Kazuhide Asakawa

（５）からの続き

TDP-43は、414個のアミノ酸が数珠つなぎになってできるタンパク質です。

この414個のアミノ酸は、ある程度決まった形に折りたたまれる領域と、一定の形をとらずに柔軟に形を変える領域があります。

TDP-43のはじめの100アミノ酸ほどの領域が折りたたまれると、自分自身と会合する性質を発揮します。この性質を利用して、TDP-43同士は互いに結合することができます。この性質に加えて、この領域には、細胞内のどこにTDP-43を運んだらよいのか、あるいは、TDP-43を分解するのか、しないのか、などの情報が書き込まれていることがわかってきています。つまり、自分自身と会合したり、細胞内を運ばれたり、分解されたり、といったTDP-43分子の性質は、お互いに影響し合っていると予想できます。このような複雑に入り組んでいるTDP-43の制御の仕組みは、徐々にあきらかにありつつあります。

はじめの100アミノ酸に続く、次の150アミノ酸には、RNAと結合する性質をもった領域を2つ含んでいます。この2つのRNA結合領域は、それぞれ異なる性質をもったRNAに親和性をもっていて、細胞内の状況に応じて、TDP-43が結合するRNAを変化させる為に、使い分けられています。また、この領域のアミノ酸が遺伝子変異などによって変化すると、TDP-43がRNAと結合しにくくなり、異常なTDP-43の塊が生まれやすいことが知られています。このことから、RNAと正常に結合できなくなることが、ALSで見られるような異常なTDP-43の塊が生まれる原因である、と一説には予想されています。

RNAとの結合領域に続く、残りの150アミノ酸は、アミノ酸の組成が偏っていて（グルタミンやアスパラギンが多く含まれる）、アミノ酸同士の強い結合で決まった形に折りたたまれるのではなく、弱い結合を利用して状況に応じて柔軟に形を変化させる性質があります。この性質から、天然変性領域（てんねんへんせいりょういき）と呼ばれています。弱い結合を利用して集合することで、液体のように振舞うことができます。あたかも、水分子が弱い力で結合すると液体（みず）として柔軟に形を変えることができるように、TDP-43が液滴として振舞う為に、この天然変性領域を介した弱い結合が、重要な役割を果たしていると考えられています。

筋萎縮性側索硬化症（ALS）は、一つの遺伝子の変異が原因となって発症するケース（ALSが遺伝するケース）は、ALS全体の10%に満たないとされています。この10%に満たない遺伝性のALSのごく一部に、TDP-43の変異が原因となって発症するケースが報告されています。このようなTDP-43変異は、ほとんどの場合、天然変性領域のアミノ酸が別のアミノ酸に変化する変異であることがわかっています。したがって、液体のように柔軟に形を変化させるTDP-43の性質に何らかの異常がおこることが、ALSの発症と密接に関わっているのではないか、と予想されています。

次は、TDP-43が、細胞の中で作る液滴について紹介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（７）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)

（３）からの続き

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、徐々に形や機能を失って、やがては体を動かすことができなくなってしまう病、筋萎縮性側索硬化症（ALS）で、TDP-43というタンパク質が異常な塊となって運動ニューロンに溜まることを、前回のブログで触れました。

次に、細胞の中のTDP-43から、身体の中のTDP-43へと、視点を少し広げてみます。

ALSで運動ニューロンが顕著に障害を受けることに、TDP-43がどのように関係するのかを理解する上で、忘れてはならないのが、実は、TDP-43は、運動ニューロンでだけでなく、私たちの身体を作る様々なタイプの細胞で働いている、という事実です。つまり、TDP-43は全身で働いているのです。

神経細胞の形や機能が徐々に失われていく病気を神経変性疾患（しんけいへんせいしっかん）と呼びますが、ALSの他にも、たとえば、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病などが知られています。これらの神経変性疾患でも、障害を受ける神経細胞や脳領域に異常なタンパク質の塊が蓄積することが知られていますが、蓄積するタンパク質は障害を受ける細胞や領域でのみ働いているのではなく、様々なタイプの細胞で働いています。

ALSで運動ニューロン”だけ”が顕著に障害を受けるという不思議な現象を、TDP-43の異常な塊が蓄積するという視点から、どのぐらい説明できるのか、まだわかっていません。

この問題を解くためには、運動ニューロンの中のTDP-43を研究することが理想的です。しかし、運動ニューロンは、遺伝情報が入った細胞核を背骨の中に走っている脊髄という組織のなかに持っていて、そこから、軸索（じくさく）という細長いケーブルを、体を覆う筋肉にむかって伸ばして接続しています（図）。このように、運動ニューロンは、形が複雑で大きい細胞なので、TDP-43を観察しにくい、という難点があります。このことが主な原因となって、運動ニューロンの中のTDP-43の解析はほとんど実現していません。

