宿主、病原真菌、マイクロバイオーム。感染症における遺伝的三角形

2023年1月18日 11:10

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OPINION記事
Front. Immunol.、2023年1月17日
Sec.微生物免疫学
第13巻 - 2022年｜https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.1078014
宿主、病原真菌、マイクロバイオーム。感染症における遺伝的三角形
サラ・ガゴ1、マルティナ・マンダラーノ2、クラウディア・フロリディ2、テレーザ・ゼランテ2＊（敬称略
1英国マンチェスター大学生物・医学・健康学部生物科学科マンチェスター真菌感染症グループ
2ペルージャ大学医学部・外科学教室（イタリア・ペルージャ
最初の視点宿主の遺伝学
真菌症は、真菌病原体、ヒト宿主、宿主マイクロバイオームを含むその環境との複雑な相互作用によってその予後が決定される(1-4)。真菌症は、診断・治療法が近年進歩しているにもかかわらず、罹患率・死亡率ともに非常に高い水準にある(5-7)。これらの疾患の治療に使用できる抗真菌薬は3種類しかなく、農業用トリアゾール系殺菌剤の使用に関連した抗真菌剤耐性が増加傾向にある(8)。ヒト真菌症に対する新しい抗真菌薬の開発は、宿主と病原体が共に真核生物であり、真菌の形態形成の異なる時点で露出する薬剤可能な標的が異なるため、困難な課題である。

これまでのところ、真菌感染症のハイリスク患者の特定は、臨床的要因と宿主の要因を組み合わせた臨床スコアを用いて、その後の疾患リスクを予測することに頼っている（9-11）。しかし、リスクの高い集団における日和見真菌症の有病率は、0.1〜20％である(12)。ここ数十年、個人の遺伝的変異が、真菌病原体に対する機能的な免疫反応に大きく寄与していることが認識されるようになった。抗真菌免疫や病原体感知を制御する遺伝子のいくつかの単原子欠損や多型は、アスペルギルス症、クリプトコックス症、カンジダ症への感受性と関連している（13）(Fig. 1)。

図1
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図1 ヒト日和見真菌症につながる「遺伝子の三角形」で知られるSNPsとPIDs。主なヒト真菌症につながるSNPsおよびPIDsに関与する主な標的遺伝子のスキーム。一塩基多型（SNPs）、原発性免疫不全症（PIDs）。

宿主免疫系によるヒト真菌病原体の感知には、主に真菌病原体の細胞壁に存在する病原体関連分子パターン（PAMPs）とパターン認識受容体（PRRs）の相互作用が必要である（14-17）。PRRとPAMPsの相互作用により、免疫細胞による真菌病原体の取り込みが制御される。膜型受容体に加え、ペントラキシンやマンノース結合レクチン（MBL）などの可溶性PRRも病原体の感知や効率的な貪食に重要である（18, 19）。

現在までに、PTX3の多型は、造血幹細胞移植患者（20）、固形臓器移植患者（21）、慢性閉塞性肺疾患（22）における侵襲性肺アスペルギルス症の危険因子として様々な臨床場面で報告されています。PTX3 欠損は好中球の機能を低下させ、A. fumigatus 感染症に対する感受性を高めることが ex vitro および in vivo の疾患モデルで報告されている (20, 23)。

PRRや他の免疫経路の多型は、様々な患者コホートで報告されている(24-28)。しかしながら、これらの多型は（原発性免疫不全症を除いて）真菌症のリスクを高い特異性で予測することはできず、これらの疾患の遺伝的基盤は多因子性である可能性が示唆されている。

一般に遺伝子の再現研究は少ないが、PTX3 (rs1840680) と rs7309123 (CLEC7a) の遺伝子多型とアスペルギルス症リスクの関連はうまく再現されている (29) 。Whiteら（30）は最近、同種幹細胞移植を受ける患者のアスペルギルス症リスク層別化を改善するために、臨床因子や菌学的証拠とともに、侵襲性アスペルギルス症への感受性と以前に関連した遺伝子の遺伝子変異のスクリーニングが使用可能であるかどうかを調査した。彼らのモデルでは、Dectin-1、DC-SIGNの変異、同種幹細胞移植、現在の呼吸器ウイルス感染、アスペルギルス特異的PCR陽性はすべて侵襲性疾患発症の高リスク因子であると報告されている。

