加齢によるtRNAGlu由来フラグメントはミトコンドリア翻訳依存性のクリステ組織を標的とし、グルタミン酸生合成を破壊する

学術的背景紹介

ミトコンドリアのクリステは内膜が内側に突出した構造で、加齢過程で顕著な形態変化を起こします。しかし、これらの変化を引き起こす分子メカニズムやその脳の加齢への寄与は不明確です。クリステの超微細構造の維持は、クリステに存在する呼吸酵素の正常機能に不可欠であり、クリステ構造が破壊されると内膜上の酵素活性が著しく低下します。グルタミナーゼ（GLS）はクリステに位置する重要な酵素で、グルタミン酸の生成を触媒し、ニューロン内環境のグルタミン酸レベルを維持します。最も豊富な神経活性アミノ酸および主要な興奮性神経伝達物質としてのグルタミン酸のレベルは、脳の加齢過程で徐々に低下し、しばしば記憶力の低下を伴います。

転移RNA由来小RNA（tsRNAs）は、様々なストレス下で成熟tRNAから生成され、多くの生理学的および病理学的プロセスに関与します。しかし、器官特異的なtsRNAの機能と分子メカニズムは今日まで完全には解明されていません。本研究では、核にコードされたtRNA Glu-CTC（tRNA Glu）由来のtsRNAである glu-50tsRNA-CTC の脳の加齢過程における役割とメカニズムを調査しました。

研究出典紹介

本研究は中国科学技術大学の丁峰立（Dingfeng Li）、高欣怡（Xinyi Gao）、馬小林（Xiaolin Ma）、王明（Ming Wang）、程船東（Chuandong Cheng）、薛田（Tian Xue）、高峰（Feng Gao）、沈勇（Yong Shen）、張娟（Juan Zhang）および劉強（Qiang Liu）らの研究者によって行われました。この研究は2024年5月7日に「Cell Metabolism」誌に掲載されました。

研究詳細紹介

実験設計とプロセス

本研究では、小RNA シーケンシング（RNA-seq）を用いて3ヶ月齢と22ヶ月齢のマウスの前頭前皮質（mPFCs）におけるtsRNAsの発現パターンを分析し、glu-50tsRNA-CTC が著しく増加していることを発見しました。ノーザンブロットを用いて glu-50tsRNA-CTC の老齢マウスmPFCsにおける蓄積を同定・検証し、in situハイブリダイゼーションと免疫蛍光実験を組み合わせてグルタミン作動性ニューロンにおける特異的蓄積を確認しました。

研究ではさらに、glu-50tsRNA-CTC の生成メカニズムを解明しました。RNA プルダウンと免疫共沈降（IP）を通じて、glu-50tsRNA-CTC がロイシルtRNA合成酵素2（LARS2）との結合を介してミトコンドリアに導入され、ミトコンドリア内でmt-tRNALeuのアミノアシル化を競合的に阻害し、ミトコンドリアのタンパク質合成を損なうことで、最終的にクリステ組織の損傷とGLSレベルの低下を引き起こすことが明らかになりました。

超音波電子顕微鏡（TEM）と定量的PCR（qPCR）を用いて、glu-50tsRNA-CTC を弱めることで老齢マウスのmPFCsにおけるクリステ組織の欠陥とグルタミン酸レベルの低下を緩和し、シナプス構造と記憶能力を著しく改善できることも発見しました。

主要研究結果

加齢による脳内 glu-50tsRNA-CTC の生成

RNA-seq 分析を通じて、tsRNA glu-50tsRNA-CTC が成熟tRNA Glu-CTCから血管生成リボヌクレアーゼ（Ang）による特異的切断によって形成され、老齢マウスのmPFCsで著しく蓄積することが発見されました。さらなる実験により、Angの脱リン酸化がその核-細胞質転移を誘導し、glu-50tsRNA-CTC の細胞質での生成と蓄積をもたらすことが示されました。

glu-50tsRNA-CTC のグルタミン作動性ニューロンのミトコンドリアにおける蓄積

研究では、glu-50tsRNA-CTC がグルタミン作動性ニューロンのミトコンドリアに特異的に蓄積することが発見され、この蓄積はLARS2を介した導入メカニズムによって達成されることがわかりました。RNA プルダウンと免疫共沈降実験により、glu-50tsRNA-CTC とLARS2の相互作用が検証され、LARS2のuua配列とLARS2のアンチコドンドメインがその相互作用の鍵であることが発見されました。

glu-50tsRNA-CTC によるmt-tRNALeu とLARS2の結合干渉およびmt-tRNALeu アミノアシル化の破壊

glu-50tsRNA-CTC の発現を増加させることで、lars2に結合するmt-tRNALeuが著しく減少することが発見されました。これは glu-50tsRNA-CTC が mt-tRNALeu とLARS2との結合において競合状態にあることを示し、mt-tRNALeuのアミノアシル化を阻害し、ミトコンドリアタンパク質の翻訳を破壊することを示唆しています。

glu-50tsRNA-CTC を介したミトコンドリア翻訳欠陥によるミトコンドリアクリステ組織の損傷

研究では、glu-50tsRNA-CTC の過剰発現またはLARS2の抑制がミトコンドリアタンパク質翻訳欠陥を引き起こし、ミトコンドリアクリステの正常な組織を破壊し、クリステ効率の低下とクリステ直径の増加をもたらすことが検証されました。逆に、LARS2の過剰発現がこれらの欠陥を緩和し、mt-tRNALeuのアミノアシル化とミトコンドリア翻訳を回復させることも発見されました。

正常なミトコンドリアクリステ組織によるGLS依存性グルタミン酸合成の維持

研究では、glu-50tsRNA-CTC がミトコンドリアクリステ組織とGLSタンパク質の安定性を損なうことで、ミトコンドリア内のグルタミン酸レベルを低下させることが発見されました。TEMによる観察と定量分析により、Glu-50tsRNA-CTCがGLSのユビキチン化と分解を引き起こし、さらにグルタミン酸レベルを低下させることが分かりました。プロテアソーム阻害剤を用いてGLSの分解を阻止できることが確認され、ユビキチン化メカニズムの関与が証明されました。

脳内 glu-50tsRNA-CTC レベルの低下による老齢マウスの記憶能力の改善

行動実験（モリス水迷路、物体認識、恐怖条件付け課題など）を用いて、glu-50tsRNA-CTC を干渉することで老齢マウスの空間記憶および文脈記憶を著しく改善できることが発見され、glu-50tsRNA-CTC が脳の加齢に関連する記憶力低下の重要な要因であることが示されました。

結論と研究価値

glu-50tsRNA-CTC の生成、蓄積、およびそのミトコンドリア翻訳依存性のクリステ組織を介したグルタミン酸生合成の干渉を検討することで、本研究は脳の加齢および記憶力低下におけるtsRNAsの病理学的役割を深く解明しました。同時に、glu-50tsRNA-CTC を標的としたASO治療戦略は、加齢関連の認知機能障害に対する潜在的な治療法を提供しています。この研究は脳の加齢の分子メカニズムに重要な科学的情報を提供するだけでなく、新しい治療法の開発にも重要な応用価値があります。