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光遺伝学でALSの謎を照らす(2)

(1)からのつづき

<本文>

ALS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、徐々に変性する神経の難病です。

運動ニューロンには、背骨の中をとおっている脊髄(せきずい)と筋肉を連結する「下位(かい)運動ニューロン」と、下位運動ニューロンに連結する脳の神経細胞「上位(じょうい)運動ニューロン」があり、ALSではこの両方が変性します。運動ニューロンが変性して筋肉の衰えが進むと、やがては身体を動かすことができなくなります。

9割以上のALSは遺伝しないタイプで、「孤発性(こはつせい)ALS」と呼ばれます。孤発性ALSでは、運動ニューロンにTDP-43と呼ばれるタンパク質が異常な塊として溜まることが知られています。残りの1割は、「家族性ALS」と呼ばれる遺伝するタイプです。家族性ALSのうちの4%では、TDP-43の変異が受け継がれていることが知られています。このことから、TDP-43の変異が原因で、ALSがおこりうることがわかります。しかし、孤発性ALS にはTDP-43の変異がみつからないので、TDP-43変異によっておこる家族性ALSと、孤発性ALSが同じ仕組みでおこるのか、現時点ではわかっていません。

健康な運動ニューロンとALSの運動ニューロン

では、TDP-43とは一体何でしょう?

TDP-43は、線虫からヒトまで多くの生き物の体のなかで共通して働いているタンパク質です。例えば、人間の体の中には2万種類の遺伝子があって、それぞれから異なったタンパク質が作られています。TDP-43は、この2万種類のうちの6,000のタンパク質を作りだすために働いていると考えられています。2万種類のタンパク質の設計図ともいうべき遺伝子情報(ゲノム)は、DNAと呼ばれる物質に書き込まれていて、細胞の中では、細胞核(さいぼうかく)とよばれる膜で囲まれた球形の区画に折り畳まれて収納されています(図、左)。健康な細胞では、TDP-43は細胞核に豊富に含まれていて、設計図を書き出してタンパク質を作り出す働きをしています。

ところが、ALSの運動ニューロンでは、TDP-43は細胞核の外に出て、細胞質(さいぼうしつ)と呼ばれる区画で異常な塊になっています(図、右)。健康な時にはTDP-43は細胞核に豊富に含まれていたのに、なぜ、ALSでは細胞質にあるのでしょうか? このTDP-43におこる変化を、人体で観察するよい方法は今のところありません。

この謎を解く為には、まず、健康な細胞でTDP-43がどのように働いているのか?について理解しなくてはなりません。これまでの研究から、TDP-43が以下のような性質を持っていることが明らかになっています。

1)TDP-43は細胞核に豊富だが、細胞核と細胞質を行ったり来たりしている

2)いくつかのTDP-43分子が集まることで、TDP-43としての機能がうまれる

3)TDP-43は、細胞質でどんどん分解されている

一般に、タンパク質は、アミノ酸が数珠つなぎになって作られます。タンパク質の材料となるアミノ酸は20 種類あって、アミノ酸をつなげる順番と長さがDNAの設計図に記されています。TDP-43は、414個のアミノ酸が連なってからできています。どうやら、上にあげた3つTDP-43の性質は、414個のアミノ酸の中でも、先頭の100個のアミノ酸のつながりを上手に使うことで生まれている、という証拠が集まってきています。

100個のアミノ酸という小さな領域を、どのように使ったら、このような多彩な性質が生まれるのか、という問題は、現在の最先端の研究課題です。

光遺伝学でALSの謎を照らす(3)につづく

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今年の初めに発表した光遺伝学ALSモデル(Asakawa, 2020)について、まとめとこれからの展望をPerspective記事としてNRR誌に発表しました。記事をもとに、説明を付け加えて和訳しました。

【出典】

Do not curse the darkness of the spinal cord, light TDP-43. Asakawa K, Handa H, Kawakami K (2021) Neural Regen Res 16(5):986-987.

光遺伝学でALSの謎を照らす(1)

今年の初めに発表した光遺伝学ALSモデル(Asakawa, 2020)について、まとめとこれからの展望をPerspective記事としてNRR誌に発表しました。

このPerspectiveは、春のStay-at-home期間に執筆しました。タイトルは、中国のことわざ、「Don’t curse the darkness; light a candle. 暗闇を呪うより、ロウソクを灯そう」から頂きました。様々な方面で困難な時期が続きますが、この光遺伝学ALSモデルが、ALS研究の発展の一筋の光になるように研究を進めたいと思います。

