自己免疫疾患の制御に関わる新たな加齢関連T細胞を発見～自己免疫疾患制御から健康長寿社会の実現に期待～

2024-02-09 東京大学,日本医療研究開発機構

発表のポイント

強力な抗体産生誘導能と細胞傷害活性を併せ持ち、加齢と自己免疫疾患で増加する「ThA (Age-associated helper T)細胞」を世界で初めて同定し、同細胞が各種自己免疫疾患の病態形成において中心的な役割を果たしていることを見出しました。
抗体産生誘導能と細胞傷害活性を併せ持つ加齢関連T細胞の報告は他になく、本研究では、ThA細胞の特異的細胞表面マーカーとマスター制御遺伝子の同定から、その疾患制御メカニズムまでを、臨床情報も加味した疾患横断的マルチオミックス解析などの手法を用いて明らかにしました。
自己免疫疾患は免疫学的老化が影響することが知られているものの、その詳細なメカニズムは不明なままでした。ThA細胞のさらなる解析は、自己免疫疾患の病態解明、新たな創薬標的同定、個別化医療の実現に繋がるのみならず、健康長寿への道も切り開かれることが期待されます。

概念図:加齢により増加するThA細胞と新規治療法開発の可能性

概要

東京大学医学部附属病院アレルギー・リウマチ内科後藤愛佳病院診療医、高橋秀侑助教、吉田良知特任臨床医(研究当時)、同大学大学院医学系研究科免疫疾患機能ゲノム学講座の太田峰人特任助教(研究当時)、岡村僚久特任准教授、同大学院生体防御腫瘍内科学講座アレルギー・リウマチ学藤尾圭志教授らによる研究グループは、理化学研究所生命医科学研究センター中野正博学振特別研究員、石垣和慶チームリーダー、山本一彦チームリーダーらとの共同研究において、自己免疫疾患の病態制御に関わる新たな加齢関連T細胞(注1)を発見しました。

自己免疫疾患は、免疫という本来は身体を守る仕組みに異常が起こり、自分の組織を攻撃してしまう病気です。その発症には遺伝的および環境的な要因が関与しますが、自己免疫疾患の多くが中年以降に発症のピークを迎えることから、「加齢」も重要な要因として知られています。また、免疫学的な細胞レベルでの老化が、自己免疫疾患の発症に関わっているとも考えられています。

本研究では、加齢で増加するT細胞を発見し、「ThA(Age-associated helper T/加齢関連ヘルパーT)細胞」と名付けました。ThA細胞は、若年齢の自己免疫疾患でも増加し、その細胞は健康な方のThA細胞とは性質が異なることが分かりました。

ThA細胞の機能を詳細に調べたところ、これまでは別々の細胞が担うと考えられていた、抗体産生を導く機能と、周囲の細胞を傷害する機能の2つを併せ持っていることが分かりました。加齢で増加し、かつこれら2つの機能を持つ細胞は、世界で初めての発見となります。

代表的な自己免疫疾患として、全身性エリテマトーデス(SLE)が知られています。SLEは、自分に対する抗体である様々な自己抗体が産生され、全身の臓器の障害を認める疾患であり、難病に指定されています。ThA細胞は若年齢のSLE症例でも増加しており、健康な方と比べB細胞(注2)の抗体産生を促進させる分子を非常に高く産生していることが分かりました。また、他のT細胞と比較して、ThA細胞の遺伝子発現の違いが、SLEの病気の勢いを最も強く反映していることが分かりました。

本研究では、ThA細胞の2つの機能はZEB2という遺伝子で制御されているということの特定にも成功しました。

今回の研究で得られた知見は、ThA細胞が、自己免疫応答と健康長寿の違いを知ることができる重要な細胞であることを示唆しており、自己免疫疾患の新たな治療法開発、健康長寿社会実現への展開が期待されます。この研究成果は、国際科学誌『Science Immunology(サイエンス・イムノロジー)』(オンライン版)にて、2024年2月8日(米国東部時間)に発表されました。

