本研究ではIRE1a-XBP1経路の役割を理解するために基本戦略は試験管のTh2分化モデル(図)を使用することにある。 1b). ナイーブTヘルパー細胞をTh2分化条件下で抗CD3e/CD28コートプレートで72時間TCR活性化し、42時間休ませた後、抗CD3e/CD28コートプレートを用いてTCR活性化により再刺激を行った。 IRE1a-XBP1経路を阻害するために、IRE1aエンドヌクレアーゼ活性を阻害することで経路を特異的に遮断する、よく知られた薬剤4μ8cを使用した 。 この薬剤は、培養開始時および活性化プレートから静止プレートへの移行時に15-μMの濃度で培養液に添加された。 薬物濃度の選択は、細胞毒性が低く、IRE1a阻害効率が最も高いことで決定した(追加ファイル1:図S1)。 我々は、ナイーブおよび再刺激Th2(薬剤処理および未処理)リンパ球のトランスクリプトームをRNA配列決定により比較し、再活性化Th2におけるXBP1転写因子結合部位をChIPmentation(ChIP-配列決定)により特定し、ゲノム全体のデータを統合して直接標的とその制御役割を予測しました。
Tヘルパー細胞はin vitro活性化時にIRE1a-XBP1経路をスイッチオンする
活性化・分化したTヘルパー細胞は、豊富なサイトカインを分泌している。 そのため、細胞がこの分泌ストレスに適応するためには、よく発達した分泌機構が必須条件となる。 Tヘルパー細胞の活性化におけるER-stress/UPR経路の関与を予測するために、ナイーブなTh2細胞と分化したTh2細胞(restimulated Th2)のトランスクリプトームを比較検討した。 この比較から得られた差次的発現遺伝子をKEGGパスウェイ「Protein Processing in the Endoplasmic Reticulum」に統合し、発現量が増加または減少している構成要素を可視化した。 解析の結果、ナイーブTヘルパー細胞が活性化されTh2細胞に分化すると、ERストレス経路に関与する遺伝子の発現が上昇することがわかった(Additional file 1: Figure S2)。 XBP1自身を含む、タンパク質の折り畳みや分泌の制御因子として以前に特徴づけられたいくつかの因子が、Tヘルパー細胞の分化中に発現上昇する。
この予測を検証し、特にIRE1a-XBP1経路の関与を調べるために、試験管内で分化および再活性化したTh2リンパ球におけるIRE1a mRNAおよびタンパク質発現を測定した(図1b)。 細胞は、mRNAとタンパク質をそれぞれ比較するために、qPCRとウェスタンブロットで解析された。 その結果、活性化したTヘルパー細胞では、mRNAとタンパク質レベルの両方が上昇していることがわかった(図1c、左および中央のパネル)。 IRE1aのリン酸化は、その機能状態を示すことが知られている。 その結果、活性化されたTh2リンパ球において、このタンパク質がリン酸化されることが確認された(図1c、右図)。 このphospho-IRE1aの増加は、タンパク質の合成が増加したことで説明できるが、キナーゼ活性の増加や自己リン酸化の可能性も排除できない。 ウェスタンブロットバンドのデンシトメトリー解析から、タンパク質合成のアップレギュレーションとリン酸化の増加という両方のメカニズムが関与していることが示唆された。 タンパク質のアップレギュレーションは3倍に増加したが、リン酸化タンパク質は4.5倍に増加した(図1c)。
活性化されたIRE1aはスプライスされていないXBP1(XBP1u)mRNAをスプライスして、スプライスされたXBP1(XBP1s)mRNAアイソフォームを生成している。 Tヘルパー細胞の活性化に伴い、スプライシングされたXBP1(XBP1s)がmRNAおよびタンパク質レベルで増加することが観察された(図1d, e)。 ポジティブコントロールとしてツニカマイシンを使用した。 これは、N-結合型糖鎖を阻害することにより、アンフォールドタンパク質の蓄積(すなわち、小胞体(ER)ストレス)を引き起こし、IRE1a活性を高めることによりXBP1sを増加させる薬剤である。 4μ8cで処理することによりIRE1aエンドヌクレアーゼ活性を特異的に阻害すると、XBP1s mRNAとタンパク質アイソフォームの両方が消失し、スプライシングフォームの形成がIRE1a活性に依存していることが確認できた(図1d、e)<6827><6892>これらの結果から、IRE1a-XBP1経路はTh2リンパ球で保存され、in vitro Tヘルパー細胞活性化に伴ってアップレギュレートされていることが確認された。 6827>
