POLDIP2はROSを介したZO-1のリン酸化と局在を調節することで脳血管透過性を制御する

背景紹介

血液脳関門（Blood-Brain Barrier, BBB）は中枢神経系（Central Nervous System, CNS）の重要な構成要素であり、脳内皮細胞、アストロサイト、周皮細胞、およびニューロンによって形成されています。脳内皮細胞は密着結合（Tight Junctions, TJs）を介して連続的な物理的バリアを形成し、血液から脳組織への物質の透過性を調節しています。密着結合の主要な構成要素には、膜貫通型タンパク質（occludinやclaudinsなど）と足場タンパク質（ZO-1、ZO-2、ZO-3など）が含まれ、特にZO-1はTJの構造と機能の維持に重要な役割を果たしています。研究によると、酸化ストレスはZO-1のチロシンリン酸化を誘導し、細胞間接合部からの解離を引き起こすことで、血液脳関門の完全性を破壊することが示されています。

POLDIP2（Polymerase Delta-Interacting Protein 2）は多機能タンパク質であり、最初にDNAポリメラーゼδおよび増殖細胞核抗原（PCNA）と結合することが発見されました。近年の研究では、POLDIP2がミトコンドリア活性酸素種（Reactive Oxygen Species, ROS）の生成と細胞骨格ダイナミクスの調節に重要な役割を果たすことが示されています。しかし、POLDIP2が脳内皮細胞においてどのように作用し、血液脳関門の透過性を調節するかについてはまだ不明です。本研究は、POLDIP2がZO-1のリン酸化と局在を調節することで脳内皮細胞の透過性を制御する分子メカニズムを明らかにすることを目的としています。

論文の出典

本論文は、Keke Wang、Hongyan Qu、Ruinan Huらによって共同執筆され、研究チームはEmory University School of MedicineやXi’an Jiaotong Universityなどの機関に所属しています。論文は2025年にCell Communication and Signaling誌に掲載され、タイトルは「Polymerase delta-interacting protein 2 mediates brain vascular permeability by regulating ROS-mediated ZO-1 phosphorylation and localization at the interendothelial border」です。

研究の流れと結果

1. 内皮細胞特異的POLDIP2ノックアウトマウスモデルの構築と検証

研究チームはまず、内皮細胞特異的POLDIP2ノックアウトマウス（POLDIP2 EC-/-）を構築し、脳虚血モデルを用いて血液脳関門の透過性への影響を評価しました。実験結果から、POLDIP2 EC-/-マウスでは脳虚血後のEvans Blue染料の漏出が著しく減少し、POLDIP2のノックアウトが血液脳関門の完全性を保護することが示されました。

2. POLDIP2ノックダウンが脳内皮細胞の透過性に与える影響

体外実験では、研究チームはラット脳微小血管内皮細胞（RBMECs）をモデルとして使用し、siRNAを用いてPOLDIP2の発現をノックダウンし、腫瘍壊死因子α（TNF-α）によって誘導される内皮細胞の透過性への影響を評価しました。実験結果から、POLDIP2のノックダウンはTNF-αによって誘導される内皮細胞の透過性の増加を有意に抑制することが示されました。さらに、免疫蛍光実験により、POLDIP2のノックダウンがTNF-αによって誘導されるZO-1の細胞間接合部からの解離を防ぐことが確認されました。

3. POLDIP2の過剰発現が脳内皮細胞の透過性とZO-1の局在に与える影響

POLDIP2の役割をさらに検証するため、研究チームはアデノウイルスベクターを用いてRBMECsでPOLDIP2を過剰発現させました。実験結果から、POLDIP2の過剰発現は内皮細胞の透過性を著しく増加させ、ZO-1の細胞間接合部での局在を減少させることが示されました。さらに、POLDIP2の過剰発現は細胞内のH2O2生成を著しく増加させました。

4. 抗酸化剤NACがPOLDIP2によって誘導されるZO-1の解離を抑制する効果

POLDIP2がZO-1を調節する際のROSの役割を検証するため、研究チームは抗酸化剤N-アセチルシステイン（NAC）を用いてPOLDIP2を過剰発現させたRBMECsを処理しました。実験結果から、NAC処理はPOLDIP2によって誘導されるZO-1の解離を有意に抑制し、POLDIP2がROSを介したメカニズムでZO-1の局在を調節していることが示されました。

5. POLDIP2によって誘導されるZO-1のチロシンリン酸化

免疫共沈降実験により、研究チームはPOLDIP2の過剰発現がZO-1のチロシンリン酸化を誘導し、この過程がNACまたはミトコンドリアROSスカベンジャーであるMitotempoによって抑制されることを発見しました。この結果は、POLDIP2がミトコンドリアROSを介してZO-1のチロシンリン酸化を調節し、内皮細胞の透過性を制御していることを示しています。

結論と意義

本研究は、POLDIP2がミトコンドリアROSの生成とZO-1のチロシンリン酸化を調節することで脳内皮細胞の透過性を制御する分子メカニズムを初めて明らかにしました。研究結果から、POLDIP2は脳虚血などの病理的条件下でROSの生成を増加させ、ZO-1のリン酸化と解離を誘導することで血液脳関門の完全性を破壊することが示されました。この発見は、POLDIP2およびその下流のシグナル経路を標的とした新しい治療戦略の開発に理論的根拠を提供し、脳虚血や脳浮腫などの神経疾患の治療に重要な意義を持つ可能性があります。

研究のハイライト

1. 革新的なメカニズム：POLDIP2がミトコンドリアROSを介してZO-1のリン酸化を調節することで脳内皮細胞の透過性を制御する分子メカニズムを初めて明らかにしました。
2. 多面的な検証：体内および体外実験を組み合わせることで、POLDIP2が血液脳関門の調節において果たす役割を包括的に検証しました。
3. 潜在的な治療ターゲット：POLDIP2およびその下流のシグナル経路は、脳虚血や脳浮腫などの疾患の新しい治療ターゲットとなる可能性があります。

その他の価値ある情報

本研究は、RNA抽出とqPCR、免疫蛍光染色、免疫共沈降などの技術の詳細な手順を含む詳細な実験方法とデータ解析プロセスを提供しており、関連分野の研究者にとって重要な参考資料となります。さらに、研究チームはアデノウイルスベースのPOLDIP2過剰発現システムを開発し、今後の研究に有力なツールを提供しました。