図1:ThA細胞による自己免疫疾患制御メカニズムの概念図
ThA細胞は、B細胞からの抗体産生の促進と、細胞を傷害するという機能を併せ持っている。ThA細胞はT細胞受容体を介して、自己の成分である自己抗原などを特異的に認識して活性化することが想定される。細胞傷害は、グランザイム(タンパク分解酵素の一種)などを介して発揮される。活性化したThA細胞は、IL-21およびCXCL13を分泌してB細胞の抗体産生を促進する。この作用は、SLEなどの病気を悪化させることが知られているインターフェロンαというサイトカインの濃度が体の中で高い時に、より強くなると考えられた。自己免疫疾患においては、ThA細胞を介した作用により、臓器が障害される一方、健康な高齢者では、この作用が感染症の防御などに向けられることが想定される。今後は、自己免疫疾患および、動脈硬化などの加齢関連疾患、健康長寿において、ThA細胞がどのように関わっているかにつき、より詳細な検討を進める。

発表内容

研究グループは、代表的な10の自己免疫疾患の症例および健常人、計416例の末梢血から28種類の免疫担当細胞を回収し、過去最大規模の機能ゲノムデータベース「ImmuNexUT」(Immune cell gene expression atlas from the University of Tokyo)を構築し報告をしました(Cell. 184(11) 2021)。本データベース構築時のフローサイトメトリー(注3)の詳細な観察から、若年健常人では少なく、自己免疫疾患、高齢者で増加を認め、過去には報告の無い細胞集団としてThA細胞を発見し、7年間に渡る研究の成果をまとめ、今回発表しました。

図2:本研究の全体像本研究では、ImmuNexUTデータベースで回収した8種類のCD4陽性T細胞に、ThA細胞を加えた9種類の細胞を用いて、健常人および3つの自己免疫疾患症例の検体から、フローサイトメトリー解析およびRNAシークエンス(注4)による網羅的な遺伝子解析と、臨床情報との統合解析を実施した。

ThA細胞は、既知のヘルパーCD4陽性T細胞とは重複の無いエフェクターメモリーT細胞のうち、細胞表面のCXCR3という分子が中程度に発現する細胞として同定されました(図3 左図)。加齢によりその割合は増加します(図3 右図)。

図3:フローサイトメトリーを用いたThA細胞の同定ThA細胞は左図のように、細胞表面のCXCR3というタンパクが中程度に発現する細胞として同定できる。

ThA細胞の網羅的な遺伝子発現解析を行った結果、ThA細胞は、既知の8種のCD4陽性T細胞とは異なる独自の遺伝子発現の特徴を有すること、また、細胞傷害性の強い分子をとても高く発現していることが分かりました。

図4:細胞傷害性T細胞としてのThA細胞左図:RNAシークエンスデータ主成分分析解析の結果。左上の赤い点1つが1人から得られたThA細胞の情報を表し、ThA細胞は他のCD4陽性T細胞とは異なる遺伝子発現の特徴を持つことが分かる。
中図:RNAシークエンスの結果のうち、細胞傷害に関わる遺伝子の発現量をグラフ化したもの。ThA細胞は他のCD4陽性T細胞と比べて、著しく細胞傷害に関わる遺伝子発現が高い。
右図:電子顕微鏡観察下において、ThA細胞は、代表的な細胞傷害T細胞として知られるCD8陽性T細胞と同様に、細胞内に細胞傷害に関わる分子を蓄える顆粒が観察された(赤矢印)。

ThA細胞は、多彩な自己抗体産生を特徴とする自己免疫疾患であるSLEにおいて、増加を認めました。RNAシークエンスのデータを用いて健常人と遺伝子発現の違いを確認したところ、健常人よりも、B細胞の抗体産生誘導に関わるIL-21とCXCL13の発現が著しく高いことが分かりました。実際に、試験管内の実験においても、ThA細胞は強い抗体産生誘導能を認めました。

