LINE-1は病気や老化に関連するレトロトランスポゾンの一種です。ロックフェラー大学の科学者と共同研究者らは、その主要タンパク質の核心を解明し、治療標的への道を指し示しました。数十億年前に原始的な生命体がより複雑になるにつれて、ある利己的な遺伝子成分がゲノムの植民地化者となったことを説明しています。この有害なコードはコピー＆ペーストのメカニズムを使用して、様々なゲノムに何度も複製され挿入されました。時間が経つにつれて、全ての真核生物（ヒトを含む）はこのコードを受け継ぎました。実際、この古代の遺伝子要素はヒトのゲノムの約3分の1を記述しており、比較的最近までジャンクDNAとみなされていました。
この遺伝子成分はLINE-1（long interspersed nuclear element 1）（L1）として知られ、そのゲノムへの攻撃的な侵入は疾患を引き起こす突然変異をもたらす可能性があります。ORF2pと呼ばれる重要なタンパク質がその成功を可能にし、ORF2pの構造と機構を理解することは、様々な疾患に対する新しい潜在的な治療標的を明らかにすることができます。ORF2pはL1レトロトランスポジションに必要なエンドヌクレアーゼと逆転写酵素の活性をコードします。
現在、ロックフェラー大学の研究者らは、12以上の学術および産業グループとの共同研究により、初めてタンパク質のコア構造を高解像度で描出し、LINE-1の主要な病原性メカニズムについての新たな洞察を明らかにしました。
その結果は2023年12月14日にNatureにて公開されました。論文のタイトルは「Structures, Functions, and Adaptations of the Human LINE-1 ORF2 Protein（ヒトのLINE-1 ORF2タンパク質の構造、機能、および適応）」です。
「この研究は、LINE-1を標的とした合理的な薬剤設計を容易にし、がん、自己免疫疾患、神経変性疾患、および加齢に伴う他の疾患を戦うための新しい治療法や戦略をもたらすかもしれません」と、ロックフェラー大学の研究准教授であるジョン・ラカバ博士（John LaCava, PhD）は述べています。
進化の伴侶
LINE-1はレトロトランスポゾン、つまりRNAをDNAに戻して複製し、生物のゲノムの異なる場所に自分自身を書き込む種類の移動性遺伝コードです。レトロトランスポゾンには異なる種類があり、その中にはHIVやB型肝炎ウイルス（HBV）に似た内在性レトロウイルス（ERVs）も含まれます。
LINE-1の起源は明確ではありませんが、約25億年前にさかのぼる古代の移動性要素である第II群イントロンとの進化的つながりがあります。レトロトランスポゾンのように、LINE-1は1〜20億年にわたって宿主生物と共進化してきました。
「LINE-1が自身を挿入しようと試み、宿主が自身のゲノムを保護しようとする間の絶え間ない戦いです」と、ロックフェラー大学の細胞および構造生物学の研究室でポスドク研究員であるトレバー・バン・イーウェン博士（Trevor van Eeuwen, PhD）は述べています。
私たちの細胞には、LINE-1から派生した数百万の遺伝子断片が存在します。その大多数は、複製機構を乗っ取る試みが失敗した証拠としての進化的な遺物であり、不活性です。しかし、約100のLINE-1が稼働しており、通常は有益ではありません。
最近の研究では、ラカバ博士らによって説明されたように、がん細胞によって生成されるLINE-1の1つのタンパク質、ORF1pがあります。そのオープンアクセス論文は、2023年12月12日にCancer Discoveryにて公開され、「Ultrasensitive Detection of Circulating LINE-1 ORF1p As a Specific Multicancer Biomarker（特異的な多癌バイオマーカーとしての循環LINE-1 ORF1pの超感度検出）」と題されています。
ラカバ博士とマサチューセッツ総合病院およびハーバード医学校のマーティン・テイラー博士（Martin Taylor MD, PhD）は10年以上にわたりLINE-1とそのタンパク質の研究を共同で行ってきましたが、ORF2pは表現が非常に低く、まれであるため、十分に理解されていません。
