クマムシは死の瀬戸際でタンパク質を守る

ステファニーは、2021 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2019 年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校で博士号を取得し、Discover Magazine などに寄稿しています。

クマムシは、太い脚とボタン状の鼻を備えているため、細い爪に生と死の秘密を握っているようには見えませんが、実は持っています。 これらのカリスマ的な動物は、クマムシやコケ子豚と呼ばれることが多く、他の動物がほとんど生き残れない環境でも繁栄するために独自の適応を進化させてきました。

クマムシは通常、ヒマラヤの雪塊から駐車場に生えている苔まで水の多い場所に生息していますが、クマムシは脱水症状、凍結、水の沸点を超える温度、さらには宇宙の真空や放射線にも耐えることができます(1、2)。 これを行うために、クマムシは体から水を除去し、代謝を通常の速度のわずか 0.01 パーセントまで遅くします。 そうすることで、彼らは数十年間生き続けることができる仮死状態である「ツン」形態に移行します。 クマムシはほんの少し水にさらされると、ツンとした状態から通常のツルツルした状態に戻ります。

ワイオミング大学のクマムシ学者トーマス・ブースビー氏は、「『人生は水だ』という格言を私たちはいつも聞いており、あらゆる代謝には水が必要であることを私たちは知っている」と語る。 「代謝なしでどうやって生命を維持できるのでしょうか？それはほとんど哲学的な質問です。」

クマムシは、生と死の境界線を踏みしめることで、科学者に、生きていることの意味、そしておそらくは生き物を生かし続ける方法を理解する機会を提供します。 新しい遺伝的ツールの出現とクマムシ研究者のコミュニティの成長に伴い、科学者たちは、その教訓をより安定した製剤に応用することを期待して、クマムシがストレスの多い状況をどのように生き延びるかを研究しています。 危険な放射線レベルから身を守る能力を持つクマムシの生物学は、月や火星への長期宇宙ミッション中に人間を助けることさえあるかもしれません。

太陽が空高く昇ると、池のカスの水たまりに住むクマムシの周りの水がゆっくりと蒸発し始めます。 環境が乾燥すると、クマムシの細胞は水分を失い始め、細胞内の分子の濃度はますます高くなります。

「乾燥は、完全か無かのストレスではありません」とブースビー氏は説明した。 「ストレスの連続です。」

細胞構造が緊密になると、タンパク質は互いに凝集しやすくなります。 細胞内にタンパク質と水素結合を形成するのに十分な水分がなくなると、タンパク質はほどけて機能を失います。 どういうわけか、クマムシは乾燥によるタンパク質の機能の喪失を防ぐ方法を見つけましたが、科学者たちはほんの数年前まで彼らがどのようにしてこれを実現したかを知りませんでした。

ノースカロライナ大学（UNC）のタンパク質化学者ゲイリー・ピラック氏は、「5、6年前、ここUNCの生物学の博士研究員が私のオフィスにやって来て、クマムシが乾燥に耐えられる遺伝子を発見したと言いました」と語った。チャペルヒル。 「その男はトーマス・ブースビーでした。」

ブースビー氏、ピラック氏らは協力して、条件が乾燥するとクマムシはクマムシ固有無秩序タンパク質（TDP）と呼ばれる独特のタンパク質を発現することを報告した(3)。 クマムシは通常の水生生活を送るのにTDPを必要としませんが、水に覆われた家が乾燥すると、TDPなしでは生きていけなくなります。 研究者らが細菌や酵母でTDPを発現させたところ、そのタンパク質はそれらの生物の乾燥耐性をほぼ100倍増加させた。

この発見以来、クマムシの研究者たちは、乾燥時のクマムシの保護に関与するさまざまな TDP を特定しました (4)。 しかし、TDP やクマムシの生物学の他の側面が動物を正確にどのように保護するのかは未解決の問題のままです。

これらの研究の大部分は、これまでクマムシでは多くの高度な遺伝子操作技術が不可能であったため、酵母や細菌などのモデル系でクマムシタンパク質を発現させることに依存していました。

