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公益社団法人日本生化学会
Journal of Japanese Biochemical Society 96(3): 364-369 (2024)
doi:10.14952/SEIKAGAKU.2024.960364

みにれびゅう

寄生原虫,赤痢アメーバの含硫脂質代謝経路の意義

1長崎大学熱帯医学研究所・共同研究室 ◇ 〒852–8523 長崎県長崎市坂本1丁目12–4

2長崎大学大学院医歯薬学総合研究科原虫生化学分野 ◇ 〒852–8523 長崎県長崎市坂本1丁目12–4

発行日:2024年6月25日
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1. 赤痢アメーバ(Entamoeba histolytica)とアメーバ症

赤痢アメーバは,アメーバ症を引き起こす寄生原虫である.その感染経路は,シストの経口摂取が主である.経口摂取されたシストは,胃を通過,小腸で脱嚢し栄養体となり大腸へ移動する(図1

).栄養体期の原虫が大腸上皮細胞を傷害することにより粘血便,下痢,腹痛などの病態を発症する.時に血行性に腸以外の臓器に侵入することもあり,肝膿瘍が最もよくみられる臨床所見である.栄養体の一部がシストになり糞便中へと排出され,次の宿主へと感染が拡大される.全世界で5000万人が感染し,毎年4~7万人が死亡している.わが国でも年間数百例の報告があり,その罹患率は年々増加の傾向にある.治療薬が限られること,有効なワクチンが存在しないことから,病原性の解明,新規薬剤開発が危急の課題である.

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図1 赤痢アメーバの生活環

2. 赤痢アメーバの細胞の特徴

赤痢アメーバの生活環は,栄養体とシストの二つのステージから構成される(図1

).栄養体は激しいアメーバ運動をする細胞で,2分裂で増殖する.主に貪食により栄養源を取得するため,細胞内に多くの液胞を持つ.一方のシストは4核の球形の休眠細胞で,固いシスト壁に覆われており動きがない.全生活環を通じて,真核生物にみられる典型的な小胞体やゴルジ体はみられない.加えてミトコンドリアが極端に退化している特徴があり,ミトコンドリア関連オルガネラ“マイトソーム”と呼ばれる1).マイトソームは,その内部にクリステがなく,直径150~400 nmの球状である.電子顕微鏡解析において,電子密度が高い特徴はあるが,小胞との区別が難しい細胞小器官(オルガネラ)である2)

栄養体からシストへの細胞の形態変化を“シスト形成”と呼ぶ.アメーバ運動する細胞が球形のシストになるダイナミックな形態変化に伴い,さまざまな代謝経路がネットワークとして変動する3)

.本稿では,赤痢アメーバにおけるシスト形成や栄養体増殖に関わる含硫脂質代謝を概説する.なお,赤痢アメーバ培養株はシスト形成能を失っているため,シスト形成機構の解析には,モデル生物であるEntamoeba invadensを用いた解析が主となっている3, 4).本稿で述べるシスト形成機構に関する知見は全てE. invadensを用いたものである.

3. 硫酸活性化

生物界に普遍的に存在する硫酸活性化は,硫酸イオンを2分子のATPで活性化する経路である(図2

,左上).その経路は,ATP sulfurylase, APSキナーゼ,無機ピロホスファターゼで構成され,一般的に,細胞質ゾルや葉緑体に局在する.ところが赤痢アメーバの硫酸活性化は,ミトコンドリア関連オルガネラである“マイトソーム”に局在する5).赤痢アメーバのマイトソームは,オルガネラDNAを持たず,TCA回路,電子伝達系,脂肪酸分解経路など典型的なミトコンドリアの代謝経路をほとんどすべて失っている1).このマイトソームの主たる機能の一つが硫酸活性化であることが明らかにされた5).また,硫酸活性化を構成する酵素群の系統解析により,ATP sulfurylaseはδプロテオバクテリアと,APSキナーゼは細菌と,それぞれクレード(系統解析により単一の起源をもつとされる因子の集団)を形成する.なお,無機ピロホスファターゼは,真核生物のクレードに属する5).これらの結果は,赤痢アメーバの祖先が,ATP sulfurylaseとAPSキナーゼをコードする遺伝子を細菌から水平伝播により獲得したことを示している.さらに興味深いことに,獲得後,細胞質ゾルではなくこれらの酵素群をマイトソームに局在させたことになる.

