢を調節し、宿主受容体と相互作用します。^{[1] [3]}

最初のPGRPは1996年に芦田正明と同僚らによって発見されました。彼らはカイコ（Bombyx mori ）の血リンパとクチクラに存在する19kDaのタンパク質を精製し、ペプチドグリカンに特異的に結合してプロフェノールオキシダーゼカスケードを活性化することから、ペプチドグリカン認識タンパク質と名付けられました。^{[5] 1998年にHåkan Steinerと同僚らは、差動ディスプレイスクリーンを使用して蛾（} Trichoplusia ni ）のPGRPオルソログを特定してクローニングし、次にマウスとヒトのPGRPオルソログを発見してクローニングしました。^[6]これにより、PGRPは昆虫から哺乳類まで高度に保存されていることが示されました。また1998年にSergei Kiselevと同僚らは、PGRPと同じ配列を持つマウス腺癌からのタンパク質を独立して発見してクローニングし、Tag7と名付けました。^[7] 1999年に落合正典と芦田正明はカイコ（B. mori）PGRPのクローンを作成した。^[8]

2000年、ダン・ハルトマークと同僚らは、ショウジョウバエ（ Drosophila melanogaster）ゲノムの利用可能な配列に基づいて、ショウジョウバエにおける12の高度に多様化したPGRP遺伝子ファミリーを発見し、^[9]転写産物のサイズに基づいて、短い（S）型と長い（L）型に分類しました。利用可能な配列の相同性検索により、彼らはまた、ヒトおよびマウスのPGRPの長い型（PGRP-L）の存在を予測しました。^[9]

2001年、Roman Dziarskiと同僚らは、3種類のヒトPGRPを発見し、クローニングし、PGRP-L、PGRP-Iα、PGRP-Iβ（長い転写産物と中程度のサイズの転写産物）と名付けました。^[10]彼らは、ヒトゲノムが4種類のPGRPファミリー、PGRP-S（短いPGRP）^[6]とPGRP-L、PGRP-Iα、PGRP-Iβをコードしていることを確認しました。^[10]その後、ヒトゲノム機構遺伝子命名委員会は、PGRP-S、PGRP-L、PGRP-Iα、PGRP-Iβの遺伝子記号をそれぞれPGLYRP1、PGLYRP2、PGLYRP3、PGLYRP4に変更し、この命名法は現在、他の哺乳類PGRPにも使用されています。Sergei Kiselevと同僚らは、マウスPGLYRP2（TagL）も独立してクローニングしました。^{[11] [12]}その後、PGRPは動物界全体で同定されましたが、下等後生動物（例えば、線虫Caenorhabditis elegans）や植物にはPGRPが存在しません。^{[2] [3] [4]}

2003年、ビョンハ・オと同僚らはショウジョウバエからPGRP-LBを結晶化し、その構造を解明した。^[13]

昆虫は最大19の選択的スプライシングを受けたPGRPを生成し、長い（L）型と短い（S）型に分類されます。例えば、ショウジョウバエ（D. melanogaster）には13個のPGRP遺伝子があり、その転写産物は19個のタンパク質に選択的スプライシングされます。一方、蚊（Anopheles gambiae）には7個のPGRP遺伝子があり、9個のスプライシングバリアントがあります。^{[1] [2] [9] [14]}

哺乳類には最大4つのPGRPがあり、そのすべてが分泌されます。これらは、ペプチドグリカン認識タンパク質1（PGLYRP1）、ペプチドグリカン認識タンパク質2（PGLYRP2）、ペプチドグリカン認識タンパク質3（PGLYRP3）、およびペプチドグリカン認識タンパク質4（PGLYRP4）です。^{[1] [2] [3] [4] [10]}

PGRPには少なくとも1つのC末端ペプチドグリカン認識ドメイン（PGRPドメイン）が含まれており、その長さは約165アミノ酸です。このペプチドグリカン結合2型アミダーゼドメインは、バクテリオファージおよび細菌の2型アミダーゼと相同性があります。 ^[4]