In vivo活性化Tヘルパー細胞はIRE1a-XBP1経路をアップレギュレートする
IRE1a-XBP1経路が生体内のCD4+T細胞で機能しているかどうかを調べるために、Th2駆動型免疫反応のよく知られたモデルである蠕虫寄生虫Nippostrongylus brasiliensisをC57BL/6マウスに感染させました …。 感染後7日目に、Tヘルパー細胞におけるXBP1sタンパク質の発現をフローサイトメトリーによって解析した。 その結果、虫に感染したマウスのTヘルパー細胞は、感染していない対照マウスと比較して有意に多くのXBP1sを発現しており、経路のアップレギュレーションが示唆された(図2)
これらの結果は、経路がin vivoで活性であることを確認するものであった。 そこで、Th2リンパ球において、ゲノムワイドなアプローチを用いて、この経路の解明に着手した。
Genome-wide transcriptomic analysis of differential gene expression reveal IRE1a-XBP1-regulated genes
IRE1a-XBP1経路のグローバルな遺伝子調節役割を捉えるために、細胞培養液中に4μ8cを添加してIRE1a endonuclease活動を阻害した細胞とin vitro活性化Th2細胞とを比較検討した。 次に、活性化したTh2リンパ球のトランスクリプトームを、IRE1a-XBP1経路を阻害したものと阻害していないもので比較した。 4μ8c処理および未処理のTh2細胞のトランスクリプトームは、mRNA配列決定(RNA-seq)により取得した。 RNA配列決定データの品質管理は、Additional file 1に示す。 図S3に示す。 ナイーブおよび活性化Th2リンパ球のトランスクリプトームを比較すると、10995個の遺伝子がTh2活性化時に差次的に制御されていることが分かった。 4μ8c処理によるIRE1a-XBP1経路の阻害は、未処理のTh2コントロールと比較して、3144遺伝子の差次的発現をもたらした(図3a、追加ファイル1:図S3右パネル)。 これらの遺伝子のうち2670個がTh2分化に関与していた(図3a)。 これらの遺伝子を階層的にクラスタリングすると、4μ8c処理によって発現が増加する遺伝子群と減少する遺伝子群が明らかになった(Additional file 1: Figure S3, right)。 これらの遺伝子を詳細に調べたところ、多くの遺伝子がタンパク質変性反応や小胞体ストレスに関連しており、IRE1a-XBP1経路(図3b)がこれらの生命現象に大きな影響を及ぼしていることが明らかとなった。 差次的に発現する遺伝子の完全なリストは、Additional file 2: Table S1に記載されている。 Th2細胞への4μ8c処理により差次的に発現したこれらの遺伝子(すなわち、IRE1a-XBP1経路制御遺伝子)のGene Ontology(GO)解析により、以下の生物学的プロセスにおいて濃縮されていることが示された。 「ERストレスへの応答」(GO:0006950)、「シグナル伝達の制御」(GO:0009966)、「サイトカイン産生」(GO:0001816)、「細胞増殖」(GO:0008283)、「細胞周期」(GO:0007049)および免疫応答(GO:0006955)(図3c)に富むことを示した。 IRE1a阻害によるこれらの遺伝子発現パターンの変化は、XBP1転写因子がTh2の活性化、増殖、分化に広く関与していることを示唆している。 そこで、XBP1転写因子のゲノムワイドなクロマチン占有パターンを見出すことにした。
XBP1 ChIPmentation reveal XBP1 direct target genes in Th2 cells