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図2 赤痢アメーバの含硫脂質代謝(文献12のFigure 3を改変)

AS:ATP sulfurylase, APSK:APSキナーゼ,IPP:無機ピロホスファターゼ,PAPS:活性化硫酸,SULT:硫酸基転移酵素.

4. 硫酸基転移酵素

硫酸活性化によって合成された活性化硫酸(PAPS)は,さまざまな分子の硫酸化に使用される(図2

,中央).硫酸基付加を触媒する硫酸基転移酵素(SULT)は,大腸菌などの細菌から,真菌,植物,さらには哺乳動物など生物界に広く存在する.赤痢アメーバの場合,10種類の硫酸基転移酵素(SULT1~10)をコードする遺伝子がゲノム上に存在する.これらそれぞれの機能解析により,SULT6はコレステロール硫酸(CS)の合成に,SULT1~5, 7~9はfatty alcohol disulfatesおよびSL-II, III, IV(未同定の含硫脂質)の合成に,SULT10はSL-VII(未同定の含硫脂質)の合成に関与することが明らかになった6, 7).つまり,赤痢アメーバにおいて,PAPSは含硫脂質の合成に特化して利用されるというユニークな特徴が明らかになった.

赤痢アメーバSULT6はCS合成酵素である.ヒトでもCSは合成され,SULT2B1bが触媒する8)

.ただし,SULT6とSULT2B1bの一次構造レベルでの相同性は低く,系統解析では,赤痢アメーバのSULT1~10はヒトSULT2B1bとは独立した単系統を形成することから,コレステロールに対しての基質特異性の類似性はそれぞれ独立に獲得したと推定される.そして赤痢アメーバのSULTsが弱いながらも細菌とクレードを形成したことから,硫酸基転移酵素も硫酸活性化の酵素群と同様,赤痢アメーバの祖先が,コードする遺伝子を水平伝播により細菌から獲得したと考えられる7)

5. PAPS輸送体(PAPS/ATPアンチポーター)

赤痢アメーバの硫酸活性化は前述のとおりマイトソーム内に局在するが,10種類の硫酸基転移酵素はすべて細胞質ゾルに局在する.そのためPAPSは,合成される場所であるマイトソームから,基質として使用される場所となる細胞質ゾルへ輸送される必要がある.PAPSが細胞質ゾルや葉緑体ではなく,ミトコンドリア関連オルガネラで合成されることが特殊であるため,他種生物での情報が限られており輸送体の同定は難航した.

結局,輸送体として同定されたのは,赤痢アメーバのマイトソーム膜上に存在するmitochondrial carrier family(MCF)であった(図2

,マイトソーム膜上)9).MCFは,真核生物のオルガネラにのみ存在する輸送体ファミリーで,ミトコンドリアを中心に存在する.ヒトでは53個,酵母では35個同定されており,複数の基質の輸送が示されてきた.この中で,近年ファミリーメンバーの一つにPAPSを基質とするものが報告された10).赤痢アメーバのゲノム中,MCF遺伝子は1個しか存在しない11).これらの知見から我々はこのMCFがPAPS輸送能を持つか否かの解析に着手し,同定に至った9).各種解析により,赤痢アメーバMCFがマイトソームの内膜に局在すること2),またマイトソームの内側から外側へPAPSを輸送すること,そして対向輸送としてATPをマイトソーム内へ取り込むこと9),さらに赤痢アメーバMCF遺伝子発現抑制株の細胞増殖が顕著に阻害されることが明らかになった2).つまり,赤痢アメーバMCFは,硫酸活性化の基質であるATPを細胞質ゾルからマイトソーム内に取り込み,その産物であるPAPSをマイトソーム内から細胞質ゾルへと輸送するアンチポーターであり,赤痢アメーバの生存に重要な輸送体であることが明らかになった.

6. 含硫脂質

赤痢アメーバは,PAPSを含硫脂質合成に特化して使用する.合成される含硫脂質は,薄層クロマトグラフィ上での移動度の違いから少なくとも7種類存在しSL-I~SL-VIIとした7)

