スプライソソームGTPアーゼEFTUD2欠損が引き起こすフェロトーシスは、プルキンエ細胞の変性を導く

2024-11-11 Mon
EFTUD2の欠乏が小脳プルキンエ細胞のフェロトーシス誘発による退行を引き起こす小脳は運動調節と高度な認知機能において重要な役割を果たしており、小脳プルキンエ細胞（Purkinje Cell、PC）の健康は小脳の機能維持に不可欠です。オルタナティブスプライシング（Alternative Splicing、AS）に基づく遺伝子調節は神経系の発達過程で重要な役割を果たし、特にPCの生存維持において重要です。研究では、スプライソソーム（spliceosome）やRNA結合タンパク質（RBP）の異常が、一連の神経発達および退行性疾患を引き起こし、PCの急速な退行を含むことが示されています。本研究の中心はEFTUD2遺伝子であり、これはスプライソソーム内の重要なGTPアーゼで、RNAスプライシング過程で不可欠な役割を果たします。以前の研究では、EFTUD2の変異が下顎顔面骨形成不全と小頭症（Mandibulofacial Dysostosis with Microcephaly、MFDM）と呼ばれる症候群を引き起こすことが示されています。この症候群は小脳形成不全と運動障害を引き起こしますが、EFTUD2の欠乏がこれらの症状を引き起こす具体的な分子メカニズムは明らかではありません。
本研究は、北京基礎医学研究所、山東大学など複数の機関からなるGuochao Yangとそのチームによって行われ、論文は《Neuron》誌に掲載されました。研究の目的は、小脳PCの成長と生存におけるEFTUD2の役割を明らかにし、それがフェロトーシス（ferroptosis）の抑制を通じてPC機能を維持する方法を探ることです。研究チームは、PC特異的EFTUD2ノックアウトマウスモデル（EFTUD2 cKO）を構築し、EFTUD2の欠乏が引き起こす細胞損傷のメカニズムを探索し、フェロトーシスの抑制がPC欠乏による退行性症状を救済できるかどうかを検証しました。
研究方法実験フローと設計本研究は、細胞から全体レベルまでEFTUD2の機能を研究するための複数の重要な実験ステップを含んでいます。
PC特異的EFTUD2ノックアウトマウスモデルの構築：
研究チームは、EFTUD2f/fマウスとL7-Creマウスを交配させ、PC特異的EFTUD2ノックアウトマウス（EFTUD2 cKO）を得ました。これらのマウスでは、EFTUD2が特異的にノックアウトされ、そのPCの構造と機能への影響を観察しました。
形態と機能の検出：
免疫蛍光染色と組織染色技術を用いて、研究者はEFTUD2 cKOマウスのPCの数と形態変化を検出しました。実験では、EFTUD2をノックアウトしたマウスの小脳が発達過程で体積が減少し、PCの数が顕著に減少し、運動調節障害が現れました。また、加速ローターロッド、バランスビームテストなどの行動学実験を行い、マウスの運動調節と社会的行動の変化を評価しました。
遺伝子発現と分子メカニズムの分析：
RNAシーケンシング（RNA-seq）と単細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）を通じて、EFTUD2のノックアウトが小脳PCの遺伝子発現に与える影響を分析しました。差異発現遺伝子の遺伝子富化分析により、EFTUD2 cKOマウスで脂質代謝、酸化ストレス、フェロトーシス関連遺伝子の発現に顕著な変化が見られました。
フェロトーシスシグナル経路の検出：
細胞内の活性酸素種（Reactive Oxygen Species、ROS）のレベルとミトコンドリアの形態を観察し、EFTUD2のノックアウト後、マウスのPCでROSレベルが顕著に増加し、ミトコンドリアの体積が縮小して破裂することが分かりました。これはフェロトーシスの典型的な特徴です。
フェロトーシス抑制実験：
EFTUD2の欠乏がPC死におけるフェロトーシスの役割をさらに検証するために、研究チームはマウスにフェロトーシス抑制剤のフェロスタチン-1（Fer-1）とビタミンE（Vitamin E）を投与しました。実験結果は、これらの抑制剤がPCの退行を効果的に緩和し、マウスの運動障害を改善することを示しました。