ALSについて、日本語よりも英語で書かれた情報のほうが圧倒的に多いと感じます。自分の論文ですが、専門家ではない方にも読みやすい様に心がけて、説明、意訳を加えながら和訳してみました。何回かに分けてブログに掲載したいと思います。


Do not curse the darkness of the spinal cord, light TDP-43

光遺伝学でALSの謎を照らす(1)

要旨

脳や脊髄(せきずい)にある神経細胞の形や機能が、だんだんと失われてゆく(変性する)病気を神経変性疾患(しんけいへんせいしっかん)と呼びます。神経変性疾患には、人体を作るおよそ2万種類のタンパク質のうちの一つ、TDP-43(ティーディーピーよんじゅうさん)と呼ばれるタンパク質が、異常な塊を作るグループがあります。ALS(エイエルエス、筋萎縮性側索硬化症、きんいしゅくせいそくさくこうかしょう)は、このグループに含まれます。

ALS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」が変性します。変性した運動ニューロンに、異常なタンパク質の塊が溜まることは古くから知られていました。この塊がTDP-43を豊富に含んでいることが発見されたのは、今からおよそ14年前、2006年のことです。

この異常なTDP-43の塊は、ALSの90%以上で検出されます。一方で、TDP-43の塊が溜まることが原因で運動ニューロンが変性するのか?あるいは、運動ニューロンが変性した結果、TDP-43の塊が溜まるのか?については明らかにされていませんでした。TDP-43の塊と運動ニューロンの変性の因果関係の検証は、ALSの原因究明と治療法の開発を進めるための重要な研究課題として残されていました。

ALSの状態に似たTDP-43の塊を細胞に作らせることは、技術的にとても難しいことでした。この大きな壁は、2017年に、光を照射してタンパク質を結合させる方法(OptoDroplet法、ここでは光ドロップ法と呼びます)が開発されると徐々に崩れ始め、TDP-43の塊と運動ニューロンの変性の因果関係を検証する道が拓かれはじめました。2019年には、シャーレで培養した細胞の中で、光ドロップ法をつかってTDP-43同士を結合させると、TDP-43の塊が形成されて、細胞に障害が現れることが報告されました。

このPerspective(展望)では、私たちが光ドロップ法を応用しておこなった生体内の運動ニューロンでTDP-43同士を結合させる実験(Asakawa, 2020)で発見した、新しいTDP-43の性質ついて紹介したいと思います。

私たちは、からだの組織が透明なゼブラフィッシュという熱帯魚を使って、運動ニューロンの中でTDP-43同士の結合を促したときに、運動ニューロンに現れる変化を時間を追って、詳しく観察しました。その結果、光を使ってTDP-43同士を結合させて、徐々にALSの状態に似たTDP-43の塊へと発達させると、塊が形成される前に、既に運動ニューロンが障害を受けることが明らかになりました。この発見は、ALSではこれまで考えられてきたよりも早い段階で、「異常なTDP-43」によって運動ニューロンが侵されている可能性を示唆しています。

この塊へと発達する前の「異常なTDP-43」とは何か?これを理解することが、ALSの原因究明と治療法の開発の鍵を握っていると考えられます。

(つづく)

【出典】

Do not curse the darkness of the spinal cord, light TDP-43. Asakawa K, Handa H, Kawakami K (2021) Neural Regen Res 16(5):986-987.

図1より

釣れない日もある

執筆を分担した「ゼブラフィッシュ実験ガイド」(朝倉書店)が出版されました。ライブイメージングの章を担当しました。

私は、酵母菌という単細胞生物を使って細胞が分裂する仕組みを研究していましたが、その流れを汲んで、ゼブラフィッシュを使いはじめてからすぐに、将来、脳の神経細胞になる神経前駆細胞(しんけいぜんくさいぼう)と呼ばれる細胞の分裂の様子を直接観察することに取り組みました。程なくして、微小管(びしょうかん)と呼ばれる細胞の骨格を蛍光で可視化することで、生体内で細胞が分裂する様子を直接観察(ライブイメージング)することに成功しました(Asakawa, 2010)。

脳の神経前駆細胞が分裂する様子(Asakawa, Dev Dyn 2010

しかし、周囲が盛り上がっている研究テーマの近くにいても、自分の中から湧き上がった疑問がないと、なかなか力は出ないでしょう。それどころか、多細胞生物の研究が初めてだった私は、細胞がある程度死んでも動物自体はびくともしないことに素人的なショックを受けて、なかなかいい疑問を設定して研究を深めることができませんでした。それまで単細胞の分裂に関わる個々の遺伝子機能に囚われすぎて、細胞分裂を広く大きいコンテクストで考えてこなかったツケです。

