ダナファーバー癌研究所、ハーバード大学、イスラエルの科学者らは、複雑で繊細かつ洗練された驚異のシステムであるヒトの免疫システムに、細菌がウイルスから身を守るために使用する10億年前のタンパク質ファミリーが含まれていることを発見した。この発見は、2022年1月13日付の科学誌Scienceのオンライン版に掲載されたもので、地球上に存在する病気に対する高度な盾である我々の免疫システムの構成要素が、古代の生命体の早い段階で進化していたことを示す最新の証拠である。この研究は、免疫系がすでに存在していた要素を吸収し、何年もの進化を経て、ヒトのように生物学的に複雑な生物の要求を満たすために、それらを新しい方法で利用するようになったことを示している。
このScience誌の論文は、「バクテリアのGasderminは、古代の細胞死メカニズムを明らかにする （Bacterial Gasdermins Reveal an An Ancient Mechanism of Cell Death）」と題されている。
この研究の主執筆者であるダナファーバーのPhilip Kranzusch博士は、「ヒトの免疫系の機能を理解するために、世界中の研究者は多大な努力を払ってきた。」「ヒトの免疫の重要な部分がバクテリアに共通して存在するという発見は、この分野の研究に新たな青写真を提供するものだ」と述べている。
研究の中心となっているタンパク質は、Gasdermin として知られている。細胞が感染したり、癌化したりすると、Gasderminは細胞膜に穴を開け、細胞を死滅させる。この穴から炎症性サイトカインと呼ばれる物質が漏れ出し、感染や癌の存在を知らせて、免疫系が体を守るために結集するよう促すのだ。
このプロセスはパイロプトーシス（pyroptosis）と呼ばれ、免疫系が疾患細胞や感染細胞を殺すためのレパートリーの一つである。このプロセスは、よりよく知られているアポトーシスを補完するもので、障害を受けたり感染したりした細胞が自己破壊を行うものである。「パイロプトーシスは、自然免疫系（病原体に対する身体の第一防御ライン）が潜在的脅威に最も早く反応する方法の一つだ」と、この新しい研究の共同筆頭著者であるダナファーバーのAlex Johnson博士は語っている。
ヒトのゲノムには6種類のGasderminタンパク質のコードがあり、それらは異なる種類の細胞でさまざまなレベルで発現している。今回の研究では、Johnson博士らは、これらのタンパク質の祖先がバクテリアに存在するかどうかを調査した。
2019年、Kranzusch博士らは、癌や感染症に関連する異常を感知するcGAS-STINGというヒトの免疫シグナル伝達経路が、細菌に由来することを発見したのである。「この発見やその他の発見が、ヒトと細菌の細胞における免疫関連タンパク質のさらなるつながりを探す動機となった」と、Kranzusch博士は指摘する。
イスラエル・ワイツマン科学研究所のTanita Wein博士、Rotem Sorek博士らは、ファージと呼ばれるウイルスの感染から細菌を守る遺伝子群を含むことから「抗ファージ防衛島」と呼ばれる細菌のDNAセクションを解析した。その結果、哺乳類のgasderminタンパク質と類似した構造を持つタンパク質を生み出すと予測される50の細菌遺伝子が同定された。
「私は、これらのタンパク質の一連の構造をX線結晶構造解析によって決定し、哺乳類のgasderminとの構造の類似性を原子レベルで確認した」とJohnson博士は述べている。
これらのタンパク質を保有するバクテリアは、土や葉など自然の環境に広く生息している。 (Johnson博士の研究で最も多く研究された特定のバクテリアは、ウィスコンシン州のトウモロコシで初めて確認されたものである）。
Johnson博士の構造研究によると、ヒトと細菌のgasderminは構造的に似ているが、細菌のものは約半分の大きさであり、ヒトで見られるものより大きな膜孔の構成要素となっている。これらのGasderminはすべて同様のメカニズムで活性化されるが、ヒトの細胞では、Gasderminが引き起こす一連の現象がはるかに広範囲にわたっている。細菌細胞では、ウイルス感染が引き金となって、膜に穴が開いて細胞が死滅し、ウイルスの活動を停止させることがある。ヒトの細胞では、感染した細胞の死が引き金となって、免疫システムの他の要素が感染に対抗する一連の現象が起こるのだ。
「これは、非常に原始的な防御の一例であり、ヒトでは、感染症や癌に対応するための制御システムによって適応・拡張されている」とKranzusch博士は語っている。
ヒトの免疫系は驚くほど複雑だが、その中に原始的な免疫の痕跡を発見したことは、免疫系がどのようにして生まれたかを研究者がより良く理解するのに役立つ。「ある機械の最も単純なバージョンを見ることで、その機械全体を新たに理解することができるのだ」「同じ原理が免疫系の研究にも適用できるだろう。」とKranzusch博士は述べている。
この研究のその他の共著者には、ダナファーバーのBrianna Duncan-Lowey博士、ハーバード大学低温電子顕微鏡センターのMegan Mayer博士、ワイツマン研究所のErez Yimiya、Yaara Oppenheimer-Shaanan博士、Gil Amitai博士が含まれている。