.赤痢アメーバの細胞から合成された含硫脂質を抽出,分離・精製後,質量分析・NMR解析により構造決定を行った.結果,SL-IがCS, SL-V・VIが鎖長が異なるfatty alcohol disulfatesと同定した6, 7).CSはコレステロールを前駆体として合成される.赤痢アメーバは,コレステロール新規合成経路を欠いていることから,宿主体内(=赤痢アメーバ細胞外)から取り込んだコレステロールを前駆体として利用していると考えられる7).fatty alcohol disulfatesは,我々が知る限り,赤痢アメーバのみで合成が検出される.飽和脂肪酸を前駆体として合成されるが,両端に硫酸基が付加しているため親水性が高く細胞質ゾルに局在する.その構造は,炭素鎖数16, 18, 20のアルカンの両端に硫酸基が付加されたものが主である6).構造を決定したCSおよびfatty alcohol disulfates以外に,構造が未同定の含硫脂質が少なくとも4種類(SL-II, III, IV, VII)あり,構造決定は残された重要な課題である12)

ここで強調すべきは,2種類の含硫脂質(CSとfatty alcohol disulfates)それぞれが,赤痢アメーバの生活環維持において不可欠な代謝産物であることである.Fatty alcohol disulfatesの合成を担う赤痢アメーバSULT1~5, 7~9遺伝子発現抑制株は,栄養体の増殖レベルを野生株に比べてほぼ半減させた6)

.また以下に述べるようにCSは,シスト形成過程に重要な役割を担っていることが明らかになった.

7. シスト形成におけるCSの機能

近年我々は,赤痢アメーバの細胞内のCS濃度は非常に高いことを明らかにしている.シスト形成のモデル生物であるE. invadensを用いて,生活環を通じた細胞内のCS濃度を測定したところ,栄養体期の細胞内CS濃度は243±37 µMであり,シスト期の細胞内CS濃度は539±37 µMであった13)

.ヒト血清中の濃度が3.7~6.9 µMであることを考えると非常に高濃度である8).栄養体期の細胞でCSは高濃度に維持されているにもかかわらず,赤痢アメーバSULT6遺伝子発現抑制株の細胞増殖は野生株と差がないことから,栄養体期の細胞増殖にCSは必要ないことになる.一方,E. invadensシスト形成時にみられるSULT6遺伝子の転写産物の上昇と一致したCS蓄積量の亢進が観察され,またE. invadensシスト形成培地へのCS添加により,濃度依存的なシスト形成数の亢進も観察された.これらの結果より赤痢アメーバのシスト形成におけるCSの重要性が示された7).さらに,シスト形成におけるCSの機能が,細胞の膜透過性低下および球形化であることが明らかになった(図313)

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図3 CS誘導細胞(文献13のFigure 1Fを改変)

スケールバーは10 µm.

8. CSによる細胞膜の透過性低下

通常のシスト形成過程においては,細胞内で超長鎖セラミドが合成・蓄積され細胞膜の透過性が低下する.E. invadensのシスト形成誘導において,必須な血清をCSに置き換えた無血清培地を用いて,栄養体からのシスト形成を誘導すると,CS濃度依存的に膜の透過性低下が起こる(図3

左).さらにこの際,セラミドの新規合成が促進され,超長鎖ジヒドロセラミドが蓄積することが明らかになった.つまりCSは,赤痢アメーバのシスト形成において超長鎖ジヒドロセラミド合成を誘導・蓄積させることにより膜透過性低下を生じさせている13)

9. CSによる細胞の球形化とその維持

通常のシスト形成過程においては,アメーバ運動する栄養体が球形な休眠細胞に形態変化する.上記のE. invadensのシスト形成誘導において,血清をCSに置き換えた無血清培地を用いたところ,CS濃度依存的に栄養体の細胞の球形化が観察された(図3

右).また,球形化に伴い貪食能の低下が観察された13)

CSは,細胞の球形化だけでなく,アメーバ運動の抑制にも関与していることが明らかになっている.シスト形成誘導時,キチンを主成分とするシスト壁の形成が不十分となった場合,内部の細胞が動いて,つぼ型の異常なシストが形成されることがある.つぼ型のシストは通常の培養条件でも散見されるが,キチン分解酵素の活性を阻害した場合,その数は急増する14)

.この阻害剤処理による異常シストの形成をCSが濃度依存的に阻止した13).以上のことから,シスト形成を誘導された細胞は,完成されたシスト壁内に完全に収納され休眠細胞となるまで,細胞運動を抑制される必要があり,CSは,細胞の球形化とともにその維持にも関与していることが明らかになった.

