シグレック

シグレック （シアル酸結合免疫グロブリン型レクチン）は、シアル酸に結合する細胞表面タンパク質です。主に免疫細胞の表面に存在し、 I型レクチンのサブセットです。哺乳類のシグレックには14種類あり、細胞表面受容体-リガンド相互作用に基づいてさまざまな機能を発揮します。^[1]

最初に記述された候補のシグレックは、マクロファージ上のレクチン様接着タンパク質であるシアロアドヘシン（シグレック-1/CD169）でした。^[2]以前にクローン化されたCD22（接着と活性化に関与するB細胞表面タンパク質）に関するAjit Varkiと同僚 による並行研究では、シアリン酸認識の直接的な証拠が示されました。その後、Crockerによるシアロアドヘシンのクローン化により、CD22（シグレック-2）、 CD33（シグレック-3）、およびミエリン関連糖タンパク質（MAG/シグレック-4）との相同性が明らかになり、「シアロアドヘシン」ファミリーの提案につながりました。その後、Varkiは、より良い代替案として、またI型（Ig型）レクチンのサブセットとして、シグレックという用語を提案しました。この命名法は合意されており、これらの分子を研究しているほぼすべての研究者によって採用されている（慣例により、シグレックは常に大文字で表記される）。ヒトでは、CD33と構造が非常に類似しているいくつかの追加のシグレック（シグレック5～12）が特定されているため、まとめて「CD33関連シグレック」と呼ばれている。^[3] さらに、シグレック-14やシグレック-15などのシグレックが特定されている。シグレックは2つの異なるグループに分類されている。1つは、シアロアドヘシン、CD22、MAG、シグレック-15で構成される、哺乳類全体で高度に保存されている最初のグループで、もう1つはCD33に密接に関連するシグレックを含む。^{[4] [5]}シグレック-8やシグレック-9などの他のシグレックは、マウスとラットに相同体がある（両方でそれぞれシグレック-Fとシグレック-E）。ヒトはマウスよりも多くのシグレックを持っているため、番号付けシステムはヒトのタンパク質に基づいていた。^[6]

シグレックは、 NH ₃ ⁺末端が細胞外スペースにあり、 COO ⁻末端が細胞質にあるタイプIの膜貫通タンパク質です。^{[7]各シグレックには、シアリン}酸の結合受容体として機能するN末端V型免疫グロブリンドメイン（Igドメイン）が含まれています。これらのレクチンは、レクチンドメインが免疫グロブリンフォールドであるため、I型レクチンのグループに分類されます。すべてのシグレックは、結合活性を持たないC2型Igドメインによって細胞表面から伸びています。シグレックは、これらのC2型ドメインの数が異なります。^{[6]これらのタンパク質はIgドメインを含むため、}免疫グロブリンスーパーファミリー（IgSF）のメンバーです。

CD22やCD33関連ファミリーなどのほとんどのシグレックは、細胞質領域にITIM（免疫受容体チロシン阻害モチーフ）を含んでいます。 ^{[7]これらは、ITAM（}免疫受容体チロシン活性化モチーフ）によって誘導されるものなど、リン酸化を伴うシグナル伝達経路を 下方制御する働きをします。 ^[8]しかし、シグレック14のように、DAP12などのITAMを含むアダプタータンパク質のドッキングを助ける陽性アミノ酸残基を含むものもあります。^[1]

シアル酸の酸性の性質のため、シグレックの活性部位には生理学的 pHで正に帯電する保存されたアルギニン残基が含まれています。このアミノ酸は、糖残基のカルボキシル基と塩橋を形成します。 ^[6]これはシアロアドヘシンで最もよく見られ、位置 97 のアルギニンがシアル酸の COO ^{−基と塩橋を形成し、安定した相互作用を生み出します。 [9]}各レクチンドメインは、シアル酸をグリカンに結び付ける結合に特異的です。シアル酸には、糖骨格の炭素番号 2、3、6、および 8 で観察されるグリコシド結合の形成に関与する可能性のある多数のヒドロキシル基が含まれています。各シグレックの結合特異性は、糖リガンドとシグレックアミノ酸との間の異なる化学的相互作用によるものです。糖とタンパク質アミノ酸上の個々のグループの空間的位置は、各シグレックが結合するシアリン酸結合に影響を与える。例えば、シアロアドヘシンはα2,6結合よりもα2,3結合に優先的に結合します。^[9]

