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細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(16、最終回)

(15)からの続き

ついに最終回です。この総説では、全身の筋肉が衰えて身体が動かせなくなってしまう難病ALSに着目し、ALSで失われる「運動ニューロン」という神経細胞と、TDP-43というタンパク質の関係について考えました。「運動ニューロンだけが障害を受けやすい」というALSの大きな特徴を、TDP-43というタンパク質の性質から解き明かす取り組みの現状を把握して、未来の研究の発展につなげることを目的としました。

TDP-43は、あたかも水がH2O分子の弱い結合によって液滴になり自由に形を変えることができるように、細胞の中でTDP-43分子の弱い結合を利用して液滴を形成します。この総説では、細胞の種類や、細胞が置かれた状況によって生まれる、様々な性質を持ったTDP-43液滴を、現在知られている範囲でできる限り紹介してきました。しかし、ここで紹介したTDP-43液滴で全てが網羅されている可能性は低く、いまだ知られていない性質を持ったTDP-43液滴を探索してゆくことは重要な研究課題の一つです。

TDP-43に異常が起こってTDP-43液滴の柔軟性が失われた時に、細胞内にはどのような悪影響があるのか?すこし広い視点から考えてみましょう。

TDP-43の多彩な機能を考慮すると、悪影響は、少なくとも3種類にパターンに大別できるでしょう。

  1. TDP-43がいくつか会合した複合体(オリゴマー)や液滴は、異常が起こると、さらに会合を積み重ねて成長する性質があります。異常なオリゴマーや塊が増幅されると、正常なTDP-43液滴の数が減るだけでなく、異常なオリゴマーや塊によって細胞内の構造が物理的に破壊されていく可能性があります。
  2. TDP-43は、およそ6,000種類の遺伝子のRNAに結合して、それぞれのタンパク質が作られるのを助けていることを紹介しました。TDP-43液滴の異常でこの機能が失われると、細胞中で、本来あるべきタンパク質が不足する事態が考えられます。TDP-43は自分自身の合成もコントロールしているので、TDP-43の異常によって、TDP-43自身も不足すると予想されます。
  3. 多くの場合、TDP-43機能の異常によって、RNAからタンパク質が全く作られなくなるわけではなく、RNAの配列が一部変化して間違ったアミノ酸配列をもったタンパク質が合成されます。このような異常なタンパク質が次から次へと合成されるような事態を、細胞は異常なタンパク質を分解することでしのごうとするはずですが、これに浪費されるエネルギーは膨大であり、大きなエネルギー負荷がかります。

TDP-43がALSの運動ニューロンに異常な塊として蓄積することが発見されたのは2006年、いまから15年前のことです。以来、TDP-43の異常な塊が原因で運動ニューロンが失われるのか?、それとも、TDP-43の機能が失われることが原因で運動ニューロンが失われるのか?といった具合に、問題を大きく二つに分けて、どちらが正しいのか、を問う方向性の議論(二分法的な議論)が継続されてきました。

一方で、上に挙げたように、TDP-43の異常によって生じる性質の異なる3種類の悪影響は、同時進行的に起こる可能性が高いです。したがって、3つの性質の異なる異常の原因のそれぞれを深く理解することと同じぐらい、TDP-43液滴の異常の源となる上流の出来事(あるいは、細胞内環境)が何か?という問題を理解することが大切なはずです。

この総説では、運動ニューロンに焦点を当てるために敢えて省きましたが、近年の研究から、ALSでは、運動ニューロンそのものだけでなく、炎症や免疫反応などの周辺組織からの影響が、運動ニューロンのTDP-43の性質に大きな影響を及ぼしていることが明らかになってきています。

TDP-43の異常によって、細胞にどのような障害がおこるのか?という視点の研究に加えて、TDP-43の性質に異変を引き起こす上流のイベントはなんなのか?という視点の研究の重要性が増しています。そのような上流のイベントを突き止めて、その原因を究明し、さらにはそれを回避する方法を開発することで、より広範に適用可能なALSの治療戦略をデザインすることが期待されます。

(了)


