Genetic decoupling of NINJ1-mediated cell lysis from developmental hydrocephalus reveals the physiological role of the α1 domain

すべての生細胞の内部では、形質膜と呼ばれる保護的な皮膚が重要な障壁として機能し、細胞内の仕組みを安全に保ち、外部の世界から隔離しています。パイロトーシスシス（細胞死の一種）として知られる特定の激しい方法で細胞が死亡すると、この「皮膚」は単に損傷するだけでなく、粉々に砕け散ります。この破裂によって内部信号が溢れ出し、免疫系に危険を知らせますが、同時に炎症の連鎖反応も引き起こします。NINJ1というタンパク質はこれらの細胞の表面に存在し、この破壊におけるマスタースイッチとして機能します。NINJ1がないと、細胞が死亡した後でも膜は完全なまま維持され、それらの炎症シグナルの放出が防がれます。科学者たちは、炎症がいかに疾患を進行させるかを理解するためにマウスを用いてこのプロセスを研究することを長年望んできましたが、大きな障害がありました。それは、NINJ1タンパク質を完全に欠損したマウスは、脳室拡大症（頭蓋内に液体が蓄積して頭蓋内圧が高まる状態）という深刻な脳疾患を発症するため、研究に使用できる前に多くが死亡してしまうということでした。これにより、大規模な実験のために大量のマウスを繁殖させることがほぼ不可能となっていました。

Genentechおよびオーストラリア国立大学の研究チームは、免疫応答においてはNINじJ1欠損マウスのように振る舞うものの、成長過程では完全に健康である新しいタイプのマウスを作成することで、この問題を解決しました。彼らは、分子の始点付近にある曲線状のセグメントであり、「α1ドメイン」として知られる、NINJ1タンパク質の非常に小さく特定の領域に着目しました。この特定のセクションの遺伝暗号に対して極めて精密な変更を加えることで、全NINJ1欠損マウスと同様に、細胞死時に細胞膜を壊すことができないマウスを作り出したのです。しかし、全NINJ1欠損マウスとは異なり、これら新しいマウスは正常に発達し、脳室拡大症にも苦しみません。この発見は、細胞を破壊する役割を持つ部分が、健全な脳の発達に必要な部分とは別であることを証明しています。

どのようにこれを達成したのかを理解するには、まずNINJ1タンパク質がどのように働くかを見る必要があります。健康な生存細胞において、NINJ1は表面に静かに鎮座しています。細胞が死の信号を受け取ると、NINJ1はその形状を変え、長く密な鎖やフィラメントへと自己集合します。これらのフィラメントはジッパーまたは楔（くさび）のように作用して細胞膜を押し広げ、細胞を破裂させます。研究者たちは、そのα1ドメイン内の位置45にある特定のアミノ酸（タンパク質の構成要素の一つ）が、この組み立てにおいて重要であることを知っていました。以前の培養皿を用いた実験では、このたった一つの構成要素をリシンからグルタミンに変更することで、膜を破裂させるために必要な鎖の形成が阻止されました。チームはこの同じ変化が個体レベルの生物においても有効かどうかをテストすることに決めました。

彼らは現代的な遺伝子編集ツールを用い、マウス胚のDNAにまさにこの変更を導入しました。その結果、自身の遺伝子の両方のコピーにこの特定の変異を持つ「Ninj1K45Q」と名付けられた系統のマウスが得られました。研究者がこれらのマウスの免疫細胞を調べたところ、細胞の外観や挙動は正常であることが分かりました。NINJ1タンパク質は正しい量で表面に存在していました。しかし、細菌毒素や細胞死を誘発する化学物質などの様々な方法で細胞に死を促すと、細胞は爆発的に破裂することができませんでした。中身を放出して破裂する代わりに、細胞はただ収縮し、完全な形のままでした。これは、この変異が膜を破壊するタンパク質の能力を無効化することに成功しており、実質的にNINJ1が全く存在しない場合の効果を模倣していることを裏付けています。

次に、研究者はこの変異が他の関連するタンパク質に影響を与えるかどうかをテストしました。彼らは、同様の構造と配列を持つ従兄弟にあたるタンパク質であるNINJ2を調査しました。初期の研究の中には、NINJ2もまた細胞の破裂に関与している可能性があり、バックアップあるいは調節因子として機能しているのではないかと示唆するものもありました。チームはNINJ2を完全に欠失させたマウスを作成しましたが、そのマウスの細胞破裂の様子は通常のマウスと比較して差が見られませんでした。たとえNINJ1とNINJ2の両方を取り除いたとしても、細胞の挙動はNINJ1のみが欠如していた場合とまったく同じでした。これにより、これらの特定の免疫細胞において、NINJ2が細胞を破裂させるのを助けているという考えは否定され、NINJ1がこの文脈における唯一の駆動源であることが確認されました。

