気道前駆細胞と後継細胞のバランスを調整するミトコンドリアLonP1のコンテキスト依存的役割

2024-11-12 Tue
ミトコンドリア欠損気道前駆細胞 Bok発現 COPD LonP1 ストレス応答細胞不均衡
背景と問題

近年、細胞内でのミトコンドリアの多重機能に関する研究が大きく進展しています。ミトコンドリアは細胞のエネルギー源としてだけでなく、細胞の増殖、分化、自己更新などの過程でも重要な調節役を果たしており、特に幹細胞生物学や再生医学で広く注目されています。しかし、複雑な組織環境で、どのように細胞型がミトコンドリア欠陥に対して感受性を示すのか、また異なる細胞の行動がミトコンドリア欠陥の影響をどのように受けるのかは、いまだ謎のままです。本研究はLe Xu、Chunting Tanなどの科学者によって主導され、カリフォルニア大学サンディエゴ校、コロンビア大学、ボストン小児病院など複数の研究機関に所属し、2024年10月に『Cell Stem Cell』誌に発表されました。研究はLONP1（AAA+ Lon プロテアーゼ1）の不活性化がマウスの気道に引き起こすミトコンドリア機能欠陥、および異なる環境下での気道幹細胞および分化細胞への影響に焦点を当てています。この発見はCOPD（慢性閉塞性肺疾患）など呼吸器疾患の病理学についての理解を深化させただけでなく、ミトコンドリア損傷に対する特定の細胞型の独自の調節メカニズムを明らかにしました。
研究の出所と方法

著者らはCre-LoxPシステムを用いて、異なる細胞型でLONP1をノックアウトし、気道上皮前駆細胞および成熟した子孫細胞の構成と行動を系統的に観察しました。彼らは発達期と成人期のマウスでLONP1を抑制するためにshhCreとSox2CreERという2つの変異体を設計しました。実験にはETC（電子伝達鎖）タンパク質レベル、ROS（活性酸素種）生成、酸素消費率（OCR）、ならびに遺伝子トランスクリプトーム解析など複数のミトコンドリア機能評価が含まれ、LONP1欠失が気道細胞に与える影響を包括的に探りました。さらに、シングルセルRNAシーケンシング（scRNA-seq）を通じて、研究者はLONP1変異気道中の異なる細胞型の転写特性とシグナル経路変化を系統的に解明しました。
主要な研究プロセスと発見
LONP1が気道上皮前駆細胞と子孫細胞のバランスに果たす鍵役

分析では、LONP1がすべての発達および成人期肺細胞型に広く発現しており、上皮細胞、間質細胞、内皮細胞、免疫細胞を含むことが示されました。研究者たちは、LONP1欠失により気道前駆細胞の増殖と分化が妨げられ、発達期には終末分化線毛細胞のアポトーシスが現れ、恒常状態では基底細胞と杯細胞に置き換えられることを発見しました。さらに、LONP1欠失時、気道前駆細胞はインフルエンザウイルス感染後の損傷肺胞に移動できず、気道の修復が妨げられます。シングルセルトランスクリプトーム解析は、ATF4とISR（統合ストレス応答）経路が顕著にアップレギュレートされていることを示し、ISR経路の活性化は特定のBOKタンパク質の発現によって予測されました。研究結果は、LONP1欠失気道において大量の線毛細胞アポトーシスと前駆細胞/子孫細胞の不均衡が存在し、COPD患者の気道フェノタイプに類似していることを示しています。
ミトコンドリアタンパク質恒常性と健康の維持メカニズム

変異体マウスの肺組織をWestern blotで分析したところ、変異体肺ではETC複合タンパク質が著しく減少し、ROSレベルが上昇していることが分かりました。さらに、変異体肺ではミトコンドリアDNAコピー数が減少し、OCRが低下していることが示され、LONP1がミトコンドリアタンパク質恒常性とミトコンドリア機能の維持に不可欠であることが明らかになりました。さらに、Seahorseミトコンドリアストレステストの結果、成人変異体気道でミトコンドリア呼吸レベルが顕著に低下しており、LONP1欠失とミトコンドリア機能障害との関連を強く支持しています。
LONP1欠失によって引き起こされる気道細胞型の変換

