Campylobacter jejuni Cjp/ (Neisseria go- (Agrobacterium tumefaciens) (Bordetella pertussis), pneumophila), (Legionella

病 原 細 菌 と外 界 を結 ぶ チ ャネ ル:薬 剤排出ポンプと病原因子分泌装置 ピロリ菌のⅣ型分泌機構 Ⅲ型分泌装置 との比較 田中二朗 笹川千尋 Ⅲ型分泌機構およ びⅣ型分泌機構 は多 くのグラム陰性菌が備 え,病 原 因子 を標的宿主細 胞へ直 接 注射 する ことので きるデ リバ リー シス テム である.Ⅲ 型分泌装置 およびⅣ型分 泌装 置は, おのおのべん毛お よび接合伝 達装置よ り進化 した蛋 白質複合 体と考え られ ている.Ⅲ 型 分泌装 置はサルモネラや赤痢菌 を中心と してその遺伝子構造 や分泌 装置微細構造 の解 析が進んで いる が,Ⅳ 型分泌 装置ではその構造が 明 らかにされた例はまだ少 ない,本 稿で は,ピ ロ リ菌 のⅣ型 分泌装置の構造 と機能 について概説する とともに,ほ かの細菌 にみ られるⅣ型分泌機構 の特徴 についても最近の知見を紹介す る,ま た,Ⅲ 型分泌機構との異同についても考察 したい. Ⅳ 型 分 泌 機 構T-pilusエ フェクター ピ ロ リ菌CagA は じめ に 体 あ た り数 本 が 突 出 して い る こ と を 見 い だ した1).筆 者 グ ラム 陰 性 菌 に は Ⅰ型 か ら Ⅴ型 まで の 分 泌 機 構 が 存 在 らの 発 表 に続 い て,同 様 な Ⅳ 型 分 泌 機 構 の 構 造 物 が ピ ロ す る.菌 種 に よ っ て 分 布 は 異 な る が,Ⅲ 型 分 泌 機 構 (type リ菌 表 面 に 存 在 す る こ とが,Rohdeら II[secretionsystem) た2).本 稿 で は,Ⅳ 型 分 泌 装 置 の特 徴 お よ び グ ラ ム 陰性 tionsystem) お よ び Ⅳ 型 分 泌 機 構 (type N secre- は 多 くの 病 原 細 菌 に 存 在 し,い ず れ も細 菌 のエ フ ェ ク ター[ 今 月 のKeyWords(P.4)]と よば れ る 病 原 細 菌 にお け る 分 布 に つ い て 述 べ,そ に よ り報 告 さ れ の 構 造 を 赤痢 菌 や 病 原性 大 腸 菌 の Ⅲ型 分 泌 機 構 と比 較 して み た い.ま 病 原 因 子 を病 原細 菌 か ら宿 主細 胞 へ 直 接 注 入 す る た め の た,筆 者 らの 行 な っ た ピ ロ リ菌 Ⅳ型 分 泌 機 構 の構 造 解析 蛋 白 質 分 泌 装 置 と して 働 く.し か し,そ の 起 源,構 造, につ い て 紹 介 す る と と もに,Ⅳ 型 分 泌 機 構 の 感 染 に 果 た 分 泌 因 子 に は お の お の 特 徴 が あ る.Ⅳ 型 分 泌 機 構 は 接 合 す 役 割 に つ い て考 察 を行 な う. 線 毛(性 線 毛)よ り進 化 分 化 した 分 泌 機 構 で,本 稿 で 紹 介 す る ピ ロ リ菌 (Helicobacter pylori) を は じ め,多 原 細 菌 に 分 布 す る.ピ くの 病 1,Ⅲ 型分泌機構およびⅣ型分泌機構の特徴と分布 グ ラ ム 陰性 菌 で,ヒ ロ リ菌 は らせ ん状 の べ ん 毛 を もつ トの 胃粘 膜 上 皮 に長 期 に付 着 定 着 し,胃 炎,胃 潰 瘍,十 二 指 腸 潰 瘍 を誘 発 す る と と も に, Ⅲ型 分 泌 機 構 に つ い て は,桑 江 阿 部 の 稿 お よび 飯 田 の稿 に解 説 さ れ て い るの で 詳 細 は割 愛 す る が,Ⅲ 型 分 泌 胃癌 発 症 の 一因 と もな る.ピ ロ リ菌 は Ⅳ型 分 泌 機 構 を通 機 構 は Ⅳ 型 分 泌 機 構 と と もに グ ラ ム 陰 性 病 原細 菌 に特 有 じ,CagA(エ の分 泌 機 構 で あ り,分 泌 装 置 の 遺 伝 子 は,分 泌 され る エ フ ェ ク ター の 一 種 で,上 皮 細 胞 間 接 着 を 緩 め 細 胞 増 殖 を促 進 す る)を 胃の 上 皮 細 胞 へ 分 泌 す る. 