真の画期的な成果は、研究者がマウス全体の健康状態を確認したときに現れました。NINJ1タンパク質が完全に欠落しているマウスにはよく知られた問題があります。約半数が出生直後に死亡し、生き残った多くの個体も、液体の蓄積による頭部の肥大が生じています。この脳室拡大症こそがボトルネックとなり、複雑な疾患研究に必要な多数のマウスを育てることを妨げてきました。チームが今回の新しく作成されたNinj1K45Qマウスを検査した際、その結果は驚くべきものでした。これらのマウスは予想通りの数で誕生し、成体まで生存し、脳室拡大症やその他の発達異常の兆候も見られませんでした。彼らの頭部は正常なサイズと形状を保っていたのです。

これが偶然ではないことを確実にするため、研究者たちは肝臓損傷モデルにおいてもマウスをテストしました。彼らは肝細胞を死滅させる物質をマウスに注入しました。通常であれば、標準的なマウスでは劇的な炎症シグナルの放出と肝損傷を引き起こすプロセスです。新しい変異マウスにおいては、肝細胞は死滅しましたが、NINJ1タンパク質が膜を破壊できなかったため、炎症シグナルは放出されませんでした。その結果、肝損傷は大幅に軽減されました。これは、この変逐が培養皿での細胞と同じように、生体内においても炎症のカスケードを停止させていることを証明しています。

さらに研究者たちは、別のタンパク質部位をテストするために二種類目の変異マウスを作成しました。彼らは、かつて細胞同士の接着に関わっていると考えられていたトリプトファン（位置29）を変更しました。「Ninj1W29A」と命名されたこれらのマウスも、やはり脳室拡大症を起こすことなく健康に成長しました。しかしながら、最初のグループとは対照的に、彼らの細胞は死ぬ際に依然として正常に破裂しました。このことは、トリプトファン29番目のポジションは膜破壊機能には不可欠ではない一方で、リシン45番目のポジションは必須であることを科学者に教えました。

これらの知見により、科学者たちはついにNINJ1が行う二つの異なる仕事を分離することができます。一つは、アルファ1ドメインと特定のリシンを必要とする、炎症シグナルを放出するために細胞膜を破壊するという仕事です。もう一つは、プロテイン全体が消失した場合に失われるものの、健全な発達を実現するための仕事です。新しいNinj1K45Qマウスは、膜破壊機能を破損していますが、健全な発達機能は保持しています。つまり、研究者たちは今後、敗血症、自己免疫疾患、感染症といった病気を制御する方法を学ぶために、（開発上の不備を心配することなく）これらのマウスの大規模なコロニーを繁殖させることができます。

本研究はまた、NINJ2タンパク質の役割についても明確にしました。NINJ2を欠損させたマウスが細胞の破裂に関して何の問題も抱えていないことを示すことにより、研究者たちは、少なくともテストされた条件下においては、NINJ2が免疫細胞におけるこのプロセスに有意な役割を果たしていないという強力な証拠を提供しました。これは将来の研究の焦点を絞り込み、細胞の破裂に関する解明への努力をNINJ1に集中すべきであることを示唆しています。

広い視野で見れば、この研究は科学コミュニティに強力なツールを提供します。長年、健康なNINJ1欠損マウスを大量に生産できないことが、炎症性疾患の研究範囲を制限してきました。今回提案された新しいマウスモデルはその障壁を取り払います。これにより、科学者たちは発達的脳疾患という混同要因なしに、生体内で細胞破裂を止めることの具体的な帰結を研究できるようになります。研究者たちは、細胞破裂の破壊的な力と、不可欠な発生プロセスを遺伝学的に切り離すことができることを実証しました。これは、炎症がどのように働き、それがどのようにコントロールされ得るかをより詳細に調査するための道を開き、制御不能な炎症が害をもたらす疾患に対する治療法への道をより鮮明にします。この研究は、精密な遺伝子工学がいかに研究現場の実践的な課題を解決し、扱いづらい生物学的現象を管理可能で堅牢な実験システムへと転換できるかを示す明白な例となっています。