原発性免疫不全症の小児における真菌症について報告する症例研究や家族研究が増えてきている。例えば、侵襲性アスペルギルス症は、慢性肉芽腫性疾患、重症先天性好中球減少症または白血球接着不全I型患者における先天性エラーと関連している（31、32）。さらに、他のあまり一般的ではない先天性免疫不全症（例えば、CARD9免疫、IL-12/インターフェロン（IFN）-γ軸またはIL-17免疫）は、侵襲性カンジダ症、皮膚糸状菌症、慢性粘膜皮膚カンジダ症または風土病への感受性リスクを高めることが報告されている（図1）（33-36）。

ゲノムワイド関連研究（GWAS）により、真菌感染症に対する感受性に影響を与える新規の遺伝子座が多数同定されている（37, 38）。一般的な感染症患者を対象としたGWAS研究により、DSG1変異と外陰部カンジダ症感受性との間に有意な関連があることが明らかになった。DSG1は、上皮区画の完全性の維持に関与する重要なタンパク質であるデスモグレインをコードしている（37, 39）。

カンジダ症患者を対象としたGWASでは、PLA2GB4遺伝子の遺伝子変異rs8028958と疾患感受性との間に強い関連があることが明らかになった（40）。PLA2GB4は脂質代謝に関与する細胞質ホスホリパーゼA2をコードしており、血流中のカンジダが存在するとサイトカイン産生に影響を与える(40)。

GWAS、バルクRNA-seq、カンジダ刺激時のヒトPBMCからのscRNA-seqを組み合わせた最近の研究では、LY86がカンジダ症への感受性に重要な役割を果たすことが示唆された。LY86はLymphocyte Antigen 86をコードし、主に単球で発現している。LY86のサイレンシングは、単球の遊走を阻害し、カンジダ血症への感受性を高める(38)。

宿主のサイトカイン応答をコードする遺伝子における遺伝子変異の役割は、Human Functional Genomics Projectのデータを含め、広く研究されている(41)。この研究では、サイトカイン産生に影響を与えるゲノムワイドな重要遺伝子座が新たに17個同定された(41)。真菌に感染したヒトPBMCを用いたin vitroの研究では、サイトカイン（IL-6、TNF-α、IL-1β）放出に高い個人差があることが示された（39）。このように、多くのゲノムワイドな量的形質座（QTL）が感染症感受性に寄与している可能性が示唆されている。興味深いのは、これらのQTLがIL-17のような適応性サイトカインに影響を及ぼしていないことである(41)。

真菌症診断のパイプラインに宿主遺伝学的スクリーニングが導入されるには、どの程度の時間がかかるのでしょうか？真菌症の遺伝的基盤を明らかにすることを目的とした研究は、抗原提示、病原体感知、免疫経路の制御など、効率的な抗真菌反応に重要であることが知られている遺伝子の共通多型と疾患との関連研究に基づいて行われてきた。これらの関連は驚くほど顕著ではないにせよ、一般集団に存在するものである。さらに、アレルギー性真菌症や慢性アスペルギルス症、最近ではウイルス性真菌症など、一部の疾患については厳密な臨床定義が近年までなされておらず、真菌症に対する感受性を予測するための遺伝的リスクの有用性が妨げられている。この問題を克服するために、全ゲノムエクソームまたはゲノムシーケンス研究が有用であると考えられる(42-44)。しかし、バイオインフォマティック・パイプラインの最適化と簡略化のために、科学者コミュニティが共同で努力する必要がある。最後に、真菌症の診断パイプラインに宿主遺伝子スクリーニングを導入するには、遺伝的背景が異なる大規模で特徴のある患者コホートでの検証と、真菌症が特に多い地域にこれらの技術を移植できるようなポイントオブケア検査法の開発が必要である。