出典

Asakawa, K., Handa, H. & Kawakami, K. Multi-phaseted problems of TDP-43 in selective neuronal vulnerability in ALS. Cell. Mol. Life Sci. (2021)


あとがき

この総説は、コロナウイルスによって研究室での研究が制限されている期間(2020年4月ごろ)に執筆を開始しました。その2ヶ月前に、TDP-43の塊を人為的に形成させると運動ニューロンが障害を受けることを発表しました (Asakawa 2020)。その次の研究課題として、TDP-43の塊が形成される過程の上流に遡れば、ALSの原因にたどり着けるのではないかと考え、まずTDP-43の液滴の性質に関わるALS研究の現状をまとめることを目的としました。外出が制限される中、100円均一ショップに行ってビーズや毛糸などの素材を買って作った、細胞の中を再現したカバーアートの一部が、表紙の写真です。雑誌には採用されませんでしたので、このブログのカバー画像にしました。TDP-43の毒性の源は、TDP-43(赤いビーズ)が集合した液滴(左:赤いビーズだけからなる液滴)なのか、それともTDP-43を一部含むストレス顆粒などの他の液滴(右:多色のビーズの液滴)なのか、という未解明の大きな問題が残されています。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(15)

14)からの続き

全身の筋肉が衰えて、やがては身体を動かすことができなくなってしまうALSという病気では、筋肉の伸び縮みをコントロールする神経細胞「運動ニューロン」が、機能や形を徐々に失って、やがては細胞が死んでしまいます。

ほとんどのALSでは、TDP-43と呼ばれるタンパク質の異常な塊が、ある一定の割合で運動ニューロンに蓄積します。TDP-43の塊ができる仕組みは解明されていませんが、一説には、TDP-43分子に備わっている、あたかも液体のように集合して、柔軟に形を変えることができる性質が、何らかの理由で変化して、柔軟性を失った結果、塊となってしまうと予想されています。

この予想が本当かどうか?を検証するには、運動ニューロンの中のTDP-43の振る舞いを直接観察するのが理想的です。しかし、運動ニューロンは、体の奥深くにある複雑な形をもった細胞なので、体を傷つけることなく運動ニューロンを観察することは現在の技術ではほぼ不可能と言ってよいでしょう。一方で、その次善の策として、適切なモデル動物を使うことで、運動ニューロンの中のTDP-43のダイナミックな振る舞いを研究する、というALSの理解には避けて通ることができないように思える重要課題に取り組むことができます。

筆者らは、体長が3〜4ミリメートルぐらいで体がほぼ透明な熱帯魚ゼブラフィッシュの稚魚(成魚は3〜4センチメートル)の運動ニューロンの細胞の全体像や、細胞の中の微細な構造を、動物を生かしたまま直接観察する方法を開発してきました。

さらに、青い光を吸収すると塊になる性質を持った植物のCRY2タンパク質をTDP-43に融合させて運動ニューロンに導入することで、青い光を魚に照射して運動ニューロンでTDP-43の塊を形成させることに成功しました。光照射によってできるTDP-43の塊は、ALSで見られるTDP-43の塊によく似た特徴を示します(この研究の詳細は、光遺伝学でALSの謎を照らす、を参照)。

光遺伝学を使ってTDP-43を凝集させる(Asakawa et al. 2020

興味深いことに、このゼブラフィッシュ稚魚に青色光を照射してTDP-43の塊を作る実験は、運動ニューロンでは成功しましたが、体の表面を覆っている表皮の細胞や、分化した筋細胞では成功しませんでした。

細胞の種類によって、TDP-43の塊の出来やすさに差が生まれる理由は今のところ不明ですが、運動ニューロンは、TDP-43の塊をつくりやすい何らかの特性を持っている可能性があります。この特性はなんなのか?ALSの原因を理解するための手がかりになると期待されますが、まだ解明されていません。

また、ずっと増え続けることができるようになった細胞株のTDP-43よりも、培養したての神経細胞のTDP-43の方が、より安定に存在することも知られています。つまり、神経細胞のTDP-43は、他の細胞に比べてより分解を受けにくい可能性があります。神経細胞で、TDP-43が比較的安定な理由も解明されていませんが、この性質も運動ニューロンでTDP-43の塊ができやすいことに関係しているかもしれません。