PGRPドメインには3つの周辺αヘリックスといくつかの中央βストランドがあり、分子の前面にペプチドグリカン結合溝を形成している一方、分子の背面にはPGRP特有のセグメントがあり、これは多くの場合疎水性で、様々なPGRP間で多様であり、バクテリオファージアミダーゼには存在しない。^{[2] [3] [4] [13] [15] [16]}

無脊椎動物のPGRPは、小さな分泌タンパク質（例：ショウジョウバエのPGRP-SB、-SA、-SD、-LB ）、より大きな膜貫通タンパク質（例：ショウジョウバエのPGRP-LA、-LC、-LF ）、または細胞内タンパク質（例：ショウジョウバエのPGRP-LEfl ）である。^{[1] [2] [3] [4]通常、それらは1つのC末端PGRPドメインを持ちますが、2つのPGRPドメインを持つ}ショウジョウバエPGRP-LFなどのいくつかの例外があります。 ^[1]哺乳類のPGRPは、通常二量体を形成し、1つのPGRPドメイン（例：ヒトPGLYRP1とPGLYRP2）または2つのPGRPドメイン（例：ヒトPGLYRP3とPGLYRP4）を含む分泌タンパク質です。^{[1] [3] [17] [18] [19]}

PGRPは、細菌細胞壁の主成分であるペプチドグリカンに結合します。^{[1] [2] [3] [4]ペプチドグリカンは、L-アミノ酸とD-}アミノ酸が交互になった短いペプチドによって架橋された、β（1-4）結合したN-アセチルグルコサミン（GlcNAc）とN-アセチルムラミン酸（MurNAc）のポリマーです。MurNAc-トリペプチドは、PGRPに結合するペプチドグリカンの最小フラグメントであり、MurNAc-テトラペプチドとMurNAc-ペンタペプチドはより高い親和性で結合します。^{[15] [16] [20]}ペプチドグリカンの結合は通常、PGRPの構造の変化、またはMurNAc-ペプチドを結合溝に閉じ込める別のPGRP分子との相互作用を引き起こします。^[16]一部のPGRPは、ペプチドグリカンのペプチド部分に存在する異なるアミノ酸、特にペプチドグリカンペプチドの3番目の位置にあるアミノ酸（グラム陽性球菌では通常L-リジン、グラム陰性細菌とグラム陽性桿菌ではメソジアミノピメリン酸（m -DAP））を区別することができます。一部のPGRPは、MurNAcとその無水形態を区別することもできます。^{[2] [15] [16] [20] [21]}

PGRP は昆虫の細菌の主なセンサーであり、抗菌防御の主要成分です。PGRP は、抗菌ペプチドやその他の免疫エフェクターの生成を誘導するシグナル伝達カスケードを活性化します。可溶性 PGRP (例:ショウジョウバエの PGRP-SA および PGRP-SD ) は、L-リジン含有ペプチドグリカンを検出し、細胞表面の Toll-1 受容体を活性化する内因性リガンドSpätzleを生成するタンパク質分解カスケードを活性化します。Toll-1 は次にシグナル伝達カスケードをトリガーし、主にグラム陽性細菌および真菌に対して有効な抗菌ペプチドを生成します。^{[1] [2] [3] [22] [23] [24] [25]}

膜貫通PGRP（例：ショウジョウバエPGRP-LC）と細胞内PGRP（例：ショウジョウバエPGRP-LE）は受容体として機能し、m -DAP含有ペプチドグリカンを検出して、主にグラム陰性細菌に対して活性な抗菌ペプチドの産生を誘導するIMD（免疫不全）シグナル伝達経路を活性化します。^{[1] [2] [3] [26] [27] [28]このIMD経路の活性化は、抗菌}活性酸素種を生成するデュアルオキシダーゼの産生も誘導します。^{[1] [29]}

いくつかの昆虫PGRP（例えば、ショウジョウバエPGRP-SAおよび-LE、およびB. mori PGRP-S）はプロフェノールオキシダーゼカスケードを活性化し、メラニン、活性酸素種、およびその他の抗菌化合物の形成をもたらします。^{[3] [5] [30] [31]}