第二の視点病原体の遺伝学
真菌が病気を引き起こす病原性メカニズムについて我々が知っていることのほとんどは、特定の真菌種、臨床株、欠失変異体の病原性を評価するin vivoまたはin vitro感染モデルから得られたものである。しかし、その結果は、使用する動物株、疾患モデル（例えば、免疫抑制と免疫抑制なし）、感染量や感染経路、評価する細胞集団に大きく依存するため、必ずしもヒト疾患への応用が可能とは言えない。さらに、ほとんどの真菌類ヒト病原体の日和見主義的性質を理解するためには、真菌類病原体が自然環境で生存できるように、病原性の遺伝子ドライバーが開発されてきたと考えることが重要である(45)。実際、最近発表された集団ゲノム解析の結果、薬剤耐性のA. fumigatusによるヒトへの感染は、環境に由来することが確認された（46）。

真菌ゲノムの解読が進むにつれて、真菌界では病原性が異なる系統で出現していることが観察されている(43)。しかし、ヒトの疾病を引き起こす真菌の病原性は、病原体の種類だけでなく、同じ病原体からの菌株の間でも大きなばらつきがある。例えば、A. fumigatusの病原性は、使用する感染症モデルによって大きく異なる(47)。とはいえ、真菌の病原体が持つ極限環境への適応能力と疾病を引き起こす能力には関連があるように思われる。

ヒトのカビ病原体A. fumigatusは、免疫抑制された患者や慢性呼吸器疾患のある患者において、侵襲性疾患、慢性疾患、アレルギー性疾患を引き起こす可能性がある(48)。実際、Sneldersら（49）は、嚢胞性線維症および慢性肺アスペルギルス症患者から分離した真菌の全ゲノム配列解析により、A. fumigatusの適応には寄生性組み換えが重要であり、CYP51（Erg11）に点変異が生じる以外にもアゾール耐性発現のドライバーとなる可能性があることを示した（図1） (50)．同様に、Ballardら（51）は、慢性肉芽腫性疾患患者におけるアスペルギルス長期感染が宿主の微小進化によって駆動されていることを報告している（51）。さらに、最近の真菌パンゲノムの解析により、A. fumigatus環境分離株はその遺伝子量に差がないことが示されている(52)。しかし、臨床分離株では環境分離株と比較してアクセサリー遺伝子の数が多いことが示されており、ヒト疾患の理解に役立つ可能性がある(53)。

Cryptococcus neoformansとCryptococcus gattiiのように、同じ属の真菌種が異なる集団に病気を引き起こすこともある。しかし、これらの種の内部には、ゲノムおよび表現型の大きな不均質性があり（53, ）、病気の結果と関連付けることができる。同様に、C. albicans内にもゲノムおよび表現型の大きなばらつきがあり、いくつかの機能喪失変異は、疾患の遺伝的要因の理解を深めるのに役立つかもしれない(54)。

最近、我々はトリプトファンの代謝経路とトリプトファンの総量が真菌の病原性に異なる影響を与えるという新しいモデルを発見した。真菌はトリプトファン分解酵素であるインドールアミン2,3-ジオキシゲナーゼを発現しており、l-トリプトファンをキヌレニンに分解する。Aspergillus fumigatusは3つのido遺伝子を持っており、低酸素状態やトリプトファンが豊富な場合に発現する。ido遺伝子を欠損すると、トリプトファン分解酵素AroHが活性化され、真菌の病原性が高まる(55)。

第三の車輪宿主マイクロバイオームの遺伝学
最近まで、真菌症発症における環境の寄与は、主に地理的分布や気候などの生態学的要因、あるいは人獣共通感染症のリザーバーの存在に関連していた（45, 56）。しかし、宿主のマイクロバイオームが真菌症に対する抵抗性を高める上で重要であることを示唆する研究が増えてきている(57)。特に、代謝によって活性化される宿主の異種物質受容体（XR）は、真菌感染に対する感受性に影響を与える可能性がある（58, 59）。実際、組織微小環境、食事、栄養の利用可能性、抗生物質への曝露など、いくつかの要因がマイクロバイオームの進化や微生物のSNPsに影響を与えることが知られている（60, 61）。プロバイオティクスもまた、いくつかのストレス要因が特定のマイクロバイオームニッチに作用した場合にSNPsを獲得する可能性がある（図1）(62)。