最 近,筆 者 らは,ピ ロ リ菌 Ⅳ 型 分 泌 機 構 の 菌 体 表 層 で フ ェ ク ター 遺 伝 子 と と も に,染 pathogenicity 色 体 や プ ラ ス ミ ド上 に island (PAI) と して 存 在 す る.Ⅲ 型 分 泌 装 の 構 造 を調 べ る 目的 で,共 焦 点 レー ザ ー顕 微 鏡 お よび 電 置 はべ ん 毛 を起 源 と して進 化 した と考 え られ て お り,病 子 顕 微 鏡 に よ る解 析 を行 な っ た.そ の 結 果,Ⅳ 型分 泌装 原 細 菌 は菌 体 表 面 に突 出 す るニ ー ドル部 位(あ る い はそ こ 置 は非 定 型 の 繊 維 状 蛋 白質 複 合 体 と して 菌 体 表 面 よ り菌 か ら伸 び る 鞘 状 構 造 物)を 通 じ細 胞 質 か ら数 種 類 の エ フ Jiro Tanaka, 明 治 製菓(株)感 染症 研 究 所 ChihiroSasakawa, Type IV secretion 36 E-mail : jiro _tanaka@ meiji.co.jp 東京大学医科学研究所 細 菌感染分野 system in Helicobacter 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol 50No.1(2005) pylori : comparison with bacterial type III secretion apparatus

Campylobacter jejuni Cjp/ (Neisseria go- (Agrobacterium tumefaciens) (Bordetella pertussis), pneumophila), (Legionella

CagA HGF/SF (hepatocyte growth factor/scattering cag-pai (cag-pathogenicity island)

図4ピ ロ リ菌 の Ⅳ 型 分 泌 装 置 電 子 顕微 鏡 観 察(上 段)に よ り,野生 株(左 上,中 上)の 菌 体 表 面 に は,Cag-PAI 変 異株(右 上)に は ま った く認 め られ な い 非 定 型の 繊維 状 構造 物 が存 在 す る.VirB7 ホ モ ロ グで あ るHp0532に 対す る 抗 体 を 用 い た 免 疫 電 子 顕 微 鏡 法(下 段)で,Hp 0532は こ の 構 造 物 の 構 成 因子 で あ る 可 能 性 が示 唆 さ れ た,左 下 は.中 下 の 白 枠 部 分 の拡 大.バ ー は200nm. [文献1よ り許 可 を得 て転 載] がHp0532(VirB7ホ モ ロ グ)で あ り,ま た,接 合 線 毛 と 比 較 して も 巨 大 な(直 径70nm,長 さ700nm以 下)非 定 型 の構 造 物 で あ る とい う点 で は,筆 者 らの 知 見 と も一 致 して い る2).同 時 に 筆 者 ら は,リ ン酸 化 を 受 け るCagA の Ⅳ 型 分 泌 装 置 な らび に宿 主細 胞 との 空 間 的 な 位 置 関 係 を くわ し く解 析 した.そ の 結 果,分 泌 装 置 の ニ ー ドル様 構 造 物 の 構 成 因 子Hp05321VirB7ホ 酸 化CagAが モ ロ グ)の 先 に リ ン 存 在 して い る こ とを確 認 した(図6).す わ ち,細 胞 質 内 へ 輸 送 さ れ たCagAは 直 下 で リ ン酸 化 を 受 け,そ な Ⅳ型分泌 装置 の の 場 に留 ま る 可 能性 が あ る こ とが 示 唆 され た.こ れ は,宿 主 細 胞 内 に輸 送 され たCagA の ほ と ん どが 細 胞 膜 に会 合 して い る と い う,最 近 の 一 連 の 報 告 結 果 と も一 致 して い る30,38). 