なお,このCSによる細胞の球形化はセラミドの新規合成阻害剤であるミリオシンに対して非感受性であったことから,前節で述べたCSによる超長鎖ジヒドロセラミドの合成・蓄積を介した細胞膜の透過性低下とは,独立した機能である13)

10. 阻害剤

これまで述べてきたとおり,含硫脂質代謝の産物であるCSおよびfatty alcohol disulfatesがそれぞれシスト形成過程および栄養体の増殖に必須であることから,含硫脂質代謝は赤痢アメーバが生活環を維持するために不可欠な代謝経路であり,新規抗アメーバ症薬開発につながりうる標的分子となる.

その実証の一つとして,我々は硫酸活性化の第二酵素(APSキナーゼ)を標的とし,赤痢アメーバの栄養体増殖阻害・シスト形成阻害を示す化合物の取得に成功した(図2

15).赤痢アメーバAPSキナーゼは1遺伝子でコードされており,その遺伝子発現抑制株は強い細胞増殖阻害がみられることから,組換え酵素を用いた酵素活性を指標とした阻害剤のスクリーニングを行った.400化合物からなるPathogen box(Medicines for Malaria Ventureから供与)を用いてスクリーニングを行った結果,15化合物がAPSキナーゼ活性を阻害し,その中の3化合物(auranofin, A-H-11, A-D-11)が赤痢アメーバの栄養体増殖とシスト形成の双方を阻害した.さらに,その中の2化合物(A-H-11, A-D-11)は,ヒトの培養細胞(human foreskin fibroblast)に対する細胞毒性を示さない選択毒性に優れたものであることから,新規抗アメーバ症薬の有望なリードといえる15).なお,酵素に対する阻害活性は示すが赤痢アメーバの生物活性を阻害しなかった12化合物は,APSキナーゼがオルガネラのマイトソーム内に局在しており,マイトソーム膜上の輸送体も限られているため,赤痢アメーバ内での化合物と標的酵素との結合が不十分であった可能性が最も高いと考えられる.

11. おわりに

赤痢アメーバの生活環は,緻密に制御された分子機構によって維持されている.その精巧な分子機構の一つとして,含硫脂質代謝が,栄養体期とシスト期で合成される最終代謝産物生産を厳密に制御している.最終代謝産物の一つCSは,シスト形成における細胞の球形化とその維持,また細胞膜の透過性低下の制御分子として機能していることが明らかになった.赤痢アメーバのシストが球形であること,物質の透過性が低下していることは古くから知られていた事実だが,その形成機構に関する知見は限られたものだった.細胞が球形でありその膜の透過性が低下することは,赤痢アメーバが次の宿主への感染を成立,伝播させるために不可欠な構造と生理機能である.つまり,赤痢アメーバの寄生適応戦略の一つを,CSという1種類の含硫脂質が,鍵分子として制御していることになる.この知見と合わせこれまでの赤痢アメーバの含硫脂質代謝の重要性を示す結果を総合すると,赤痢アメーバ含硫脂質代謝の他の最終産物[fatty alcohol disulfatesや未同定の含硫脂質(SL-II, III, IV, VII)]についても,個々の機能解析や機能発現のための代謝経路の解析,さらにはCSとの機能的リンクの有無,あるとすればその制御機構はどうなっているのか,など解決せねばならない課題は尽きない.

以上のように赤痢アメーバ含硫脂質代謝は,非常に重要かつ興味深い生物学的課題を提供する一方で,新規抗アメーバ症薬創生につなげるための課題も同時に提供している.これらの課題解決のためにも含硫脂質代謝の全容解明を目指し,ひいては赤痢アメーバの寄生適応戦略の解明ならびに新規抗アメーバ症薬の開発につなげていければと考えている.

引用文献

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著者紹介

見市 文香(みいち ふみか)

長崎大学熱帯医学研究所共同研究室 教授.長崎大学大学院医歯薬学総合研究科原虫生化学分野 教授.博士(薬学,東京大学)

略歴

2000年東京大学薬学部卒.05年同大学院薬学系研究科博士課程修了.大阪大学,群馬大学,国立感染症研究所で博士研究員.10年2月より佐賀大学医学部分子生命科学講座免疫学分野助教.22年4月より現職.

研究テーマと抱負

赤痢アメーバを研究対象として〇脂質代謝(セラミド代謝,含硫脂質代謝)の全容解明〇シスト形成の分子機構の全容解明がテーマです.寄生虫が織り成す現象の分子機構を1つずつ紐解き,研究を重ねていく事が抱負です.

ウェブサイト

https://www.tm.nagasaki-u.ac.jp/central-lab/

趣味

娘と女子旅,城,石橋,鉄道,料理,GENERATIONS, 深海魚.

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