なぜ、運動ニューロンでTDP-43が塊を作るのか、という問題はほとんど理解されていない重要な研究課題として残されています。ヒトの体内の運動ニューロンの研究は困難ですが、モデル動物を使った今後の研究に期待がかかります。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(16、結)へ続く


出典

Asakawa, K., Handa, H. & Kawakami, K. Multi-phaseted problems of TDP-43 in selective neuronal vulnerability in ALS. Cell. Mol. Life Sci. (2021)

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(14)

(13)からの続き

ALS(筋萎縮性側索硬化症)では、筋肉の伸び縮みをコントローする神経細胞「運動ニューロン」の形や機能が徐々に失われ、やがては全身の筋肉が衰えて身体を動かすことができなくなってしまいます。

運動ニューロンは、背骨の中を通っている脊髄(せきずい)という組織に、DNAを含んだ細胞体があり、そこから細長い軸索(じくさく)というケーブルを伸ばして、筋肉まで到達しなくてはなりません。このような要請から、運動ニューロンは大きい細胞である、という特徴があります。また、運動ニューロンの中でも、大きいものほど、大きい筋肉の伸び縮みをコントロールしていて、その分、消費するエネルギーも多いのです。

では一体、運動ニューロンはどのようにして、活動に必要なエネルギーを賄っているのでしょうか?

細胞のエネルギー産生で中心的な役割を果たしているのが、ミトコンドリアという膜で囲まれた小さい器官です。ミトコンドリアの中には、折り畳まれた膜で隔てられた区画がさらにあり、その隔てられた区画の両側には電位差があり、この電位差のエネルギーを利用して、エネルギーの通貨とよばれるATP(アデノシン3リン酸)を合成しています。いわば、ミトコンドリアは“細胞のバッテリー”といえるでしょう。エネルギーの消費量が多い運動ニューロンでは、このミトコンドリアの役割がひときわ重要になります。

運動ニューロンで、ミトコンドリアが活発に活動していることと、ALSで運動ニューロンが形や機能を失いやすいことと、関連があるのでしょうか?

おそらく、あるだろうと予想させる研究成果が相次いています。最近の研究で、TDP-43が異常な塊を形成することと、ミトコンドリアの活動との関連性が指摘されています。ミトコンドリアが活発に活動すると、活性酸素(Reactive oxygen species, ROS)を放出します。ROSの濃度が上昇すると細胞はストレス状態におかれますが、このような酸化ストレスの状況下では、TDP-43分子のRNAに結合する領域が変化してRNAと結合しにくくなり、結果として塊を作りやすくなるという報告があります。一方で、TDP-43が液滴の性質を発揮するのに重要な役割を果たす天然変性領域は、酸化によって液滴を形成しにくくなる、という報告もあります。酸化ストレス下で、TDP-43分子が全体としてどのように振る舞うのか?この問題は、完全に解明されていない重要な研究課題です。

エネルギー産生における役割の他に、ミトコンドリアは、細胞内のカルシウムイオン(Ca2+)の貯蔵庫である小胞体と結合して、細胞質のCa2+濃度の調節をしています。前の章で述べましたが、細胞質のCa2+濃度が上昇すると、カルパインという酵素によってTDP-43が切断され、塊を形成しやすくなります。

このように、ミトコンドリアが正常に働くことは、ROSの産生と細胞質Ca++濃度の調節、という少なくとも2つの点で、TDP-43の振る舞いに影響を与えていることがわかっています。

さらに、最近の研究では、健康な細胞と、ALSにおいて損傷を受けた細胞の両方において、ミトコンドリアの内部にTDP-43が検出されることが報告されました。これらの結果は、TDP-43がミトコンドリアによって制御されるだけでなく、実は、TDP-43がミトコンドリアを制御している可能性を示しています。