図5:B細胞の抗体産生を強く誘導するThA細胞左図:ThA細胞とB細胞を試験管内で一緒に培養した結果(関節リウマチ症例)。これまで、最も強い抗体産生を導くことが知られている濾胞性CD4陽性T(Tfh)細胞と同程度まで、ThA細胞はB細胞の抗体産生(IgG:イムノグロブリンG)を促進した。
中図:左図と同じ実験系(関節リウマチ症例)において、試験管内でIL-21もしくはCD84を阻害したところ、B細胞の抗体産生も抑制された。
右図:左図と同じ実験系(健常人)において、健常人でもThA細胞がCXCL13タンパクを産生し(一番右のグラフのグレー表示のデータ)、またインターフェロンαを加えると更に増強された(一番右のグラフの黒表示のデータ)。

ThA細胞によるB細胞の抗体産生を誘導する作用は、これまで、最も強い抗体産生を導くことが知られている濾胞性CD4陽性T(Tfh)細胞と同程度でした。Tfh細胞は細胞表面にCXCR5というタンパクを発現していますが、ThA細胞はこれを発現せず、異なる細胞となります。Tfh細胞はリンパ濾胞においてB細胞の抗体を産生することが知られていますが、近年、リンパ濾胞外においてB細胞の抗体産生を導くCD4陽性T細胞が自己免疫疾患において病態を制御することが注目されています。この様なT細胞として、細胞表面にPD-1という分子を発現するTph(PD-1陽性CXCR5陰性CD4陽性末梢ヘルパー T)細胞が最も良く知られており(Nature. 542, 2017)、世界的に盛んな研究がなされています。Tfh細胞はCXCR5という分子を発現し、リンパ濾胞内に遊走しますが、Tph細胞はCXCR5を発現しないため、リンパ濾胞内に積極的に入り込むことができません。一方で、Tph細胞はCXCL13というタンパクを発現することで、B細胞を引き寄せ、リンパ濾胞外でもB細胞の抗体産生を誘導できると考えられています。

しかしながら、Tph細胞のマーカーであるPD-1は、T細胞が活性化しただけでも発現してしまうことから、CXCR5を発現しないB細胞抗体産生誘導能を持つCD4陽性T細胞の特異的細胞表面マーカーの同定が強く望まれてきました。

CD4陽性T細胞は、特異的なマーカーとなる細胞表面タンパクと、その細胞の機能を制御する転写因子(マスター制御遺伝子)の2つが揃うことで、独立したサブセットと認められます。これまで、Th1、Th2、Th17、制御性T細胞などが、このような方法で定義され、多くの疾患の病態解明に寄与してきました。

一方で、Tph細胞は、PD-1が唯一のマーカーであるものの、上述のようにTph細胞だけに発現するものではなく、マスター制御遺伝子も同定されていないことが課題となっています。

今回の研究で同定したThA細胞は、CXCR3が中程度の発現という他のCD4陽性T細胞サブセットと重複しない特異的なマーカーを有しています。そこで、ThA細胞とTph細胞について、他のCD4陽性T細胞サブセットとの重複につき確認をしたところ、ThA細胞はTph細胞を除く他のCD4陽性サブセットとの重複は無く(図6 左図)、一方でTph細胞は多くの既知のCD4陽性T細胞サブセットと重複を認めました(図6 中図)。また、Tph細胞は加齢により増加することはなく(図6 右図)、ThA細胞におけるTph細胞との重複率は約10%のみであることから、ThAは独立した細胞サブセットと考えられました。

図6:ThA細胞とTph細胞の異同左図:フローサイトメトリーを用いて、ThA細胞と他のCD4陽性T細胞との重複率を検討した結果(健常人22例、SLE 11例、関節リウマチ 16例)。ThA細胞はTph細胞との重複は約10%のみであった。
中図:左図と同じ評価方法にて、Tph細胞と他のCD4陽性T細胞との重複率を検討した結果。Tph細胞は、これまでに独立したサブセットとして定義されてきた様々なT細胞サブセットと重複を認めた。
右図:左図と同じデータを用いて、Tph細胞と年齢の相関を評価した結果。ThA細胞と異なり、Tph細胞は加齢による増加は認めなかった。