慶応義塾大学のクマムシ学者、荒川和晴氏と彼のチームは最近、科学者が動物自身の体内のクマムシ遺伝子を研究できるTardiVecと呼ばれるシステムを開発した(5)。 彼らが最初に行ったのは、高い発現パターンを持つ遺伝子であるアクチンタンパク質のプロモーターの制御下で緑色蛍光タンパク質（GFP）を発現させることでした。

「本当に興奮しました」と荒川さんは語った。 「お気に入りの生物が明るく輝くのを見るのは、本当に特別なことです。」

クマムシが乾燥時にどのように身を守るのかをより深く理解したいと考えた荒川氏と彼のチームは、乾燥防御に関与することが知られているタンパク質にGFPをタグ付けした。 驚いたことに、これらの TDP は特定の細胞型でのみ発現され、すべての細胞では発現されませんでした。

たとえば研究者らは、クマムシは表皮細胞でTDP細胞質に豊富に存在する熱可溶性タンパク質(CAHS)のみを発現していることを確認した。 もう 1 つの乾燥保護タンパク質である分泌豊富熱可溶性タンパク質 (SAHS) は、エネルギーを蓄えると考えられているクマムシの自由浮遊細胞である貯蔵細胞でほぼ独占的に発現されていました。

「人間の場合、細胞が損傷すると、細胞はアポトーシスに陥ります」と荒川氏は言う。 「クマムシではそのようには機能しないので、クマムシの細胞はすべて脱水時に保護されなければなりません。」 なぜクマムシが特定の細胞でのみ乾燥保護タンパク質を発現するのかは謎である。

「それが状況を複雑にしている。私たちが知っていると思っていたことは、物語の一部にすぎない」と荒川氏は語った。

荒川教授は今後、TardiVec システムを使用して、異なる乾燥耐性能力を持つクマムシの種を研究することで、乾燥耐性を促進するメカニズムを特定する予定です。 たとえば、Ramazzottius verieornatus は 15 ～ 30 分で tun 状態に移行しますが、Hypsibius exemplaris はまず半乾燥環境で約 24 時間過ごさなければならず、Thulinius ruffoi 種はまったく乾燥できません。

「ラマゾッティウスで発見したクマムシに特有の遺伝子を、前処理なしでチューリニウスや自然状態のヒュプシビウスに導入することで、それらのクマムシを乾燥耐性を持つように遺伝子操作できるかもしれない」と荒川氏は説明した。

荒川氏と彼のチームは、クマムシが脱水症状の過酷なストレスにどのように耐えるかを理解することで、ワクチンや生物製剤の安定化から献血の長期保存まで、人間の健康のための生物材料の保存にこれらの教訓を応用したいと考えている。

複数の研究チームが脱水によるモデルタンパク質の分解を防ぐためにTDPを使用しているが、ブースビー氏はその保護が救命用の生物学的製剤にも拡張できるかどうかを知りたいと考えた。

最近のプレプリントで、彼と彼のチームは、クマムシの CAHS タンパク質が、さまざまな温度ストレス下で乾燥状態でヒト血液凝固第 VIII 因子 (FVIII) を安定化できるかどうかをテストしました (6)。 FVIII は血液凝固経路の重要な成分であり、臨床医は外傷患者や遺伝性血液凝固障害を持つ血友病患者の出血を止めるために FVIII を使用します。 現在、メーカーは室温で安定させるために FVIII にポリエチレングリコールを添加していますが、このレベルの安定化は特定の暑い場所に住む人々にとってはまだ十分ではありません。

「実際の室温は最高約 30 ℃ ですが、もちろん、周囲温度が 30 ℃ をはるかに超える場所は世界にたくさんあります」とブースビー氏は語った。 テキサス州の医師らは、「夏の間、家は30度以上暑くなるため、人々は自宅でこれらの医薬品を保管するのに苦労している」と報告した。