口腔、腸、呼吸器系のディスバイオーシスなど、臨床的に関連性の高い状況における真菌-細菌相互作用の研究が進んでおり、相乗的および拮抗的な相互作用が報告されている。例えば、乳酸菌はクオラムセンシング分子や抗真菌分子（例えば、過酸化水素や有機酸）を放出し、真菌の増殖を抑制する(63)。同様に、我々は最近、Lactobacillus reuteriが特定の細菌遺伝子群の代謝的活性化とインドール誘導体の放出を介してC. albicansの腸内コロニー形成を減少させることを見出した(59)。外陰膣カンジダ症においても同様の表現型が示されている（64）。口腔粘膜炎では、Candida属菌はAls1あるいはAls5遺伝子の発現を増加させることによりStreptococcusバイオフィルムに付着する(65)。また、C. albicansとS. mutansはバイオフィルム形成において相互作用し、C. albicansがS. mutans glucosyltransferase Bの発現を誘導し、病原体と結合しやすくなる（66, 67）。L. crispatus SNUV220 と L. fermentum SNUV175 上清は、C. albicans の菌糸関連遺伝子 ALS3, ECE1, SAP5, HWP1 の発現を低下させる (68)．別の研究において、L. plantarum SD5870、L. helveticus CBS N116411、S. salivarius DSM 14685もCandida酵母-α転移を阻害することが示された(69)。

これまで、真菌感染症における宿主の遺伝的変異と病原体の遺伝的変異の組み合わせによる影響については見過ごされてきた。最近になって、この2つのアプローチが統合され、感染症における二重RNA配列解析が行われるようになった（70）。この方法は、以前は植物-宿主間の相互作用の研究に用いられていたが、病原体とその真核宿主細胞のトランスクリプトーム解析を並行して行うものである(71)。したがって、Multi-organism RNA-seqは、日和見真菌感染症にかかり、最終的に他の病原体に重複感染しているヒト集団に適用できる可能性があります。さらに、髄膜炎で報告されたように、統合的GWASアプローチを用いて、真菌の遺伝的変異と同時にヒトの遺伝的変異を分析することができ（72）、マイクロバイオームの遺伝的変異を定義するために拡張することができる可能性もある。このシステム生物学的アプローチにより、宿主、マイクロバイオーム、病原体における遺伝子変異の役割を明らかにし、感染時のヒトの生態系の複雑さに関する理解を深めることができます（図2）。

図2
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図2：真菌感染時のヒト宿主における「遺伝的三角形」を調査するためのオミックスツールキット。宿主、真菌、宿主マイクロバイオームの中間的な表現型を異なるオミックス技術で測定できるマルチオミックスアプローチ。ゲノムワイド関連研究（GWAS）、量的形質遺伝子座（QTL）、一塩基多型（SNP）。

著者の貢献
MM、CFは文献を熟読、分析、議論し、原稿のアウトラインを考案した。原稿はSGとTZが執筆した。すべての著者が論文に貢献し、提出された原稿を承認した。

資金提供
SGは、National Institute for Health Research (NIHR) Manchester Biomedical Research Centre (https://www.manchesterbrc.nihr.ac.uk/)、Fungal Infection Trust、Dowager Countess Eleanor Peel Trustから共同資金援助を受けている。TZはFondazione per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica Onlus (FFC#15/2022)の助成を受けた。図はBiorenderで作成した。

謝辞
Leonardo Brizzi博士のデジタルアートと編集協力に感謝する。

利益相反
著者らは、本研究が利益相反の可能性があると解釈される商業的または金銭的関係のない状態で実施されたことを宣言する。

出版社からのコメント
本論文で述べられたすべての主張は、著者個人のものであり、必ずしも所属団体、出版社、編集者、査読者のものを代表するものではありません。この記事で評価される可能性のある製品，あるいはそのメーカーによる主張は，出版社によって保証または承認されたものではありません．

参考文献

Ingrosso G, Saldi S, Marani S, Wong AYW, Bertelli M, Aristei C, et al. 放射線誘発性口腔粘膜炎における共生の崩壊. J Fungi (Basel) (2021) 7(4):290.doi: 10.3390/jof7040290