このような私の黒歴史は、本書にはもちろん書かれていませんが、脳の神経前駆細胞の分裂の観察などを例に、ライブイメージングの基本的なコツが書かれています。あと、本書には書けませんでしたが、ライブイメージングを行うときに、私が一番必要と考えるのは、「忍耐」あるいは「気長さ」でしょうか。大事なのは、「釣れない日もある」を受け入れて、期待した結果が出ない時もめげないことです。

ということで、本書の図を改変した挿絵です。

上流にさかのぼる

全身の筋肉が衰えてしまうALS(エイエルエス、筋萎縮性側索硬化症)という病気は、原因がよくわかっていませんが、筋肉の伸び縮みをコントロールする「運動ニューロン」と呼ばれる神経細胞が徐々に働かなくなってしまいます(“変性”するといいます)。ALSの9割では、運動ニューロンの中にTDP-43(ティーディーピー43)というタンパク質の塊が蓄積することが知られています。ですので、TDP-43が作る塊が何かしら悪さをして、運動ニューロンが変性するのではないか、と予想できますが、このことは未だ明確な答えがでていない大切な問題です。

例えば「かさぶた」を想像してみると、事態はそう単純ではないことがわかります。かさぶたは、傷のあとにできますが、かさぶたを傷の原因と考える人はいないでしょう。むしろ、傷を治しています。これを疑う人がいないのは、傷→出血→かさぶた→治癒、の順番がわかってるからです。TDP-43の塊の形成と運動ニューロンの変性を、傷とかさぶたのような順番に並べることが、いまの知識では難しいのです。したがって、TDP-43の塊は、実は運動ニューロンが異常なTDP-43を取り除いて損傷を治そうとした痕跡かもしれない、という説も否定できないのです。予断はできませんが、もしかしたら、TDP-43の塊の形成と運動ニューロンの変性を、一つの時間軸上に並べられない可能性もあります。この問題は、TDP-43の塊の形成を阻害することが、ALSの治療法となるか、を考える上でとても大切な問題です。

昨年から今年にかけて、我々のグループの研究も含めて、青い光を吸収すると集合し、やがて塊を形成するTDP-43が開発され、光を照射することで徐々にTDP-43を集合させて、塊を形成させると、細胞が損傷を被ることが明らかにされました。我々の研究では、この損傷の少なくとも一部は、塊が形成される前にTDP-43が発揮する毒性によることが明らかになりました。一方、TDP-43の塊が形成される前に毒性が発揮されるので、塊に毒性があるのか、ないのか、を判定することが難しいことがわかり、依然として謎のままのこされました。TDP-43の塊が、病気の原因なのか、あるいは、かさぶたのように神経細胞のキズを癒そうとした結果できるものなのか、ALSの原因を探る上で今後の重要な研究課題です。

前置きが長くなりましたが、このことを書いたのは、今週発表された興味深い論文について書き留めて置きたかったからです。

上流にさかのぼる

TDP-43が活性酸素によって酸化され、酸化されたTDP-43は集合しにくくなるという論文です。活性酸素は、細胞のエネルギーを産生するミトコンドリアという器官からたくさん放出されるので、ミトコンドリアの周辺では、TDP-43は集合しにくいのかもしれません。もしこの予想が正しければ、ミトコンドリアの機能不全でエネルギーが産生しにくくなると、TDP-43が集合し、やがては塊を形成する方向に向かう可能性が考えられます。TDP-43の集合状態は、運動ニューロンのエネルギー環境を反映している可能性が示唆されます。今後生体内での検証が必要ですが、TDP-43の集合のさらに上流に向かう研究成果、すなわち、「なぜ、ALSになるのか」という問いに向かう重要な研究成果と思われます。

一般に、研究では結果を追跡するほうが簡単で、原因を追求するのは難易度が高いです。難しい課題ですが、果敢に上流に登っていく研究が必要です。

酵母菌について

今週は、2つの出来事があり、酵母菌に思いを馳せました。大学院生の時に、酵母菌を実験材料に使って、細胞分裂(細胞周期)を研究しました。酵母菌は、研究における心の故郷です。


1つ目の出来事は、今週初めて参加した領域会議。大学院生の時に、細胞周期はとても忙しい分野でしたが、オートファジーとよばれる細胞のリサイクル現象も分子メカニズムが分かり始め、急速に分野が拡大していた時期だったと思います。細胞周期もオートファジーも、酵母をつかった研究から分子メカニズムが解明され、発展した分野です。酵母研究は、陸上種目で例えるならば、オリンピックの100m走でしょう。生き馬の目を抜くような戦いに勝ち続けている百戦錬磨のソルジャーがひしめいています。今週、私があった研究者は、この20年間戦いを勝ち抜いてきた研究者たちでした。私は異分野由来ですが、鍛えていただいて、研究を発展させたいと思います。