研究チームは、異なる生物物理学的特性を持つ CAHS D タンパク質の変異体を開発し、特定の変異体が特定の条件下で FVIII をよりよく保護することを発見しました。 たとえば、CAHS D 2X リンカーと呼ばれるバリアントの 1 つは、標準的な CAHS D タンパク質よりも容易にゲルを形成します。 ブースビー氏と彼のチームが FVIII を 2X リンカーと混合したところ、血液凝固機能を損なうことなく、連続 6 サイクルで FVIII の脱水と再水和を行うことができました。 この変異体はまた、FVIII を乾燥状態で 10 週間安定に保ちました。

「これは非常に重要です。なぜなら、現場では湿度が正確に制御されていないことが多く、部分的に水分補給したり、より深刻な乾燥が生じたりする可能性があるからです」とブースビー氏は説明した。 「こうした水分補給の変動に耐えられることが重要です。」

彼らがFVIIIを、まったくゲルを形成できないCAHS Dリンカー領域と呼ばれる別の変異体と混合したところ、この変異体が乾燥状態で95℃という高温で2日間FVIIIを安定化させることがわかりました。これは、最高値のほぼ2倍です。地球上でこれまでに記録された気温 - 1913 年のデスバレーでの 56.7 °C。

「私たちはこれらのタンパク質の生物物理学的状態に関するこの問題に非常に興味を持っています」とブースビー氏は語った。 「非ゲル化バリアントは、ゲル化バリアントと比較してタンパク質をどのように保護しますか? これは、特定の種類の医薬品や生物製剤を安定化するためにタンパク質を改変するという将来の工学的目標や応用目標に非常に役立ちます。」

例えば、乾燥状態で凝集しやすい特定のタンパク質ベースのワクチンを安定化させたい場合、「その場合、我々は変異株の中で最も有力な候補が何になるかについて、かなり良いアイデアを持っている」と同氏は付け加えた。 「私たちはこれらのタンパク質が機能するメカニズムを詳しく調べたいと考えています。そうすれば、それらを私たちのために機能させ、製剤でしてもらいたいことを実現できるようになります。」

アルバート・アインシュタイン医科大学の計算生物学者であるロジャー・チャン氏にとって、クマムシタンパク質は生物学的製剤の保存にとどまる必要はない。 彼らはいつか、人間の病気に対する新しい薬も生み出すかもしれません。 チャン氏は、生存可能性の極限で生きる生物に常に興味を持っています。 彼は、これまで知られている中で最も放射線耐性の高い微生物である細菌種デイノコッカス・ラジオデュランスの研究から研究のキャリアをスタートさせました。

「クマムシは複雑な動物系ではなく細菌です。クマムシの研究が興味深くなった理由の一つは、クマムシが進化的に確実に人間に近いからです」とチャン教授は語った。 彼と彼のチームは、クマムシや他の極限耐性生物の無秩序なタンパク質がストレス、特に化学療法薬による化学的ストレスからヒトの細胞を保護できるのではないかと考えました (7)。

Chang氏と彼のチームは、無秩序な領域を持つ約300のタンパク質またはタンパク質断片をヒト細胞で発現させることによりスクリーニングした。 研究には、クマムシ、線虫、中国のオオサンショウウオなどの極限環境生物のタンパク質が含まれていましたが、ヒトのタンパク質の全長と切断型の両方も考慮されました。

「治療法を開発したい場合、ヒトのプロテオームからこのようなものを抽出することができれば、おそらくそれはより人間的であり、あまり異質なものではないため、免疫原性の影響についての懸念が少なくなるかもしれません」とチャン氏は述べた。 。

次に研究者らは、アポトーシスを引き起こして細胞を殺す一般的な化学療法薬カンプトテシンで細胞を治療した。 彼らは、ほとんどのタンパク質は互いに進化上の関連性を持たなかったにもかかわらず、すべてが同様の程度に化学ストレスから保護していることを発見した。