シグレックの主な機能は、シアリン酸を含むグリカンを結合することです。これらの受容体グリカン相互作用は、細胞接着、細胞シグナル伝達などに利用できます。シグレックの機能は細胞分布に限定されています。たとえば、MAG はオリゴデンドロサイトとシュワン細胞にのみ存在しますが、シアロアドヘシンはマクロファージに局在しています。

ほとんどのシグレックは短く、細胞表面から遠くまで伸びていません。哺乳類細胞はシアリン酸含有グリカンで覆われているため、ほとんどのシグレックは他の細胞に結合できません。つまり、シグレックの大部分は同じ細胞の表面にあるリガンド、いわゆるシスリガンドにしか結合しません。同じ細胞上のグリカンに「圧倒」されるからです。例外はシアロアドヘシンで、これは 16 個の C2-Ig ドメインを含み、長く伸びたタンパク質を生成するため、トランスリガンド、つまり他の細胞にあるリガンドに結合できます。MAG などの他のリガンドもトランスリガンド に結合することがわかっています。

シグレックファミリーのメンバーは、相反する細胞内シグナル伝達機能を持つペアになった受容体です。 ^{[10] [11]} ITIMを含む細胞質領域のため、ほとんどのシグレックは細胞シグナル伝達を妨害し、免疫細胞の活性化を阻害します。リガンドに結合すると、シグレックはITIMドメインを介してSHPホスファターゼなどの阻害タンパク質をリクルートします。^[12] ITIMに含まれるチロシンはリガンド結合後にリン酸化され、 SHPホスファターゼなどのSH2ドメイン含有タンパク質 のドッキング部位として機能します。これにより細胞タンパク質の脱リン酸化が起こり、活性化シグナル伝達経路がダウンレギュレーションされます。

否定的なシグナルの例:

• CD22はB細胞上に存在します。B細胞は、B細胞受容体（BCR）がその同族リガンドに結合すると活性化します。BCRがリガンドに結合すると、受容体は細胞質領域（細胞質尾部）を自己リン酸化します。これにより、CD22の細胞質尾部にある3つのITIMがリン酸化され、 BCRベースの細胞活性化を負に制御するSHP-1がリクルートされます。これにより、B細胞活性化の活性化閾値が作成され、B細胞の一時的な活性化が防止されます。^[13] CD22によるBCRシグナル伝達の阻害は、当初はシアリン酸結合に依存しないと考えられていましたが、阻害にはα2,6シアリン酸リガンドが必要であることを示唆する証拠があります。^[14]
• Siglec-7 はナチュラル キラー細胞(NK 細胞)に存在します。Siglec-7 は、シアル酸を含む同族リガンドに結合すると細胞を不活性化し、NK 細胞表面に高濃度で存在します。細胞間接触に使用され、標的細胞上のシアリル化グリカンに結合して、NK 細胞依存の標的細胞殺傷を阻害します。哺乳類細胞には高濃度のシアアル酸が含まれているため、NK 細胞がいわゆる「自己細胞」に結合しても活性化されず、宿主細胞を殺傷しません。