2つ目は、細胞分裂研究の巨人、Amon博士の突然の早すぎる訃報に接したことです。学生時代、酵母をつかった研究で、テーマが重なりました。もちろん競争にはなりません。いわば象とアリの勝負で、大変な痛みを味わいましたが、筆頭著者の類い稀なる才能で、我々も論文を発表できました。20年ぐらい経って思い返してみると、なん度も読み返したAmon博士の論文は、私にとっては遺伝学と細胞生物学の教科書であり、研究の楽しさやスリルを早いうちに体験させていただいたと感じます。また、昨年発表された細胞成長と老化の論文は、私が分野を変えて現在取り組んでいる神経変性の研究にも深い示唆を与えてくれます。ついに直接お会いすることもなかったですが、あったこともないのに地球の裏側までこれだけ多くのものを与えてくれるのは、サイエンスのすごいところです。また、サイエンスを楽しむ時間には人それぞれに限りがあるとも考えさせられました。今日1日を大切にしたいと思います。

深い感謝とともに、心よりご冥福をお祈りいたします。

Yoshida et al., Current Biology 2002 より転載。https://doi.org/10.1016/S0960-9822(02)00870-9

こだまチェック

コロナウイルスで学会などへの出張が減って、スライドでの発表機会も例年より減少傾向です。それでも年末にかけて、オンラインでの発表の機会がいくつかあり、楽しみです。出張の時は、可能な限り新幹線こだまを利用して、スライドを整える習慣でしたが、オンラインではこの「こだまチェック」の時間無しでいきなり学会が始まるので、事前のチェックに気をつけなくてはなりません。

ガー・レイノルズ著「プレゼンテーションZENデザイン」という本を読んでから、スライド作りが改善されたと感じます。もう10年以上前の本ですが、情報量がどんどん増えていく現代にあっては、勉強になる点が、かえって増していると感じます。冒頭に、デザイナー思考のための14カ条というのがあり、全部ではなく、数個だけでもチェックする甲斐はあります。例えば、第5条、エゴを抑える。デザインの主役は自分ではなく使う人、という考えは、あれもこれも詰め込みたい、学会直前の自己中心的な頭に、ブレーキをかけてくれます。「使う人」とは、プレゼンの場合、聴衆を指します。

「こだまチェック」の時間が短い時は、各スライドがスクリーンに投影された時、最初に聴衆はどこを見るか、だけチェックします。この視線の誘導が上手に行っている(と自分が感じる)スライドは、わりと楽に話せます。例えば、最近iPadで描いたゴッホの星月夜(The Starry Night)の細胞版パロディー、The Stirry Cytoplasm「攪拌(かくはん)細胞質」(by G翻訳)。このスライドが現れたとしたら、視線は右上の月に集まりやすいでしょう。ポイントは、月が明るいこともあるのですが、それと同じぐらいか、それ以上に、月以外の色が暗いというのが重要です。これも、上述の本に書いてある、余白や背景の使い方につながると思います。また、必要以上に視線が行ったり来たりしないように、と想像することで、視線に留まらなそうなもの、あるいは、視線の動きを邪魔しそうなもの(読む必要がないのに派手な色でかいてある文字など)はどんどん削り、スライドは自然にシンプルな方向にいきます。

The Stirry Cytoplasm「攪拌(かくはん)細胞質」

さて、The Stirry Cytoplasmをいつか、一枚目のスライドに使ってみたいと思っています。この夜明け前の夜空を、細胞質にひしめく非膜系オルガネラととらえれば、月は病的なタンパク質・RNA凝集体です。1枚目のスライドは、演者の紹介の間などに、聴衆に長時間みてもらえる可能性があります。教科書的には、「これから始まるトークの最良のイントロとなる、最も効果的な一枚を据えるべき」、ですが、私は上手にできないので、数年前に共感を諦めました。今はとにかく、注意をひくものをよしとする考えです。その結果、現在は、魚に青い光を照射すると泳ぎ出す光遺伝学の動画を示します(下の動画)。これによってまず、光で動物の行動を操作できる、ということを感じていただきます。トークの後に、「あの光で魚が泳ぐやつはいいね」、と言いてくれる人が少なからずいて、この場合、たとえトークの内容が理解されていなくてもOKとします。失敗する可能性もありますが、The Stirry Cytoplasmは、ほとんどゴッホだけど、よく見ると細胞、ということで失笑してリラックスしていただければと思います。オンラインでは、失笑が聞こえないのが難点ですが。。

zebrafish optogenetics / ゼブラフィッシュ光遺伝学