ALSで運動ニューロンが顕著に障害を受けることと、TDP-43の異常な塊との間にどのような関係があるのかを理解するには、

• 健康な細胞で、TDP-43がつくる液滴がどのような働きをしているのか？
• 正常に働いていたTDP-43が、どのように正常さを失っていくのか？
• そのようなTDP-43の病変を引き起こす細胞内や細胞外の要因はなんなのか？

という重要な研究課題を、一つ一つ解決していく必要があります。

このようなチャレンジを頭に思い描きながら、この総説では、まず、TDP-43の分子の構造と機能について解説します。次に、細胞や動物モデルを使ったたくさんの研究で明らかになってきたTDP-43液滴の機能や性質を議論します。そして最後に、運動ニューロンで働くTDP-43の特有の性質に着目することで、ALSで運動ニューロンが顕著に障害を受けるという不思議な現象をどのぐらい理解できるのか、という問題を議論したいと思います。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る（５）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)

（２）からの続き

人間の体の中で働くTDP-43タンパク質によく似たタンパク質が、線虫、ハエ、魚、マウスの体の中でも働いています。このことは、TDP-43が進化の過程で受け継がれてきたタンパク質であることを示しています。TDP-43は、遺伝子情報が記されているDNAや、DNAのコピーであるRNAに結合することで様々な機能を果たしています。DNAがRNAにコピーされる転写や、転写によって合成されたRNAを編集したり、運んだりする機能、ウイルスが細胞内に侵入したときに応答する機能、DNAに損傷が起こった時に修復する機能、DNAやタンパク質が集まって作られる染色体という構造の維持、など、その機能は多岐に渡ります。

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筋萎縮性側索硬化症（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、形や機能を徐々に失います。実に97％以上のALSでは、TDP-43が異常な塊を形成して、運動ニューロンに蓄積していることが知られています。なぜ、TDP-43がALSでは、異常な塊になってしまうのか？この謎を解くには、まず、TDP-43タンパク質の分子の性質を理解する必要があります。

人間がもっている2万種類の遺伝子のうちの一つに、TDP-43をどのように作るか記されています（この遺伝子は、TDP-43遺伝子、または、TARDBP遺伝子と呼ばれています）。そこには、20種類のアミノ酸を、ある決まった順番で414個数珠つなぎにして、タンパク質を作る方法が記されています。この指令がRNAにコピーされて、指令に従って414個のアミノ酸がつながり折りたたまれると、

（１）TDP-43分子同士が結合する領域

（２）RNAに結合する領域

（３）決まった構造をとらないで柔軟に形を変える領域

という3つの特徴的な領域をもった、タンパク質がつくられます。これが、TDP-43です。

興味深いことに、ほとんどのALSでは、TDP-43をつくる414個のアミノ酸の配列に異常はありません。アミノ酸の配列は正常なのに、何かのきっかけで、TDP-43が異常な塊になってしまうのです。いっぽうで、414個のアミノ酸の配列に異常があるタイプのALSも、稀ですが、知られています。こういったケースを調べてみると、アミノ酸の配列の異常は、上に挙げた（３）の、決まった構造をとらないで柔軟に形を変える領域、に起こっていることが知られています。

このような知見から、TDP-43に備わっている、柔軟に形を変化させる性質が異常になると、細胞内で異常な塊となってしまうのではないかと予想されています。また、このようなTDP-43の変化が、ALSと密接に関わっているのではないか、と考えられています。

この柔軟に形を変える領域は、天然変性領域（てんねんへんせいりょういき）とよばれています。英語では、IDR（Intrinsically Disordered Regionの略）と呼ばれていますので、これからIDRと呼びます。健康な細胞では、TDP-43は、時にTDP-43同士が結合し、またある時は他の様々なタンパク質やRNAと結合しながら、IDRを利用して、まるで、水に浮かぶ油滴のごとく、しずく状の構造（液滴）を作って柔軟に形を変化させています。この液滴を作る性質が、TDP-43の多様な機能を支えていると予想されています。

細胞が、いったいどのようにしてこのような変幻自在のTDP-43の振る舞いをコントロールしているかについては、現在のところ、謎に包まれたままです。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る（４）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)

（１）からの続き

序章

私たちが考えたり、感じたり、行動したりするときには、脳の中に無数にある神経細胞とよばれる細胞が、頻繁に信号を発して情報のやりとりをしています。脳が発する信号は、背骨の中を通っている脊髄（せきずい）という組織を介して、身体に伝えられます。脳と脊髄の神経細胞が正常に発達しなかったり、あるいは、大人になってからまだ身体は元気なのに、神経細胞の形や機能が異常になってしまう病気が知られています。こういった病気の多くには、正常な神経細胞にはない、異常なタンパク質の塊が溜まる、という特徴があります。このタンパク質の塊とはなんでしょう？