最 後 に,ま だ予 備 的 な デ ー タで は あ る が,ピ ロリ菌の Ⅳ 型 分 泌 装 置 の 単 離 に 関す る結 果 に もふ れ て お きた い. ピ ロ リ菌 の Ⅳ 型 分 泌 装 置 を 単 離 す る 目 的 で,赤 痢 菌 の Ⅲ 型 分泌 装 置 単 離 法39)にな ら い,膜 画 分 の 分 離 を 試 み た. 残 念 な こ とに,ピ 性,あ ロ リ菌 特 有 の 内膜 外 膜 の 強 固 な結 合 る い は,coccoid-formと よば れ る ピ ロ リ菌特 有 の 形 態 お よ び 膜 構 造 を も つ 集 団 の混 入 な どの 理 由 に よ 図5ピ ロ リ菌 の Ⅳ 型 分 泌 装 置 構 成 成 分 に よ る 免 疫 電 子 顕 微 鏡像 上 段:抗Hp0532(VirB7ホ モ ロ グ)抗 体,下 段:抗Hp0528(VirB9 ホ モ ロ グ)抗 体.菌 体 か ら伸 長 した非 定 型 の 繊維 状 構 造 物 が Ⅳ型 分 泌装 置 で あ る可 能 性 が強 く示 唆 さ れた.バ ー は200nm. [文献1よ り許可 を得 て転 載] り,高 度 に 精 製 した 膜 画 分 の 単 離 に は 成 功 して い な い. しか し な が ら,少 な く と も内 膜 と外 膜 の 両 方の 膜 成 分 が ほ ぼ 同 等 の 構 造 物 が 豊 富 に 認 め ら れ,さ 豊 富 に 存 在 す る 画 分 につ い て 免 疫 電 子 顕 微 鏡 法 に よ る 観 抗Hp0532(VirB7ホ 察 を行 な っ た とこ ろ,興 味 深 い結 果 が得 られ た.す モ ロ グ)抗 体,抗Hp0527(VirB10ホ ち,こ の 画 分 に は,図7に なわ み られ る よ うな,こ れ ま で 菌 体 上 に 認 め ら れ た 繊 維 状 構 造 物 と形 状 な ら び に大 き さが て 認 識 さ れ た.同 に は,全 れ らは モ ロ グ)抗 体,抗Hp0528(VirB9ホ モ ロ グ)抗 体 に よ っ 条 件 で 得 られ た 赤 痢 菌 の Ⅲ型 分 泌 装 置 長 が お よ そ80nmで 蛋 白質 ら に,こ 均 一 の ニ ー ドル 部 位 が 認 核 酸 酵 素Vol.50No.1(2005) 41

図7ピ ロ リ菌 膜 画 分 の 電 子 顕 微 鏡 像 膜 成分 が 豊 富 な 画 分 に は 菌 体 上 に 認 め られ た 非 定 型 の繊 維 状 構 造 物 が 存 在 し,抗Hp0532(VirB7ホ モ ロ グ)抗 体(左 上),抗Hp0528 (VirB9ホ モ ロ グ)抗 体(右 上),な らび に.抗 トキpO527(VirB10ホ モ ロ グ)抗 体(左 下)に よ ζ)認識 さ れた.右 下 は,同 条件 下 で 得 られ た 赤 痢菌 の Ⅲ型分 泌 装 置.大 き さの 違 い に 注 目.バ ー は200nm. Ⅳ 型 分 泌 機 構 とで 決 定 的 に 異 な る の は 分 泌 装 置 の起 源 で あ り,構 成 ア ミ ノ酸 の 相 同性 か ら も示 され る よ うに,Ⅲ 図6ピ ロ リ菌 感 染AGS細 酸 化CagAの 胞 にお け るⅣ 型分 泌装 置 と リン 空 間的位 置 関係 (a)共 焦 点 レー ザ ー 顕微 鏡 像.こ の 白枠 の 拡 大 図 が(b) (e)で,(b) 抗 リン酸 化CagA抗 体 染 色.(G)抗 トキp0532(VirB7ホ モ ロ グ)抗 体 染 色,(d)抗 ピ ロ リ菌 リボ多 糖 抗 体染 色,(e)は(b) (d)の (f) (i)は,(e)の 合成 像. 点線 で 示 した 位 置 に お け る 垂 直 断面 像.Ⅳ 型 分 型 分 泌 機構 は べ ん 毛 を,Ⅳ 型 分 泌 機 構 は接 合 線 毛 を プ ロ トタ イ プ と し て進 化 し た と考 え ら れ る.こ の 起 源 の 違 い を反 映 して,分 泌 装 置 自体 の ス ケ ー ル とそ の 菌 体 あ た り の コ ピ ー 数 も両 者 で 異 な っ て い る.ピ ロ リ菌 で み られ る 泌 装 置 の ニ ー ドル 様 構 造 物 の 構 成 成 分 と 考 え られ るHp0532(緑 Ⅳ 型 分 泌 装 置 は格 段 に 大 型 で あ る反 面,Ⅲ 色)と,リ 菌 体 表 面 に 多 く(血 清 型O157に ン酸化CagA(赤 色)が 同 じ空 間 座標 上 に存 在 して い る. バ ー は5μm. 