さらに本研究では、ThA細胞がZEB2およびTBX21という2つの転写因子を強く発現していることを同定し、ThAの機能発現においては特にZEB2遺伝子がマスター制御遺伝子として機能することまで同定しました。また、ThA細胞はT細胞受容体の多様性が、他のT細胞と比べ著しく低いことから、ThA細胞が生体内の抗原特異的に増殖していることが示唆されました。

最後に、SLE症例の臨床情報と、ThA細胞を含む9つのT細胞サブセットのRNAシークエンスデータとの統合解析を行いました。その結果、他のT細胞の遺伝子変動と比べて、SLEの疾患活動性の影響を最も強く受けるのはThA細胞であることが分かりました(図7 左図)。また、ThA細胞における発現変動遺伝子のほとんどが疾患活動性に関わるという知見を得ました。この傾向は、他の細胞サブセットと比較しても顕著なものでした(図7 右図)。

図7:SLEにおけるRNAシークエンスデータと臨床情報の統合解析左図:RNAシークエンスデータから得られた主成分分析と分散成分解析の結果を組み合わせ、臨床情報の分散が、各CD4陽性T細胞サブセット遺伝子発現変動に対して与える貢献度を推定した結果(Variance partitioning解析)。各T細胞サブセットの遺伝子発現変動に対して、性別、年齢、免疫抑制剤、プレドニゾロン使用量、SLEの疾患活動性が、どの程度説明するかを数学的に“因子寄与”として示した。その結果、ThA細胞において疾患活動性の寄与度が最も高いという結果が得られた。
右図:疾患の発症に関与すると考えられる『疾患状態シグネチャー遺伝子』(青色)として、健常人対非活動性SLE患者の発現変動遺伝子を定義し、疾患の増悪に関わる遺伝子群である『疾患活動性シグネチャー遺伝子』(赤色)として、非活動性SLE患者対高疾患活動性SLE患者の発現変動遺伝子を定義した。その結果、ThA細胞における発現変動遺伝子のほとんどが『疾患活動性シグネチャー遺伝子』(赤色)により占められており、他のT細胞とは大きな違いを認めた。

今後の展望

今回の研究では、抗体産生促進能と細胞傷害活性を併せ持ち、加齢と自己免疫疾患で増加する新しいThA細胞を同定しました。ThA細胞の遺伝子変動は、SLEの疾患活動性を非常に強く反映しており、ThA細胞が自己免疫疾患の新たな治療ターゲットになる可能性が示唆されました。

細胞を傷害するT細胞については、様々な自己免疫疾患で増加することが知られている一方、110歳を超える超高齢者においても著しく増加していることも報告されています。つまり、自己免疫疾患発症と、高齢者における免疫機能の維持の両方に、細胞傷害性T細胞が関係していると考えられます。ThA細胞の細胞を傷害する機能が、どのように関わっているかの解明は今後の課題です。

加齢で増加するThA細胞が自己免疫疾患において中心的役割を果たしていることから、ThA細胞の更なる研究は、自己免疫応答と健康長寿の違いを知ることができる可能性を内包しており、今後の治療応用への展開が期待されます。

発表者・研究者等情報

発表者
東京大学
医学部附属病院
アレルギー・リウマチ内科
後藤愛佳病院診療医兼東京大学大学院医学系研究科生体防御腫瘍内科学講座医学博士課程
高橋秀侑助教
吉田良知特任臨床医(研究当時)

大学院医学系研究科
生体防御腫瘍内科学講座アレルギー・リウマチ学
藤尾　圭志　教授兼東京大学医学部附属病院アレルギー・リウマチ内科　科長

免疫疾患機能ゲノム学講座
太田　峰人　特任助教(研究当時)
岡村　僚久　特任准教授

共同研究機関

東京理化学研究所 生命医科学研究センター ヒト免疫遺伝研究チーム 中野　正博　学振特別研究員PD 石垣　和慶　チームリーダー 自己免疫疾患研究チーム 山本　一彦　チームリーダー

