免疫、代謝機能、遺伝子制御に関連した血漿および細胞外小胞に特異的なシグネチャを明らかにするためのタンパク質プロファイルの解析

Deimination Protein Profiles in Reveal Plasma and Extracellular Vesicle-Specific Signatures Relating to Immunity, Metabolic Function, and Gene Regulation.

• Michael F Criscitiello
• Igor Kraev
• Lene H Petersen
• Sigrun Lange

抄録

ワニはワニ科の動物であり、白亜紀-古第三紀の絶滅に耐えた数少ない種の一つである。長寿、低代謝、強力な抗菌・抗ウイルス能力を含む異常な免疫学的特徴、がん抵抗性を持つワニは、そのような生理的特徴の根底にある分子経路の情報を持っている可能性があります。ペプチジルアルギニン脱イミナーゼ（PAD）は、カルシウム活性化酵素の一群であり、様々な標的タンパク質の翻訳後のタンパク質脱イミテーション／シトルリン化を引き起こし、健康や病気におけるタンパク質のムーンライト機能に貢献しています。PADは系統的に保存されており、細胞内コミュニケーションの重要な部分である細胞外小胞（EV）放出の重要な調節因子でもある。爬虫類の免疫学におけるPAD媒介メカニズムについてはほとんど知られていないため、本研究では、ワニの血漿中EVとタンパク質脱離のプロファイリングを目的とした。ワニの血漿中のEVは50-400nmのサイズ範囲で多分散していることがわかった。主要な免疫、代謝、遺伝子制御タンパク質は、血漿および血漿EVで翻訳後に減少していることが確認され、いくつかのヒットは重複していたが、いくつかのヒットは血漿または血漿EVに特有のものであった。血漿全体では112個の標的タンパク質が脱アミノ化していることが確認されたが、血漿EVでは77個のタンパク質が脱アミノ化していることが判明した。遺伝子オントロジー（Gene Ontology: GO）と遺伝子とゲノムの京都百科事典（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: KEGG）の濃縮解析により、血漿中の脱落タンパク質に特異的なKEGG経路がアディポサイトカインシグナルに関連していることが明らかになったが、EVに特異的な脱落タンパク質のKEGG経路には、コアヒストンだけでなく、リボソーム、アミノ酸生合成、解糖・糖新生経路も含まれていた。このことから、EVを介した脱アミノ化蛋白質の輸出は、代謝や遺伝子制御にも関与していることが明らかになり、がんとの関連性も示唆された。今回明らかになったワニの血漿中の翻訳後脱離とEV介在性コミュニケーションの解明は、古代爬虫類のタンパク質ムーンライト機能とEV介在性コミュニケーションの理解に貢献し、彼らの特異な免疫システムや生理学的特徴についての新たな知見を提供するものである。さらに、我々の発見は、がん抵抗性、抗菌性、抗ウイルス性の根底にある経路に光を当てる可能性があり、ヒトの病態にも応用可能であると考えられる。

Alligators are crocodilians and among few species that endured the Cretaceous-Paleogene extinction event. With long life spans, low metabolic rates, unusual immunological characteristics, including strong antibacterial and antiviral ability, and cancer resistance, crocodilians may hold information for molecular pathways underlying such physiological traits. Peptidylarginine deiminases (PADs) are a group of calcium-activated enzymes that cause posttranslational protein deimination/citrullination in a range of target proteins contributing to protein moonlighting functions in health and disease. PADs are phylogenetically conserved and are also a key regulator of extracellular vesicle (EV) release, a critical part of cellular communication. As little is known about PAD-mediated mechanisms in reptile immunology, this study was aimed at profiling EVs and protein deimination in . Alligator plasma EVs were found to be polydispersed in a 50-400-nm size range. Key immune, metabolic, and gene regulatory proteins were identified to be posttranslationally deiminated in plasma and plasma EVs, with some overlapping hits, while some were unique to either plasma or plasma EVs. In whole plasma, 112 target proteins were identified to be deiminated, while 77 proteins were found as deiminated protein hits in plasma EVs, whereof 31 were specific for EVs only, including proteins specific for gene regulatory functions (e.g., histones). Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analysis revealed KEGG pathways specific to deiminated proteins in whole plasma related to adipocytokine signaling, while KEGG pathways of deiminated proteins specific to EVs included ribosome, biosynthesis of amino acids, and glycolysis/gluconeogenesis pathways as well as core histones. This highlights roles for EV-mediated export of deiminated protein cargo with roles in metabolism and gene regulation, also related to cancer. The identification of posttranslational deimination and EV-mediated communication in alligator plasma revealed here contributes to current understanding of protein moonlighting functions and EV-mediated communication in these ancient reptiles, providing novel insight into their unusual immune systems and physiological traits. In addition, our findings may shed light on pathways underlying cancer resistance, antibacterial and antiviral resistance, with translatable value to human pathologies.

Copyright © 2020 Criscitiello, Kraev, Petersen and Lange.