Siglec-14 は膜貫通領域にアルギニン残基を含む。^[15] これは ITAM を含む DAP10 および DAP12 タンパク質に結合します。Siglec-14 はリガンドに結合すると、DAP10 および DAP12 タンパク質を介して細胞シグナル伝達経路の活性化を引き起こします。^[7] これらのタンパク質は、多数の細胞タンパク質を含むリン酸化カスケードをアップレギュレーションし、細胞活性化を引き起こします。Siglec-14 は Siglec-5 と共局在しているようで、このタンパク質が細胞シグナル伝達経路を阻害するため、免疫細胞内の相反する機能を調整します。^[15]

シアロアドヘシンなどのトランスリガンドに結合できるシグレックは、細胞間相互作用を起こすことができる。これらのグリカン-シグレック相互作用により細胞は互いに結合し、場合によってはシグナル伝達が可能になり、シアロアドヘシンの場合は病原体の取り込みが可能になる。シアロアドヘシンの機能は、もともと赤血球への結合に重要であると考えられていた。シアロアドヘシンには、ITAM含有アダプターに結合する細胞質ITIMまたは陽性残基がないため、シグナル伝達には影響しないと考えられている。研究によると、このタンパク質は、髄膜炎菌のリポ多糖など、高度にシアリル化されたグリカン構造を含む細菌の貪食に関与していることが示されている。^[16] これらの構造に結合すると、マクロファージがこれらの細菌を貪食し、病原体をシステムから排除することができる。

シグレック7は、カンピロバクター・ジェジュニなどの病原体との結合にも利用される。これはシアル酸依存的に起こり、シグレック7を発現するNK細胞と単球をこれらの細菌と接触させる。^[17] NK細胞はその後、これらの外来病原体を殺すことができる。

ノックアウト研究は、細胞内でタンパク質が持つ機能を明らかにするためによく使用されます。マウスは、私たちのタンパク質の相同タンパク質、または非常に類似した相同タンパク質を発現するため、よく使用されます。

ノックアウト Siglec の例をいくつか挙げます。

• CD22: WalkerとSmithはCD22の機能を明らかにするためにCD22ノックアウトと欠失変異体を用いた実験を行った。 ^{[18]これらの変異B細胞は}自己免疫疾患を 示唆するものではなかったが、通常CD22によって行われるBCRシグナル伝達阻害の欠如により自己抗体の産生が増加した。自己抗体は自己タンパク質に特異的であり、宿主に害を及ぼす可能性がある。CD22は通常、リポ多糖がToll様受容体に結合することでアップレギュレーションされる。変異B細胞は変異タンパク質をアップレギュレーションできないため、リポ多糖の存在下で過敏になる。これは、通常であれば抗体が生成されないときにB細胞が抗体を過剰に産生することを意味する。

• MAG (ミエリン関連糖タンパク質) は、ニューロンの周囲にミエリン鞘を形成する細胞 (シュワン細胞およびオリゴデンドロサイト)に発現しています。MAG はニューロン上のシアリル化リガンドに結合します。末梢神経系でMAG をノックアウトすると、ニューロンの髄鞘形成が減少します。マウスの中枢神経系で MAG をノックアウトしても髄鞘形成には影響がないようですが、ミエリンとニューロンの相互作用は加齢とともに悪化します。これにより、神経刺激中に活動電位が軸索の長さに沿って急速に伝わらなくなるため、神経学的欠陥が生じます。リガンド形成に必要な GalNAc トランスフェラーゼ遺伝子をノックアウトして MAG のリガンドを除去すると、MAG ノックアウト マウスと同様の効果があります^[19]

この表は、各ヒト/霊長類シグレックの細胞分布、シアル酸結合に対するそれぞれの結合特異性、含まれるC2-Igドメインの数、ITAM含有アダプタータンパク質に結合するITIMまたは陽性残基を含むかどうかを簡単にまとめたものです。列見出しの参照は、他の参照が示されていない限り、その列に表示されるすべての情報に対応しています。シグレック12の情報は、結合特異性を除いて^[21]のみで参照されています。