免疫組織化学染色観察により、研究者はLONP1が欠失した発達期気道で正常な線毛細胞のマーカーがほとんど欠落し、大量の基底細胞特徴を示す細胞が出現したことを発見しました。成人変異体気道でも同様に、大量の基底様細胞の出現および杯細胞の著しい増加が観察されました。気道線毛細胞はLONP1が欠如している状態で特に脆弱であり、そのアポトーシス過程はミトコンドリア膜上のシトクロムCの放出と密接に関連しています。さらに、Cre-LoxPシステムの分段分析により、線毛細胞におけるLONP1失活が顕著に細胞の生存に影響する一方で、基底細胞と杯細胞への影響は少ないことが示されました。
ISR経路の活性化とそれが気道フェノタイプに与える影響

LONP1欠失に起因する分子変化を理解するため、著者はRNAシーケンス及び免疫組織化学分析を実施し、結果としてATF4、DDIT3などISR経路関連タンパク質の顕著なアップレギュレーションが示されました。このストレス応答は選択的に線毛細胞に作用し、小分子阻害剤ISRIBにより線毛細胞アポトーシスを部分的に逆転させることができます。さらに、遺伝子ノックアウト実験により、ATF4とDDIT3がLONP1欠失による線毛細胞アポトーシスの核心的な役割を果たしていることが証明されました。LONP1の欠失はISR経路を活性化するだけでなく、基底様細胞と杯細胞の異常増殖を引き起こし、これらの細胞はCOPD気道中で観察されます。
BOKがISR誘導アポトーシスで果たす重要な調節的役割

線毛細胞特異的アポトーシスの分子基盤をさらに明らかにするため、研究者はBOKが正常およびLONP1欠失線毛細胞の両方で高発現していることを発見し、遺伝子ノックアウト実験によりBOKがISR誘導アポトーシスの必須因子であることを証明しました。さらに、BOKが気道幹細胞で欠失するとATF4のアップレギュレーションが抑制され、BOKがISR経路とアポトーシス間の橋渡し役を果たしていることが示されました。
インフルエンザ感染後の幹細胞移動におけるLONP1の役割

インフルエンザウイルス感染実験では、LONP1欠失の気道幹細胞が損傷した肺胞領域に移動できないことが発見されました。マウス感染モデルを用いたさらなる研究では、損傷域の基底細胞におけるATF4の活性化が細胞移動を抑制することが示され、二重変異体実験（ATF4とBOKのノックアウト）によりISRが移動過程で抑制作用を果たすことが証明されました。
COPD病理におけるLONP1の潜在的な役割

COPD患者の気道組織でLONP1タンパク質レベルの低下が観察され、とくに鱗状上皮化生が発生している領域で顕著であり、この観察はマウスモデルのフェノタイプと高度に一致しています。これにより、LONP1がCOPDの病理メカニズムにおいて重要な役割を果たす可能性が示されます。
結論と意義

本研究は、気道前駆細胞および子孫細胞におけるLONP1の重要な機能を系統的に明らかにし、その欠失がISR経路を通じて特定の気道細胞型のストレス応答を誘導することを発見しました。LONP1は気道細胞型のバランスの制御および損傷修復応答において不可欠な役割を持ち、その欠失はCOPDに類似した気道フェノタイプを引き起こす可能性があり、COPD病理メカニズムのさらなる研究のための新しい視点を提供しています。研究はまた、BOKが細胞ストレスとアポトーシスの制御において重要な役割を果たしていることを明らかにし、LONP1またはBOKを標的とした治療戦略の開発のための重要な基盤を提供しています。総じて、本研究はミトコンドリアプロテアーゼLONP1が気道の健康維持に果たす多面的な役割と複雑な環境下での細胞行動調整における重要性を明らかにしました。