研究チームが最も驚いたのは、その最上位の保護タンパク質がクマムシのタンパク質ではなく、ヒトのタンパク質APOE4とAPOE2の断片だったということだ。 (APOE4 は、アルツハイマー病におけるその役割で最もよく知られています。) 彼らは、これらの APOE タンパク質断片には一連のαヘリックス反復が含まれており、極限環境生物由来の無秩序なタンパク質もこれを持っていることに気づきました。

「その反復領域だけを取り出すと、それは極限耐性種の本質的に無秩序なタンパク質に似た部分です。それが最も保護的なAPOEの変異体です」とチャン氏は述べた。

研究者らは、保護的なAPOEフラグメントが細胞質内で小さなクラスターを形成していることに気づき、それらと潜在的に他の無秩序なタンパク質ヒットが、アポトーシスに関与するタンパク質を凝縮物（特定の細胞成分を区別する膜のない構造）内に隔離することによって細胞をアポトーシスから保護できるのではないかと考えた。細胞の残りの部分。 彼らは、最も保護的なヒットの多くが凝縮物を形成することを確認しましたが、ほとんどの場合、アポトーシス経路の主要な構成要素の周囲に凝縮物を形成しませんでした。 1 つの合成不規則タンパク質のみが成功しました。

自然界には、私たちが学ぶことができる魅力的で印象的な進化した適応がたくさんありますが、私たちはまだ表面をなぞっているだけだと思います。 – ロジャー・チャン、アルバート・アインシュタイン医科大学

「形成されているこれらの凝縮物は、他の細胞成分と広範または特異的に相互作用し、それらを安定化させるか、単に細胞質の残りの部分からそれらを奪って正常に機能させないようにする可能性があります」とチャン氏は述べた。

彼と彼のチームは現在、保護的なAPOEタンパク質フラグメントとアルツハイマー病との潜在的な関係について困惑している。 何よりも、チャン氏は、あらゆるヒトタンパク質に結合して安定化できる合成無秩序タンパク質を作成するプラットフォームを開発したいと考えています。 たとえば、酸化ストレスに敏感なタンパク質などに結合する無秩序なタンパク質を作成して、病気の発症を防ぐことができます。

「自然が本当に極限の状況を生き抜くための解決策を見つけ出したのは興味深いことだ」とチャン氏は語った。 「自然界には、私たちが学ぶことのできる魅力的で印象的な進化した適応がたくさんあるのは間違いありませんが、私たちはまだ表面をなぞっただけだと思います。」

生命にとって最も過酷な環境の 1 つは宇宙ですが、そこでさえ、タフな小さなクマムシが生き残っています。 科学者らはクマムシを地球低軌道に打ち上げ、真空と宇宙の強烈な放射線の両方にさらしたところ、クマムシが旅行中に生き残ったことを発見した(8)。 2019年に他の荷物とともにクマムシを積んだイスラエルの月着陸船が月に衝突したとき、クマムシの一部は最終的に宇宙を故郷と呼ぶことになった。ただし最近の研究では、クマムシは衝撃で生き残れなかった可能性が高いと示唆されている(9)。

クマムシは多産な宇宙飛行士かもしれないが、自然に小動物の宇宙飛行士に進化したわけではない。

「クマムシは、放射線量が非常に高い環境には生息していないのは明らかです」と荒川氏は言う。 「そもそも放射線に耐えるように作られてはいませんが、高線量の放射線と同じくらい強いストレスとなる乾燥に耐えるように作られています。」

放射線は、酸化ストレスと DNA 損傷という 2 つの主なストレスを細胞に引き起こします。 クマムシは乾燥中にもこれらの両方のストレスに対処しなければならないため、研究者らはクマムシも同様のメカニズムを使って脱水症状と放射線の両方から身を守る可能性が高いと考えている。