代 表 され る 腸 管 出 血 性 大 腸 菌 や 腸 管 病 原 性 大 腸 菌 で は10コ [文献1よ り許 可 を得 て 転 載] 型分泌装 置は ピ ー 前 後,サ ルモ ネ ラや 赤 痢 菌 で は 数 十 コ ピー)存 在 す る が,Ⅳ 型 分 泌 機 構 は 菌 体 あ た り数 個 以 下 と少 な い.ま め られ るが,こ れ と比 較 して,ピ ロ リ菌のⅣ型分泌装 置 が エ フ ェ ク ター の 分 泌 に特 化 して い る の に 対 し,Ⅳ 型 分 は 明 らか に 巨大 で 非 定 型 の 繊 維 状 蛋 白質 複 合 体 と して 存 泌 機構 はエ フ ェ ク タ ー に加 え,DNA-蛋 在 して い る こ とが 強 く示 唆 され た.今 後,ピ 泌 す る.さ ロ リ菌 の膜 た,Ⅲ 型 分 泌 機 構 白 質 複 合 体 も分 らに,本 稿 で は くわ し く述 べ な か っ たが,Ⅳ 画 分 の 単 離 法 に さ ら な る 改 良 を加 え,Ⅳ 型 分 泌 装 置 複 合 型 分 泌 機 構 は 形 質 転 換 に も 関与 して い る.こ の よ うな 事 体 の 完 全 な単 離 法 が 確 立 され れ ば,複 合 体 全 体 の 超 微 細 実 を考 え あ わ せ る と,Ⅳ 型 分 泌 機 構 は Ⅲ型 分 泌 機 構 に比 構 造 が 明 らか に な るか も しれ な い. べ,そ の 機 能 が よ り複 雑 か つ 高 度 に分 化 して い る よ うに み え る.し おわ りに 以 上,Ⅲ 核 酸 な ど,細 菌 由 来 成 分 を宿 主細 胞 内 に 直接 注 入 す る シ 型 分 泌 機 構 と Ⅳ 型 分 泌 機 構 の 特 徴 に つ い て概 説 した.こ れ ま で に 述 べ て きた よ う に,Ⅲ 型 分泌 機 構 と 42 か しな が ら両 者 は,い ず れ もエ フ ェ ク ター や 蛋 白質 核酸 酵 素Vol.50No.1(2005) ス テ ム で あ る とい う面 で 共 通 した 役 割 を担 っ て い る.こ の よ う に,細 菌 が 進 化 の 起 源 を ま っ た く異 にす る2つ の

8,47-49(2000) 36) Nagai, H., Roy, C. R.: EMBO J., 20, 5962-5970 (2001) 37) Nagai, H. et al. : Science, 295, 679-682 (2002) 38) Segal, E. D. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 14559-14564(1999) 39) Suzuki, T., Lett, M. C., Sasakawa, C.: J. Biol. Chem., 270, 30874-30880(1995) 40) Covacci, A. et al.: Science, 284.1328-1333 (1999) 1) Tanaka, J. et al.: Cell. Microbial., 5, 395-404 (2003) 2) Rohde, M. et al.: Mol. Microbial., 49, 219-234 (2003) 3) Galan, J. E. : Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 17,53-86 (2001) 4) Plano, G. V., Day, J. B., Ferracci, F. : Mol. Microbial., 40, 284-293(2001) 5) Cascales, E., Christie, P. J.: Nature Rev. Microbiol., 1, 137-149(2003) 6) Bacon, D. J. et al. : Infect. Immun., 68, 4384-4390 (2000) 7) Hofreuter, D., Odenbreit, S., Haas, R. : Mol. Microbiol., 