このことを考える前に、まず、細胞の中で、タンパク質がどのように作られるのか、考えてみます。

人間の身体の設計図ともいうべき遺伝子の一揃い（ゲノム）は、DNAという物質に書き込まれていて、その数は、およそ2万種類と言われています。この設計図は、4種類の物質（仮に、A、T、G、Cの文字で表します）の並びによって記されています（下の図）。このDNAの配列が、DNAとよく似たRNAという物質にコピーされます（転写されます）。RNAにコピーされたA、T、G、Cの配列情報は、3つの文字の区切りごとに意味を持っていて、3つの文字が1つのアミノ酸に対応しています（DNAのTは、RNAではUに変換されます）。例えば、GCAというRNAの3文字はアラニン、UCUはセリンというアミノ酸を指定します。このようにして、RNAにコピーされたDNAの配列情報は、順番にアミノ酸が数珠つなぎになったものへと変換されます（翻訳されます）。こうして出来上がった数珠つなぎのアミノ酸こそが、タンパク質です。このように、転写、翻訳という流れに沿って、遺伝情報は読み出され、使われます。2万種類の遺伝子があるということは、タンパク質の種類も多様です（なかには、翻訳されないRNAをつくる遺伝子もあります）。

では、この概念としての遺伝情報の流れは、細胞という空間のなかでは、どのように流れているのでしょうか。まず、DNAは、細胞核（さいぼうかく）とよばれる膜で隔てられた球形の区画に納められています。ですので、DNAからRNAへのコピー（転写）は、細胞核の中で行われます。転写によってできたRNAは、細胞核を出て、細胞質（さいぼうしつ）という細胞核の外側のスペースに運ばれます。この細胞質で、RNAからタンパク質への変換（翻訳）が行われます。RNAの翻訳によってつくられるタンパク質は、タンパク質になってから自分の仕事場に移動する場合も知られていますが、多くの場合、タンパク質の仕事場にRNAをあらかじめ運んでおいて、そこで翻訳を行うという合理的な仕組みがあることが知られています。

さてここで、下の図を見てみます。左側にあるような単純な形の細胞なら、前もってタンパク質の仕事場にRNAを運ぶことは、容易かもしれません。一方で、右側に示したように、神経細胞のほとんどは、情報を運ぶという性質上、全体としては細長くて、その細長い細胞の両端には、他の沢山の神経細胞と接続するために、複雑な突起を沢山持っています。例えば、人間では足の動きをコントロールする脊髄の神経細胞に、直接接続する脳の神経細胞が知られています。身長か高い人なら、その長さは１メートル近くになるかもしれません。神経細胞は、情報を受け取ったり、受け渡したりするためのタンパク質を、あらかじめタンパク質の仕事場にRNAを運んでから、翻訳することが知られています。この“あらかじめタンパク質の仕事場にRNAを運ぶ”という役目は、神経細胞のような複雑な形をした細胞では、特に大切なことは想像に難くないでしょう。

さて話を、神経細胞に異常なタンパク質の塊が溜まる病気、に戻します。実は、この異常な塊を作るタンパク質には、“あらかじめタンパク質の仕事場にRNAを運ぶ”という役目を担っている場合があることがわかってきました。このようなタンパク質は、自分自身がRNAの翻訳によって作られると、今度は他のタンパク質を作る為のRNAと結合して将来“正しい場所”で翻訳されるように、RNAを運ぶ手助けをします。このような性質をもったタンパク質は、数多く存在し、RNAと結合することで、細胞核や細胞質で、水の中にある油滴のように液体状のドロップを作ったり、場合によっては、さらに硬い固体のように振舞いながら、RNAが適切な時間と場所でタンパク質に翻訳されるのを助けています。この柔軟に形や質を変化させる性質が、神経細胞に異常なタンパク質の塊が溜まる病気に深く関わっているのではないか、と考えられるようなってきました。本来は、柔軟に形を変えることができるRNAとタンパク質が、何らかの原因で、共に氷のように固まってしまうのか。あるいは、本来はRNAと結合して柔軟に形を変えることができるはずだったのが、なんらかの原因でRNAと結合できず、タンパク質だけで塊になってしまうのか。

この総説で着目するTDP-43（ティーディーピー43）というタンパク質は、転写から翻訳に至るまでRNAと結合して正常な場所でタンパク質が作られるように助ける機能を持っています。TDP-43は、2万個の遺伝子のうちの6,000遺伝子（全遺伝子の30％）から作られるRNAに結合すると言われています。神経細胞の一つである、運動ニューロンに異常なタンパク質の塊が溜まる病気の一つとして知られる筋萎縮性作硬化症（ALS）では、このTDP-43の異常な塊が蓄積します。TDP-43がRNAと共に液体や個体のように振舞う性質から、ALSの原因を探ることができるのでしょうか。

細胞に凍てる雫、TDP−43液滴とALSの接点を探る（３）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)