いくつかの小さな昆虫PGRP（例えば、ショウジョウバエのPGRP-SB、-SC、および-LB）は、MurNAcとL-Ala（ステムペプチドの最初のアミノ酸）間のアミド結合を加水分解するペプチドグリカン加水分解酵素（ N-アセチルムラモイル-L-アラニンアミダーゼ）である。 ^{[1] [32]}これらのアミダーゼは、結果として生じるペプチドグリカン断片がPGRPに結合できないようにするため、ペプチドグリカンスカベンジャーとして機能する。^{[1] [32]}これらはペプチドグリカンの細胞活性化能力を廃止し、細菌の多い腸管からのペプチドグリカンの全身的取り込みを制限し、宿主防御経路の過剰活性化をダウンレギュレーションまたは防止する。^{[1] [33] [34]}これらのアミダーゼのいくつかは直接殺菌作用もあり、宿主を感染からさらに守り、共生細菌の数を制御するのに役立つ。^{[35] [36]}

他の昆虫PGRP（例えば、ショウジョウバエPGRP-LF）はペプチドグリカンに結合せず、細胞内シグナル伝達ドメインを欠いており、PGRP-LCと複合体を形成し、IMD経路の活性化をダウンレギュレーションする働きをする。^{[1] [37] [38]}

PGRPは、ほとんどの無脊椎動物に存在し、細菌によって恒常的に発現または誘導される。これには、虫、^{[39 ] 、}カタツムリ^[40 ] 、カキ^[41]、ホタテ^[43]、イカ^{[45] 、}ヒトデ[ 46 ^]が含まれる。これらのPGRPは確認または予測されるアミダーゼであり、抗菌活性を持つものもある。これらは宿主を感染から守ったり、ハワイアンダンジイカ（ Euprymna scolopes）の明器官に存在するVibrio fischeriなどの特定の常在細菌の定着を制御したりすると考えられる。^{[47] [48]}

初期の魚類に似た脊索動物であるナメクジウオは、広範な自然免疫系（獲得免疫はない）を持ち、複数のPGRP遺伝子を持っています。例えば、フロリダナメクジウオ（ Branchiostoma floridae ）には18個のPGRP遺伝子があり、それらはすべてペプチドグリカン加水分解アミダーゼであると予測されており、少なくとも1つは殺菌作用があります。^[49]

ゼブラフィッシュ（ Danio rerio ）などの魚類は通常4つのPGRP遺伝子を持っていますが、^{[50]それらはすべて哺乳類の}PGLYRPと相同ではなく、異なる種は複数のPGRPスプライスバリアントを持つ可能性があります。^{[51] [52] [53] [54]これらは、肝臓、}えら、腸、膵臓、脾臓、皮膚など、成魚の多くの組織で構成的に発現しており、細菌はその発現を増加させることができます。 PGRPは、発達中の卵母細胞と卵でも高度に発現しています（例：ゼブラフィッシュPGLYRP2とPGLYRP5）。^{[50]これらのPGRPは、ペプチドグリカン加水分解アミダーゼ活性を持ち、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方に直接殺菌作用があり、卵と発達中の}胚を細菌感染から保護します。 ^[50]これらはまた、いくつかのシグナル伝達経路を制御している可能性があります。^{[55] [56]}

両生類のPGRPもアミダーゼであることが証明または予測されており、魚類のPGRPと同様の機能を持つ可能性が高い。^[4]

哺乳類の4つのPGRPはすべて分泌タンパク質である。^{[18] [19] [57] [58]}

PGLYRP1（ペプチドグリカン認識タンパク質1）は、すべての哺乳類PGRPの中で最も高い発現レベルを持っています。PGLYRP1は、骨髄、好中球および好酸球の顆粒、活性化マクロファージ、授乳中の 乳腺、腸のパイエル板のミクロフォールド（M）細胞で高度に恒常的に発現しており、眼、口、呼吸器および腸管の上皮細胞でもはるかに低い程度に発現しています。 ^{[6] [10] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66]}