TDP-43のミトコンドリアにおける機能の解明は、運動ニューロンがなぜALSで機能を失うか?という問題にせまる大きな鍵を握っているかもしれません。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(15)へ続く


出典

Asakawa, K., Handa, H. & Kawakami, K. Multi-phaseted problems of TDP-43 in selective neuronal vulnerability in ALS. Cell. Mol. Life Sci. (2021)

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(13)

(12)からの続き


前回は、神経細胞が活動しすぎると、TDP-43を作るためのRNA配列が変化して、塊になりやすい小さいTDP-43が作られることを、紹介しました。

ALSでは、過剰な神経細胞の活動が原因で、運動ニューロンの形や機能が失われていく、という考えは、古くから提唱されています。ALS治療薬の一つであるリルゾールは、過剰な神経活動を抑える効果があるとされています。

では、神経細胞の活動が過剰になって運動ニューロンが損傷する過程に、TDP-43は関わっているのでしょうか?

この問題を考える前に、まず、神経細胞が過剰に活動するということは、どういうことなのか見てみましょう。

神経細胞は、他の神経細胞と接続して、情報(神経シグナル)を伝達する細胞です。神経シグナルの本体は、細胞の中にある電荷(プラス・マイナスの差し引き、電位)の変化です。一つ前の神経細胞から神経伝達物質(しんけいでんたつぶっしつ)という化学物質が放出され、その受け手となる神経細胞の細胞表面に到達すると、神経細胞の中にプラスイオンが、一気に流入します。このような細胞の電気的な変化が、神経軸索(しんけいじくさく)という細い長いケーブルを伝わって、細胞の反対側の端に到達し、今度は、次の神経細胞(あるいは、筋肉などの臓器)に向かって、神経伝達物質が放出されます。こうして、神経シグナルは、細胞から細胞へと伝わっていきます。神経細胞が過剰に活動するとは、このような電気的な変化が、通常では起らないような頻度で、何度も繰り返されるということです。

神経細胞に流入して電気的な変化を引き起こす陽イオンは、主に、ナトリウムイオンです。一方で、ALSでは、カルシウム(Ca2+)イオンの流入量が、通常より多くなっていると、報告されています。

このCa2+イオンの流入量の増加が見過ごせないのは、細胞質にCa2+イオンに結合すると、TDP-43を切断するタンパク質(カルパイン)が存在するからです。マウスの運動ニューロンでは、カルパインに切断されてできるTDP-43の断片は、塊を作り易いことが示されています。また、カルパインに切断されたと思われるTDP−43断片は、ALS患者さんの脳や脊髄で検出されます。

つまり、なんらかの原因で運動ニューロンが過剰に活動するようになると、流入によって細胞質のCa2+イオン濃度が上昇し、TDP-43が切断されて塊を形成しやすくなる可能性があります。ALSでは、活動が強い、大きい運動ニューロンほど損傷しやすいので、過剰な神経活動によるTDP-43の切断が、運動ニューロンの損傷の原因、あるいは、損傷を加速させる因子となっているのかもしれません。

前回の話と合わせると、運動ニューロンの活動が過剰になると、1)塊を作りやすい小さなTDP-43が作られる、2)カルパインにより切断されて、塊を作りやすいTDP-43断片が作られる、という少なくとも二つの現象が起こることがわかります。これらの現象は、いずれも運動ニューロンに損傷を与える可能性があります。

これまでにみてきたように、運動ニューロンの中には、非常に強い神経活動によって大きな身体の動きを生み出すものがあり、そのような細胞では特に大きな電気的変化が起こります。このような激しい電気的な変化の中で、細胞の電位をコントロールするためには、とても大きいエネルギーが必要とされます。

次に、細胞内のCa2+イオンの濃度の調節や、エネルギーの供給に必須な、“細胞のバッテリー”とも呼ばれる、ミトコンドリアという膜で囲まれた小さい器官と、TDP-43の関係を見ていきたいと思います。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る(14)へ続く


出典

Asakawa, K., Handa, H. & Kawakami, K. Multi-phaseted problems of TDP-43 in selective neuronal vulnerability in ALS. Cell. Mol. Life Sci. (2021)