論文情報

雑誌名: Science Immunology(オンライン版令和6年2月8日(日本時間令和6年2月9日))
題名: Age-associated CD4⁺ T cells with B cell-promoting functions are regulated by ZEB2 in autoimmunity
著者名: Manaka Goto^*, Hideyuki Takahashi^*, Ryochi Yoshida^*, Takahiro Itamiya, Masahiro Nakano, Yasuo Nagafuchi, Hiroaki Harada, Toshiaki Shimizu, Meiko Maeda, Akatsuki Kubota, Tatsushi Toda, Hiroaki Hatano, Yusuke Sugimori, Kimito Kawahata, Kazuhiko Yamamoto, Hirofumi Shoda, Kazuyoshi Ishigaki, Mineto Ota^#, Tomohisa Okamura^#, Keishi Fujio^#
*共同筆頭著者、#責任著者
DOI: 10.1126/sciimmunol.adk1643
URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.adk1643

研究助成

本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)　ムーンショット型研究開発事業^*、ゲノム医療実現バイオバンク利活用プログラム、免疫アレルギー疾患実用化研究事業、ワクチン開発のための世界トップレベル研究開発拠点の形成事業、革新的先端研究開発支援事業(課題番号:JP21zf0127004、JP21tm0424221、JP22ek0410074、JP223fa627001、JP233fa627001、JP23gm1810005)、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)(課題番号:JPMJCE1304)、科研費「マルチオームシングルセル解析を用いた自己免疫疾患における加齢関連T細胞の機能解析(課題番号:JP22H03110)」「エピゲノム解析による自己免疫性間質性肺炎発症機構の解明と新規バイオマーカーの探索(課題番号:JP19H03697)」、中外製薬株式会社との共同研究費の支援により実施されました。

*AMEDムーンショット型研究開発事業は、我が国発の破壊的イノベーションを創出し、より大胆な発想に基づく挑戦的な研究開発を推進する国の大型プロジェクトです。AMEDはムーンショット目標7である、2040年までに、主要な疾患を予防・克服し100歳まで健康不安なく人生を楽しむためのサステイナブルな医療・介護システムの実現にむけ、研究開発を推進しています。このAMED事業の中で、岡村特任准教授および藤尾教授は「病気につながる血管周囲の微小炎症を標的とする量子技術、ニューロモデュレーション医療による未病時治療法の開発」という課題において、研究分担者、研究参加者として中核課題の1つを担っております。

用語解説

注1 T細胞: T細胞はリンパ球の一種で、ヘルパーT細胞(Th細胞)、制御性T細胞、細胞傷害性T細胞などその機能による分類がなされています。CD4陽性T細胞は、Th1細胞、Th2細胞、Th17細胞、Tfh細胞などのヘルパーT細胞、抑制能を持った制御性T細胞などに分類されます。CD8陽性T細胞は、キラーT細胞として知られ、細胞傷害能を有することがその特徴です。ThA細胞はCD4陽性のペルパーT細胞としてB細胞の抗体産生を誘導するという機能だけでなく、CD4陽性T細胞でありながらキラーT細胞としての細胞傷害能も併せ持つという特徴を有しています。
注2 B細胞: B細胞はリンパ球の一種で、抗体を産生します。抗体は特定の抗原に結合し、病原性のある異物などを生体内から除去する作用を有しています。CD4陽性ヘルパーT細胞の1つであるTfh細胞は主にリンパ濾胞内における、ThA細胞は主にリンパ濾胞外におけるB細胞の抗体産生を誘導すると考えられます。自己免疫疾患では、しばしば自己の成分を認識する自己抗体が検出され、その病態形成に関与するもの、疾患活動性を反映するもの、診断に有用なものなどが知られています。
注3 フローサイトメトリー: 通常、細胞懸濁させた液体を複数の蛍光標識された抗体で標識後、細胞が一列に流れている状態にし、レーザー光を照射して得られる光の強さを電気信号に置換して定量化することで、細胞一つ一つの詳細な情報を得ることができる機械です。目的とする細胞を分取する機能を有する機種もあります。
注4 RNAシークエンス: 次世代シーケンサーという機械を用いてメッセンジャーRNA(mRNA)などの配列情報を読み取る解析手法です。ここで得られた配列情報からRNAの発現量を数値化することで、遺伝子発現などを網羅的に調べる解析手法です。