PGLYRP2（ペプチドグリカン認識タンパク質2）は肝臓で恒常的に発現し、そこから血液中に分泌される。^{[10] [18] [67] [68]}肝臓PGLYRP2と以前に同定された血清N-アセチルムラモイル-L-アラニンアミダーゼは、PGLYRP2遺伝子によってコードされる同じタンパク質である。^{[17] [18] [58] [69]}細菌とサイトカインは、皮膚と胃腸上皮細胞、^{[19] [68] [70] [71]}腸上皮内Tリンパ球、樹状細胞、NK（ナチュラルキラー）細胞、および炎症性マクロファージでPGLYRP2の低レベルの発現を誘導する。^{[72] [73]}豚などの一部の哺乳類は、PGLYRP2の複数のスプライスフォームを異なる発現で発現する。^[74]

PGLYRP3（ペプチドグリカン認識タンパク質3）とPGLYRP4（ペプチドグリカン認識タンパク質4）は、皮膚、眼、舌、喉、食道の粘膜で恒常的に発現しており、腸管の残りの部分でははるかに低いレベルで発現している。^{[10] [19] [75] [76] PGLYRP4は、}唾液腺と喉の粘液分泌腺でも発現している。 ^{[19]細菌とその産物は、}ケラチノサイトと口腔上皮細胞でPGLYRP3とPGLYRP4の発現を増加させる。^{[19] [71]}同じ細胞で発現すると、PGLYRP3とPGLYRP4はジスルフィド結合ヘテロ二量体を形成する。^[19]

マウスPGLYRP1、PGLYRP2、PGLYRP3、PGLYRP4も発達中の脳で異なる発現を示し、この発現は腸内細菌叢の影響を受けます。^[77] PGLYRP1の発現はラットの脳では睡眠不足によっても誘導され^[78]、マウスの脳では虚血によっても誘導されます。^[79]

ヒトPGLYRP1、PGLYRP3、およびPGLYRP4は、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方に直接殺菌作用を示す^{[19] [63] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86]}およびスピロヘータのボレリア・ブルグドルフェリ[87] 。^{マウス[88] [60]}およびウシ^{[59] [89]} PGLYRP1も抗菌活性を有し、ウシPGLYRP1は抗真菌活性も有する。^[59]これらのヒトPGRPは、酸化ストレス、チオールストレス、および金属ストレスという3つの相乗的なストレス応答を同時に誘導することで細菌を殺します。^{[81] [83] [84] [85] [86] [90]これらのPGRPによる細菌の殺菌は、細胞膜の透過性、細胞壁の加水分解、}浸透圧ショックを伴わないが、^{[19] [80] [81]}リゾチーム^[63]や抗菌ペプチド^[80]と相乗効果がある。

ヒト^{[18] [58]}マウス^[57]およびブタ^[74] PGLYRP2は、細菌細胞壁ペプチドグリカンの幹ペプチドの最初のアミノ酸であるMurNAcとL-アラニン間のアミド結合を加水分解する酵素、N-アセチルムラモイル-L-アラニンアミダーゼである。PGLYRP2によって加水分解される最小のペプチドグリカン断片はMurNAc-トリペプチドである。 ^[58] PGLYRP2によるペプチドグリカンの加水分解は、その炎症誘発活性を減少させる。^{[72] [91]}

無脊椎動物や下等脊椎動物のPGRPとは異なり、哺乳類のPGRPは感染に対する防御において限られた役割しか果たさない。マウスにPGLYRP3またはPGLYRP4を鼻腔内投与すると、黄色ブドウ球菌および大腸菌 による鼻腔内肺感染から保護され、^{[19] [92]}、PGLYRP1を静脈内投与すると、マウスはリステリア菌による全身感染から保護される。[ 93 ^]また、PGLYRP1欠損マウスは、非病原性細菌（Micrococcus luteusおよびBacillus subtilis）による全身感染^[60]および緑膿菌誘発性角膜炎^[64]に対してより感受性が高いが、いくつかの病原性細菌（S. aureusおよびE. coli）による全身感染に対しては感受性が低い。^[60]しかし、PGLYRP1はマウスをB. burgdorferi感染から保護します。PGLYRP1を欠損したマウスでは、心臓と関節におけるスピロヘータ負荷が増加しますが、皮膚では増加しません。これは、感染の全身期にB. burgdorferiの拡散を制御する上でPGLYRP1の役割を果たしていることを示唆しています。 ^[87] PGLYRP2欠損マウスは、 P. aeruginosa誘発性角膜炎^[94]やStreptococcus pneumoniae誘発性肺炎および敗血症に対してより敏感であり、^[95] PGLYRP4欠損マウスはS. pneumoniae誘発性肺炎に対してより敏感です。^[96]