XBP1のゲノム全体のクロマチン占有を特定するために、XBP1, XBP1に対するChIPグレードの抗体を用いて、従来のChIP-seqアプローチよりも高速、高感度、堅牢であることが示されている最近開発された手法であるChIPmentationを実施した。 XBP1 ChIPには、試験管内で分化させたTh2細胞と再活性化させたTh2細胞を使用しました。 2つの独立した生物学的複製が行われました。 各複製でそれぞれ1930万と2240万のペアエンドリードを得た。 MACS2でq値0.01以下、fold enrichment 5以上で解析したところ、2つの複製でそれぞれ9031と7662のピークが確認された。 bedtoolsを用いたオーバーラップ解析では、5892のピークが両レプリカに存在することが示唆された。 予想通り、XBP1の標的遺伝子であるHspa5(ERシャペロンタンパク質BiP、別名Grp78)をコードするプロモーター領域付近に結合ピークが確認され、XBP1自身のプロモーター付近にも結合イベントが確認された(図4a)ことから、XBP1の自己制御の可能性が示唆された。 XBP1の結合部位に関連するゲノム上の特徴を調べるため、HOMERを用いて、そのピーク位置とRefSeq遺伝子を比較したところ、XBP1の結合部位は、RefSeq遺伝子と同じ位置にあった。 XBP1結合ピークの多くは、プロモーター(注釈付き転写開始点から上流1000bp、下流500bpと定義)領域(36%)とイントロン領域(35%)に位置しており、遠位遺伝子間結合事象(25%)も頻繁に観察された(図4b)。 XBP1のピークのゲノム分布は、プロモーターと潜在的なエンハンサーの両方に結合することを示している。
XBP1レギュロームの特徴をさらに明らかにするために、HOMERを用いてde novo motif discoveryを行ってXBP1結合領域内に富むDNAモチーフを特定した。 その結果、乳がん細胞株で定義されたヒトXBP1結合モチーフとほぼ同じコンセンサス配列GCCACGTがトップのモチーフとして同定された(図4c)。 このことは、XBP1の結合特異性が、ヒトとマウス、そして細胞種を超えて高度に保存されていることを示している。 マウスのデータで最も濃縮されたモチーフは、JASPARデータベースのXBP1モチーフとも類似しており、このことからも、我々のChIPmentationデータの質の高さが裏付けられます。 2番目に濃縮されたモチーフはNF-Y結合モチーフであった(Additional file 1: Figure S4C)。 興味深いことに、NF-Yモチーフは細胞周期遺伝子、特にG2/M細胞周期制御に関与する遺伝子のプロモーター領域周辺に頻繁に見出されている。 XBP1モチーフとNF-Yモチーフは、258個のXBP1結合ピークの一部で共起しており(図4d)、XBP1とNF-Y転写因子が協力して標的遺伝子のサブセットを制御する可能性があることを示している。 XBP1とNF-Yによって共制御される可能性のある標的遺伝子のリストを追加ファイル3: 表S2に示し、XBP1標的の完全なリストも追加ファイル3: 表S2に示す。 上位5つの濃縮モチーフは、Additional file 1に表示されている。 図S4Cに示す。 XBP1結合遺伝子の機能を調べるために、GREATを使用してXBP1結合ピークの特徴を調べた。 このことは、XBP1の既知の生物学的役割と一致する。
ChIPmentation 実験から、XBP1がタンパク質の折り畳みや分泌の促進、Th2リンパ球の活性化において役割を果たすことが予測される。
トランスクリプトームデータとChIP-seqデータの統合によるXBP1制御遺伝子制御ネットワークの解明
XBP1制御の直接標的遺伝子とその転写制御ネットワークを明らかにするために、ゲノム全体のトランスクリプトームデータとChIPmentationデータの統合を行った。 直接標的遺伝子は、IRE1a阻害(すなわち4μ8c処理)時の発現の差と、遺伝子座でのXBP1転写因子の占有によって定義される。 その結果、Th2において1143個の直接標的遺伝子が見つかり、そのうち122個の標的は他の細胞型(すなわち筋肉、膵臓β細胞、形質細胞)においてXBP1直接標的として既に報告されていた(図5a)。 このことから、1021個の遺伝子がTh2特異的であると考えることができる。 XBP1の直接的な標的に対する作用には方向性がなく、アップレギュレートされる遺伝子とダウンレギュレートされる遺伝子が含まれている。 これらのパターンのいずれかに従う上位38遺伝子を図5bに示し、完全なリストは、追加ファイル4: 表S3に記載されている。 最も重要な生物学的プロセスおよびパスウェイは、タンパク質折り畳みおよびERストレスに関連しており(追加ファイル1:図S5)、これは既知の生物学的役割と一致し、また新規のTh2特異的標的も含んでいる