41, 379-391(2001) 8) Bacon, D. J. et al.: Infect. Immun., 70, 6242-6250 (2002) 9) Hofreuter, D. et al.: Res. Microbial., 151, 487-491(2000) 10) Dillard, J. P., Seifert, H. S. : Mol. Microbial., 41, 263-277 (2001) 11) Hamilton, H. L., Schwartz, K. J., Dillard, J. P. : J. Bacterial., 183,47184726(2001) 12) Christie, P. J.: J. Bacterial., 179, 3085-3094 (1997) 13) Christie, P. J.: Mol. Microbial., 40, 294-305 (2001) 14) Christie, P. J., Vogel, J. P.: Trends Microbial., 8, 354-360 (2000) 15) Tamano, K. et al.: EMBO J., 19,3876-3887 (2000) 16) Lai, E. M. et al.: J. Bacterial., 182, 3705-3716 (2000) 17) Ward, D. V. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99,11493-11500(2002) 18) Eisenbrandt, R. et al.: J. Biol. Chem., 274, 22548-22555 (1999) 19) Lai, E. M., Kado, C. I.: Trends Microbial., 8, 361-369 (2000) 20) Das, A., Xie, Y. H.: J. Bacterial., 182, 758-763 (2000) 21) Hapfelmeier, S. et al.: J. Bacterial., 182, 4505-4511(2000) 22) Sagulenko, V. et al.: J. Bacterial., 183, 3642-3651(2001) 23) Yeo, H. J. et al.: Mol. Cell, 6,1461-1472 (2000) 24) Selbach, M. et al.: Infect. Immun., 70, 665-671 (2002) 25) Zhu, J. et al.: J. Bacterial., 182, 3885-3895 (2000) 26) Burns, D. L.: Curr. Opin. Microbial., 2,25-29 (1999) 27) Asahi, M. et al.: J. Exp. Med., 191, 593-602 (2000) 28) Selbach, M. et al.: J. Biol. Chem., 277, 6775-6778 (2002) 29) Stein, M., Rappuoli, R., Covacci, A. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97,1263-1268(2000) 30) Mimuro, H. et al.: Mol. Cell, 10, 745-755 (2002) 31) Higashi, H. et al.: Science, 295, 683-686 (2002) 32) Glocker, E. et al.: Infect. Immun., 66, 2346-2348 (1998) 33) Naumann, M. et al.: J. Biol. Chem., 274, 31655-31662 (1999) 34) Vogel, J. P., Isberg, R. R. : Curr. Opin. Microbial., 2, 30-34 (1999) 35) Swanson, M. S., Sturgill-Koszycki, S. : Trends Microbial.,