マウスPGRPは健康なマイクロバイオームを維持する役割を果たしており、PGLYRP1、PGLYRP2、PGLYRP3、PGLYRP4を欠損したマウスでは腸内マイクロバイオームの構成に大きな変化が見られ^{[76] [96] [97] [98]}、PGLYRP1を欠損したマウスでは肺マイクロバイオームにも変化が見られます^{[98] 。}

マウスPGRPは、腸、皮膚、肺、関節、脳における抗炎症性および炎症誘発性の恒常性維持にも役割を果たしている。^{[1] [99]} 4つのPGLYRPはすべて、マウスをデキストラン硫酸ナトリウム（DSS）誘発性大腸炎から保護し、PGLYRP2とPGLYRP3の腸内微生物叢に対する効果がこの保護に関与している。^{[76] [97] [100]} PGLYRP3は腸上皮細胞において抗炎症性である。^{[101] PGLYRP4は、} S. pneumoniae肺炎および敗血症のマウスモデルにおいて抗炎症効果を示し、これもPGLYRP4制御微生物叢に依存している。^[96]

PGLYRP3とPGLYRP4は抗炎症作用があり、マウスをアトピー性皮膚炎から保護します^[102] 。また、PGLYRP4はマウスを百日咳菌誘発性気道炎症から保護します。^{[103] PGLYRP2は抗炎症作用があり、}マウスを実験的に誘発された乾癬様炎症^[104]やサルモネラ・エンテリカ^{誘発性腸炎[73]}から保護します。しかし、PGLYRP2は炎症誘発作用もあり、マウスで実験的関節炎^[105]、細菌誘発性角膜炎^{[94] 、} S.肺炎菌肺感染症^[95]の炎症の発症を促進します。PGLYRP2はマウスの運動活動と不安依存行動も制御します。^{[77] [106]}

PGLYRP1は炎症誘発性であり、マウスで実験的に誘発された喘息[65] [66]、皮膚炎[102] [104]、実験的自己免疫性脳脊髄炎（EAE）[107]を促進する。喘息における炎症誘発効果はPGLYRP1制御腸内微生物叢に依存するが[ ^{98 ]}、^EAEでは単球、マクロファージ^、好中球におけるPGLYRP1の発現に依存する。^[107] PGLYRP1は細胞傷害性抗腫瘍CD8 ⁺ T細胞の活性化を阻害し、マウスでのPGLYRP1の欠損により腫瘍増殖が減少するため、抗炎症効果もある。^[107] B. burgdorferiに感染したPGLYRP1欠損マウスは免疫調節異常の兆候を示し、Th1サイトカイン応答とB. burgdorferiに対する抗体応答の障害を引き起こす。^[87] PGLYRP1はマウスに実験的に誘発された角膜炎における創傷治癒も促進する。^[64]

哺乳類のPGRPの中には、宿主受容体の作動薬や拮抗薬として機能するものもあります。ペプチドグリカンと複合した、または多量体化したヒトPGLYRP1は、好中球、単球、マクロファージに存在する受容体TREM-1（骨髄細胞に発現する誘発受容体-1）に結合して刺激し、炎症性サイトカインの産生を誘導します。^[108]