がん^[27]、 HIV-1 ^[28]、B群連鎖球菌感染症[29]など、多くの病状が、免疫細胞上の免疫抑制性シアリン酸結合免疫グロブリン様レクチン（シグレック）受容体とシアリン酸との自発的な相互作用に関連付けられています。^{[30]シアリン}酸ファミリーは、あらゆる生細胞の膜を覆い、驚くほど多様な構造を示すさまざまな単糖を含む糖鎖であるグリカンから分岐しています。シアリン酸は、タンパク質の折り畳み、神経の発達、細胞相互作用など、多くの生理学的プロセスで機能します。シアリン酸は脊椎動物で豊富に発現し、微生物では発現していないため、好中球とB細胞耐性を調節することで有害な免疫系の活動を阻害する主要な役割を果たす自己抗原または自己構造であると考えられています。^[31]

免疫システム内では、シグレック、特にCD33、シアリン酸、シグレック結合病原体に関連するものは、自然免疫システムの自己認識能力を維持し、自己免疫疾患の予防を確実にする選択圧によって、暴走するレッドクイーン共進化現象にさらされている。^{[32] [33]}この進化の連鎖と絶え間ない突然変異により、シグレックは種内および種間の違いによって証明されるように、最も急速に進化する遺伝子の1つとなっている。^[33]ヒト固有のシグレック12、14、16の多型は、選択圧が継続していることを示唆している。^[32]

シグレックはシアル酸とその修飾に対して明確な結合選択性を示すため、天然のシアル酸リガンドを化学的に修飾する試みがいくつか行われ、最終的にはシグレックに対する結合能力と選択性が強化されたシアル酸模倣体（SAM）が開発されました。^[34]

SAMは、C-2からC-9までの様々な位置でシアリン酸骨格を改変することにより、シグレックを標的とし、シグレック発現細胞を調節するために使用することができる。^{[34] [35] [36]}ただし、カルボン酸はそのまま残さなければならない。^[34]最初の試みは、シグレック-2の高親和性シアリン酸模倣物の開発であり、結合親和性の向上はSAMとシグレック-2間の水素結合および親油性相互作用によるものであることが発見された。^[34] C-2、C-5、およびC-9の位置でいくつかの個別の改変が行われており、Meschらは、3つの位置すべてで同時に改変を行うことで結合が最適化される可能性があるという仮説を立てた。^[37]

SAMのSiglec 2への結合を大幅に強化することに成功したことは、同様のアプローチがファミリーの他のメンバーにも機能することを示唆している。いくつかの修飾には、シアリン酸骨格のC-4位での追加の同時修飾が含まれている。^[34]（銅）I触媒アジドアルキン環化付加（CuAAC）クリックケミストリーの開発により、新しいSAMの特定が促進され、Siglec-3、-5、-6、-7、および-10に高い結合性を持つ新しいSAMの作成が可能になった。^[38] 2017年現在、Siglec -6、-8、-11、-14、-15、および-16を除くほとんどのSiglecに対するSAMが報告されている。^[34]

受容体のクラスター化と高親和性結合は、総称して多価結合と呼ばれ、人体におけるSAMの有効性を高めることができる。現在、糖鎖工学の進歩により、SAMで装飾されたナノ粒子、SAMで装飾されたポリマー、およびSAMの細胞内合成を利用して、SAMをシグレックに提示できるようになった。^[34] SAMで架橋されたリポソームも、シグレック-1または-7経路を介して抗原提示細胞に抗原を提示するのに役立つことがわかっている。 ^{[39]さらに、シアログリカンにAc} ₅ NeuNPocを組み込んだシアリン酸と3-ブロモベンジルアジドで設計されたヒト細胞は、シグレック-2に対して過活動を示した。^{[34] [40]}

• 機能性グリコミクス ゲートウェイは、機能性グリコミクス コンソーシアムとネイチャー パブリッシング グループの共同プロジェクトです。
• I型レクチン（シグレック）インペリアル・カレッジ・ロンドンで実施されたI型レクチンの新たな概要を示す研究