Functional characterization of a cytosolic malic enzyme crucial for pyridine nucleotide homeostasis, redox balance, and virulence in Leishmania major

あなたの体の中で、微小な世界を想像してみてください。そこでは、単細胞の侵略者たちがキャンプを設営しようとしています。これらの侵略者は「レシュマニア」と呼ばれ、レシュマニア症という病気の元凶です。生き残るために、これらの寄生虫は驚くほど巧妙な化学者でなければなりません。彼らは、サシチョウバエの腸内という、全く異なる2つの「近所」で生活しています。最初はサシチョウバエの腸内、そして後には、あなたや私のような哺乳類の細胞の奥深くです。それぞれの環境では、ゲームのルールが変わります。あなたの細胞内は酸性で、混雑しており、免疫系が侵略者を殺そうと投げつける「化学兵器」（酸化ストレス）に満ちています。

これに対抗するために、寄生虫は安定したエネルギー供給と、それらの化学兵器を中和する方法を必要としています。ここで、「ピリジンヌクレオチド」と呼ばれる特別な分子グループが登場します。これらは、寄生虫のバッテリーパックと消火器を組み合わせたものだと考えてください。あるバージョンのバッテリー（NADPH）は新しい部品を作るのを助け、別のバージョン（NAD+）はエンジンを動かし続けます。もし寄生虫がこれらのバッテリーを切らしたり、あるいは消火器が故障したりすると、彼らは圧倒されて死んでしまいます。科学者たちは、寄生虫がこのバッテリーを管理するために、「リンゴ酸酵素（マリック酵素）」と呼ばれる特定の種類の酵素を使用していることを古くから知っていました。しかし、これまでは、この酵素について私たちはレシュマニアの中に1種類しか存在することを知らず、それは寄生虫の発電所（ミトコンドリア）に住んでいると考えていました。大きな疑問は、寄生虫に秘密のバックアッププランがあるのか、それとも、バッテリーを充電し続けるための第2の道具が、体の他のどこかに隠されているのか、ということでした。

この論文は、科学者たちがその秘密のバックアッププランを見つけた物語を伝えています。彼らは、第2のバージョンのリンゴ酸酵素を発見し、それにLmME2と名付けました。そして、それは発電所ではなく、細胞のメインのリビングルームである「細胞質」に隠れていることが分かりました。彼らが発見した内容は以下の通りです。

細胞質のスパイの発見
研究者たちは、寄生虫の取扱説明書（ゲノム）を調べ始め、そこにはこの酵素の遺伝子が1つではなく、実際には2つあることに気づきました。彼らは、この第2の遺伝子であるLmME2が、寄生虫のライフサイクルの両方の段階で実際に活動していることを確認しました。巧妙なタグ付けシステムを用いることで、彼らは酵素の動きを観察し、それがミトコンドリアではなく、細胞を満たすゼリー状の液体である細胞質に住んでいることを見出しました。これは驚きの発見でした。なぜなら、もう一方のバージョンであるLmME1はミトコンドリアに住んでいるからです。それは、家の中に2種類の電気技師がいることに気づくようなものです。一人は地下の発電室で働いており、もう一人はメインの廊下で働いています。

双方向の道
科学者たちが精製したLmME2酵素を試験管内でテストしたところ、それは多才な働き手であることが分かりました。それは、マラートという分子をピルベートに変える（エネルギーを放出する）、あるいはピルベートを再びマラートに戻す（エネルギーを蓄える）という、2つの方向の化学反応を実行できました。試験管内では、どちらの仕事も同程度の速度で行われました。しかし、実際の寄生虫の中で酵素が働いている様子を観察すると、それはピルベートをマラートに戻す方を好むようでした。なぜでしょうか？ それは、寄生虫の内部環境が、交通整理を行う他の化学物質（交通警官）で満たされているからです。研究者たちは、ATP（細胞のエネルギー通貨）、オキサロ酢酸、フマル酸といった分子が、調節因子として機能していることを発見しました。これらは、細胞が必要とするものに応じて、酵素の速度を遅らせたり速めたりします。それは、部屋がどれくらい寒いかに基づいて暖房を調整する、スマートなサーモスタットのようなものです。

バッテリーの危機
LmME2が実際に寄生虫のために何をしているのかを知るために、科学者たちは遺伝的な「消しゴム」（CRISPR-Cas9）を使用して、LmME2遺伝子を削除しました。彼らは、LmME2を全く持たない変異株を作成しました。最初、これらの変異寄生虫は見た目は正常で、シャーレの中で問題なく成長しました。しかし、科学者たちが彼らの内部バッテリーをチェックしたところ、惨劇が見つかりました。変異した寄生虫は、大量の「酸化された」バッテリー（NAD+およびNADP+）を失っていたのです。興味深いことに、「充電された」バッテリー（NADHおよびNADPH）はほとんど変わりませんでした。このことは、LmME2が単に新しいエネルギーを作っているだけでなく、細胞が原材料を使い果たさないように、古いバッテリーをリサイクルするために極めて重要であることを示唆しています。LmME2がなければ、寄生虫のバッテリーリサイクルシステムは崩壊してしまいます。

火災と失敗
バッテリーシステムが壊れていたため、変異した寄生虫はストレスに対処することができませんでした。科学者たちが水素過酸化物（免疫細胞が使うものに似た化学兵器）に曝露させたところ、変異した寄生虫は危険なレベルの「活性酸素種（ROS）」、つまり、内部の錆や火災のようなものを蓄積しました。また、彼らはバッテリーを作るためのもう一つの主要な方法（ペントースリン酸経路）をブロックする薬に対しても、非常に敏感でした。

本当のテストは、彼らが生きた宿主に寄生虫を入れた時に行われました。科学者たちがLmME2を欠損した寄生虫をマウスに感染させたところ、マウスはほとんど病気になりませんでした。寄生虫はマウスの免疫細胞（マクロファージ）の中で生き残ることができず、通常現れる大きな痛みを伴う潰瘍を引き起こすこともできませんでした。実際、通常の寄生虫に感染したマウスと比較して、マウス内の寄生虫の数は約100倍も少なかったのです。

結論
論文は、LmME2が、寄生虫の健康を守る、これまで知られていなかった重要な守護神であると結論付けています。それは、細胞質のリンゴ酸酵素として機能し、寄生虫のバッテリーレベルのバランスを保ち、内部の火災を制御しています。これなしでは、寄生虫は哺乳類内の過酷な環境で生き残るには弱すぎます。この発見は、もし私たちがLmME2を特異的にブロックする薬を設計できれば、ヒトの酵素は異なる働き方をするため、ヒトの宿主に害を与えることなく、寄生虫を飢えさせて病気を止めることができる可能性を示唆しています。科学者たちは、レシュマニア症と戦うための、新しく有望な標的を特定したのです。