主な発見EFTUD2の欠乏がPCのフェロトーシスを引き起こし、小脳形成不全を導く：
EFTUD2 cKOマウスの小脳では、PCの数が顕著に減少し、小脳の萎縮が伴われました。この現象はMFDM患者の症状と類似しており、EFTUD2がPCの構造と機能の維持において重要な役割を果たすことを示しています。
EFTUD2は脂質代謝を調節してフェロトーシスを抑制する：
研究では、EFTUD2の欠乏が抗フェロトーシス遺伝子であるSCD1（ステアロイルCoAデサチュラーゼ1）とGCH1（GTPシクロハイドロラーゼ1）の発現低下を引き起こすことが分かり、単不飽和脂肪酸（Monounsaturated Fatty Acids、MUFAs）リン脂質と抗酸化活性を調節してフェロトーシスを抑制することが示唆されました。
p53非依存的経路を通じてフェロトーシスを抑制する：
実験では、EFTUD2の欠乏によって引き起こされるフェロトーシスがp53非依存的経路を通じて行われることが発見されました。p53は通常、細胞アポトーシスやフェロトーシスの調節において重要な役割を果たしますが、本研究結果は、EFTUD2がSCD1とGCH1のダウンレギュレーションを通じてp53シグナル経路に依存せずにフェロトーシスを抑制することを示しています。
EFTUD2ノックアウトがATF4のスプライシングエラーを引き起こし、抗フェロトーシス遺伝子に影響を与える：
RNA-seqと長鎖読み取りRNAシーケンシングにより、EFTUD2の欠乏がATF4（活性化転写因子4）遺伝子のスプライシングエラーを引き起こし、その機能が損なわれることが示されました。ATF4は直接SCD1とGCH1の発現を調節するため、このスプライシングエラーは抗フェロトーシス遺伝子の発現レベルをさらに低下させました。
フェロトーシスの抑制がPCの退行を効果的に改善：
EFTUD2 cKOマウスにフェロトーシス抑制剤を適用したところ、PCの生存率が顕著に向上し、運動行動も改善しました。また、EFTUD2とACSL4（長鎖アシルCoAシンテターゼファミリーメンバー4）のダブルノックアウトマウスも明らかな退行の緩和を示し、フェロトーシスがEFTUD2の欠乏によるPC退行において役割を果たすことをさらに証明しました。
研究の意義本研究は、小脳PCの生存におけるEFTUD2の重要な機能を明らかにし、EFTUD2がフェロトーシスを抑制することでPCの構造と機能を維持することを示し、MFDMや他の神経退行性疾患の潜在的な治療法に新たな視点を提供しました。EFTUD2はSCD1とGCH1の発現を調節することで細胞内の脂質過酸化とROSレベルを減少させ、全く新しいp53非依存的経路を通じてフェロトーシスの発生を防ぎます。研究結果は、フェロトーシス抑制剤の応用がEFTUD2の欠乏による小脳退行性疾患の治療法となる可能性を示唆しています。また、研究は小脳発達異常の検出と早期介入がMFDM患者に潜在的な臨床価値を持つことも示しています。
研究のハイライトEFTUD2がPCのフェロトーシス抑制における作用とそのメカニズムを発見：
PC特異的EFTUD2ノックアウトモデルを通じて、EFTUD2がp53非依存的経路を通じてフェロトーシスを抑制する分子メカニズムを初めて明らかにしました。
EFTUD2欠乏関連疾患の潜在的な治療手段としてフェロトーシス抑制剤を提案：
Fer-1やビタミンEなどのフェロトーシス抑制剤のマウスモデルでの良好な効果は、EFTUD2関連の退行性疾患に新たな治療の視点を提供しました。
神経系発達におけるフェロトーシスの重要性を探求：
本研究は、フェロトーシスと小脳の発達および運動調節機能障害を直接関連付け、神経発達および退行性疾患研究におけるフェロトーシスの応用範囲を拡大しました。
結論本研究は、EFTUD2の欠乏によって引き起こされるPCのフェロトーシス機構を解明し、フェロトーシスの抑制が持つ治療の可能性を提供しました。スプライソソームGTPアーゼEFTUD2とフェロトーシス経路の関係を研究することで、RNAスプライシングが神経細胞の生存と神経発達において重要であることをさらに明らかにしました。