「LINE-1の研究が非常に困難であった理由の1つは、非常に奇妙な特徴を持っているためです。たとえば、通常の複製サイクルや誰も捉えることができなかったORF2pタンパク質を持っています。しかし、最終的にマーティと私は、その構造を研究し始めることができる十分に成熟した研究の地点に達しました。」とラカバ博士は言います。
テイラー博士は、L1複製を促進するフルレングスのORF2pおよびより短い「コア」バージョンを精製するための重要な進歩を遂げました。これらの進歩が後に続く突破口を容易にしました。
何でも屋
「LINE-1は非常に奇妙な特徴を持っているため、研究が非常に困難でした」とラカバ博士は言います。「例えば、通常の複製サイクルや、誰もキャプチャできなかったORF2pタンパク質を持っています。しかし、マーティと私は最終的に、その構造を研究し始めることができるほど研究が成熟した段階に達しました。」とバン・イーウェン博士。
テイラー博士は、L1レプリケーションを容易にするフルレングスのORF2pおよびより短い「コア」バージョンの精製において重要な進歩を遂げました。これらの進歩が後に続く突破口を容易にしました。
研究チームは、X線結晶構造解析とクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）の組み合わせを使用して、ORF2pのコアに2つの新しい折りたたまれたドメインを発見しました。これらは、LINE-1が自己のコピーを作成する能力に貢献しています。
ORF2pには、これらの活動に特に適した構造的適応があります。ORF2pは、複製から挿入まで、あらゆることを処理できるジャック・オブ・オール・トレード（何でも屋）のようなタンパク質です。しかし、ほとんどのウイルスが複製に何百もの逆転写酵素タンパク質を必要とするのに対し、ORF2pはそれらすべてをこなします。
しかし、LINE-1が細胞質で活性化されると、「ウイルスの模倣のように振る舞います。RNA:DNAハイブリッドを作成し、それらがウイルス感染のように感知されると、」とヴァン・イーウェンは指摘します。このウイルスの模倣は、ORF2pが自己免疫疾患や他の状態に貢献する方法、すなわち先天性免疫システムを活性化させる謎の可能性のある解決策を示唆しています。研究により、細胞質内の遺伝物質との相互作用がcGAS/STING抗ウイルス経路を活性化し、その結果、ウイルス感染時に起こるような方法で細胞がインターフェロンを産生し、免疫システムを刺激して炎症を引き起こすことがわかりました。
「その主な機能は、自身のコピーを増殖させることのようです。LINE-1が配列を移動させると、それらの配列が遺伝子を壊す可能性があります。しかし、新しい遺伝子要素やホストに有益な新しい機能を作成する可能性もあります」と彼は言います。
今後、研究者らは2つの新たに発見されたコアドメインを解決し、その機能を理解しようとします。その間に、「ORF2pの構造的解明は、LINE-1挿入メカニズム、その進化、および疾患における役割を解明し、理解を深めるために必要な今後の研究の基礎を築きます」とヴァン・イーウェン博士は言います。
研究者らはまた、彼らの発見の潜在的な臨床応用を探求したいと考えています。レトロトランスポゾンとレトロウイルスとの親和性があるため、現在の研究では、HIVおよびHBVに対する治療がLINE-1を阻害するかどうかをテストしました。それらはそうではなかったため、治療薬の設計はLINE-1のユニークな特性に合わせてカスタマイズされなければなりません。
「この研究は、より優れたLINE-1阻害剤の合理的な薬剤設計の道を開き、私たちはこれらが近いうちに臨床試験につながることを望んでいます」とラカバ博士は言います。
そして、ラウト博士が付け加えるように、「この研究はまた、基本的な生物医学的質問を解決するために、さまざまな種類のデータと複数の研究室の専門知識を統合する可能性を強調しています。」とのべました。
この研究プロジェクトは国際的な共同作業でした。ロックフェラーの研究者らに加えて、ROME Therapeutics、グローニンゲン大学医療センター（J. LaCavaラボ）、MSKCC（B. Greenbaumラボ）、Rutgers（E. Arnoldラボ）、アルバータ大学（M. Götteラボ）、Dana Farber（K. Burnsラボ）、UCSF（A. Saliラボ）、MPIテュービンゲン（O. Weichenreiderラボ）、テキサス大学アーリントン（S. Christensen）からの重要な貢献がありました。