研究者らは、特にクマムシに特有のダメージサプレッサータンパク質（Dsup）と呼ばれるタンパク質を特定した。 ヒトの細胞で発現させると、ヌクレオソーム（クロマチンの周囲に巻き付いた DNA の部分）に結合し、X 線による DNA 損傷を 40 パーセント抑制しました (10,11)。 最近のプレプリントの中で、ワイル・コーネル医学およびハーバード大学のチャンと彼の同僚は、Dsup がヒト細胞の DNA を放射線損傷からどのように保護したかを調査しました (12)。 研究者らは、Dsup がエピジェネティックなレベルで作用して、抑制性の低いクロマチン環境をもたらすことを発見しました。

「クマムシ由来ではありますが、人間の細胞の転写活性に関して非常に興味深い特別な反応を示しているようです」とチャン氏は述べた。

彼らはまた、Dsupを発現するように操作されたヒト細胞が接着性、増殖性、および抗アポトーシス特性を増加させるといういくつかの以前の報告を確認した。 研究者らは、細胞増殖と抗アポトーシス効果を高め、調節不全の場合にがん細胞の放射線耐性を促進する Hippo および Wnt シグナル伝達経路が、Dsup 発現細胞に豊富に存在することを発見しました (13)。

「現段階では、おそらく実際の治療法が開発されるまであと数歩のところにあるが、これは出発点だ」とチャン氏は語った。 ヒト細胞内のDsupおよび他のTDPに関するさらなる研究は、がん細胞がどのようにして放射線耐性を持つようになるのか、そしておそらくいつか宇宙飛行士の放射線耐性を高める薬の作り方を研究者がより深く理解するのに役立つかもしれない。

月や火星への長期宇宙ミッションでは、宇宙飛行士は現在国際宇宙ステーション（ISS）で経験している放射線レベルよりも高い放射線レベルにさらされることになる。 放射線に加えて、宇宙飛行士は一度に何か月も微重力環境で生活します。 宇宙での生命の長期的な影響をより深く理解するために、ブースビー氏は NASA エイムズ研究センターの科学者と協力して、SpaceX ドラゴン貨物宇宙船でクマムシを ISS に送りました。

「地球上で生まれたクマムシを宇宙に送ったら、そのストレスにどう反応するのでしょうか?」 ブースビーは尋ねた。 彼と彼のチームは、微重力と放射線が地球から宇宙へ飛んだクマムシにどのような影響を与えるかだけでなく、それらのストレスが宇宙で生まれたクマムシにどのような影響を与えるかを知りたいと考えていました。

ISS で 2 か月間過ごしたクマムシは宇宙で 4 世代を経て、宇宙飛行士は特定の時点でクマムシのサンプルを保存しました。 ブースビー氏と彼のチームは最近宇宙からクマムシのサンプルを受け取り、配列を決定し、現在配列データを詳しく調査している。

「クマムシが宇宙飛行のストレスにどのように対処し、適応するかを理解することで、宇宙で人間を守るためのより良い対策や治療法を開発できるだけでなく、放射性物質の周囲で働く人や放射性物質にさらされる人々を守るためのより良い対策や治療法を開発できることを期待しています」地球上で」とブースビー氏は語った。

極小の爪で星に手を伸ばすときも、水滴の中に浮かんでいるときも、クマムシは死の淵に陥っても無傷で生還できる数少ない生物の 1 つです。 荒川氏にとって、これがクマムシについて最も興味を惹かれる点であり、それは日本の札幌にあるコンクリートの中に生えるコケに生息するクマムシの種によって最もよく例証されると考えている。

「彼らは晴れの日があるたびに脱水状態になり、雨の日になるたびに水分を補給します。ほぼ毎日、常にこの乾燥段階に入ります」と荒川氏は説明した。 「生命の停止は非常に一般的な出来事ですが、他の種と比較するとかなり珍しいことです。」 しかし、「生命とは何かを本当に理解したいのであれば、物質と無物質の間の移行は研究すべき重要な主題である」と彼は付け加えた。

ステファニーは、2021 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2019 年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校で博士号を取得し、Discover Magazine などに寄稿しています。

2023年5月号