ヒトおよびマウスのPGLYRP1（Tag7）は溶液中で熱ショックタンパク質70（ Hsp70 ）に結合し、PGLYRP1-Hsp70複合体も細胞傷害性リンパ球によって分泌され、これらの複合体は腫瘍細胞に対して細胞傷害性を示す。 ^{[109] [110]}この細胞傷害性は、メタスタシン（S100A4）^[111]および熱ショック結合タンパク質HspBP1によって拮抗される。^[112] PGLYRP1-Hsp70複合体はTNFR1（腫瘍壊死因子受容体1、死の受容体）に結合し、アポトーシスおよびネクロプトーシスを介して細胞傷害性効果を誘導する。^{[113]この細胞傷害性は、}リソソームおよびミトコンドリアの透過性と関連している。^[114]対照的に、遊離PGLYRP1はTNFR1に結合し、PGLYRP1-Hsp70複合体によるその活性化を阻害することによってTNFR1拮抗薬として作用する。^[113]ヒトPGLYRP1由来のペプチドは、TNF-αおよびPGLYRP1-Hsp70複合体の細胞毒性効果も阻害し^[115]、ヒト末梢血単核細胞におけるサイトカイン産生も阻害する。^[116]また、急性肺損傷のマウスモデル^[116]およびマウスの完全フロイントアジュバント誘発関節炎における炎症反応を減少させる。^[117]

PGLYRP遺伝子変異またはPGRP発現の変化は、いくつかの疾患と関連している。クローン病や潰瘍性大腸炎を含む炎症性腸疾患（IBD）の患者は、健康な対照群よりも4つのPGLYRP遺伝子すべてにおいてミスセンス変異が有意に多く見られる。 ^[118]これらの結果は、PGRPがこれらの炎症性疾患からヒトを保護し、PGLYRP遺伝子の変異がこれらの疾患の素因となる遺伝的要因の1つであることを示唆している。PGLYRP1変異体は鎌状赤血球症における胎児ヘモグロビン増加とも関連しており[ 119 ] 、^PGLYRP2変異体は食道扁平上皮癌と関連しており^{[120] 、}PGLYRP2、PGLYRP3、およびPGLYRP4変異体はパーキンソン病と関連しており^{[121] [122] [123] 、}PGLYRP3およびPGLYRP4変異体は乾癬^{[124] [125]}および気道マイクロバイオームの構成と関連しており^[126]、PGLYRP4変異体は卵巣癌と関連している^[127]。

PGLYRP1の発現増加と関連する疾患には、動脈硬化症^{[128] [129]} 心筋梗塞^[130] [ ^131] 心不全[ ^{130] [132]} 冠動脈疾患^[132] [ ^{133]敗血症 [134]}肺線維症[ 135 ]喘息^[ 136 ^]慢性腎臓病^[137]関節リウマチ[ ^138]歯肉炎[ ^{139] [} 140 ] ^{[ 141] [142] [143] [144]}虫歯および筋肉および関節疾患^[145]変形性関節症^[146]腎移植患者における心血管イベントおよび死亡[ ^147]潰瘍性大腸炎およびクローン病^[148]脱毛症などがある。、^[149] 1型糖尿病、^[150]血液透析における感染性合併症、^[151]および血栓症、^[152]はPGLYRP1の炎症誘発作用と一致している。子宮内膜症ではPGLYRP1の発現が低いことがわかった。^[153]臍帯血血清中のPGLYRP1濃度は小児喘息および思春期の呼吸機能と逆相関している。^[154]

全身性エリテマトーデス患者では血清PGLYRP2値の上昇が認められ、疾患活動指数、腎障害、脂質異常と相関している。^[155] PGLYRP2に対する自己抗体は、関節リウマチ患者で有意に増加している。^{[156] PGLYRP2の発現低下は、} HIV関連^[157]および薬剤感受性^[158] 結核、ライム病^[159] 、肝細胞癌^[160]、心筋梗塞^[161]で認められる。

カイコ（ Bombyx mori ）の血リンパ中のPGRPによるプロフェノールオキシダーゼカスケードの活性化に基づいてペプチドグリカンを検出するカイコ幼虫血漿（SLP）検査が利用可能である。^{[162] [163]}

• ペプチドグリカン認識タンパク質1
• ペプチドグリカン認識タンパク質2
• ペプチドグリカン認識タンパク質3
• ペプチドグリカン認識タンパク質4
• ペプチドグリカン
• 先天性免疫システム
• 細菌細胞壁