SDH欠損が副腎髄質と線維芽細胞モデルで異なる表現を示す

背景紹介

コハク酸脱水素酵素（Succinate Dehydrogenase, SDH）は、ミトコンドリアのクエン酸回路（TCA回路）と電子伝達系における重要な酵素であり、コハク酸をフマル酸に酸化し、電子伝達に関与しています。SDHは4つのサブユニット（SDHA、SDHB、SDHC、SDHD）で構成されており、いずれかのサブユニットの機能欠損はSDH酵素活性の喪失を引き起こし、細胞のエネルギー代謝に影響を与えます。SDHの機能欠損は、特に褐色細胞腫（Pheochromocytoma, PPGL）と傍神経節腫（Paraganglioma, PPGL）を含むさまざまな腫瘍の発症と密接に関連しています。これらの腫瘍は通常、神経堤由来の傍神経節細胞に由来し、SDHの欠損はコハク酸の蓄積を引き起こし、2-オキソグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼ（dioxygenase）の抑制を介して、血管新生や細胞増殖に関連する遺伝子の発現を促進します。

しかし、なぜSDHの欠損が神経内分泌細胞にのみ腫瘍形成を引き起こすのかは、未だに解明されていない謎です。この問題を解決するため、研究者らは、マウス副腎髄質由来の不死化前クロム親和性細胞（immortalized mouse chromaffin cells, IMCCs）と不死化マウス胚性線維芽細胞（immortalized mouse embryonic fibroblasts, IMEFs）という2つのSDH欠損細胞モデルを比較し、SDH欠損が異なる細胞タイプでどのような適応メカニズムと脆弱性を示すかを明らかにしました。

論文の出典

この論文は、Fatimah J. Al Khazal、Sanjana Mahadev Bhatらによって共同執筆され、Mayo Clinicやパリ心血管研究センター（Paris Cardiovascular Research Center）など複数の機関からなる研究チームによって行われました。論文は2024年に「Cancer & Metabolism」誌に掲載され、タイトルは「Similar deficiencies, different outcomes: Succinate dehydrogenase loss in adrenal medulla vs. fibroblast cell culture models of paraganglioma」です。

研究のプロセスと結果

1. 細胞培養とSDH欠損モデルの確立

研究ではまず、SDHB欠損のIMCCsとSDHC欠損のIMEFsという2つのSDH欠損細胞モデルを確立しました。遺伝子ノックアウト技術を用いて、SDHBおよびSDHC欠損細胞株を構築し、Western blotにより標的タンパク質の欠損を確認しました。さらに、PCRによる遺伝子型解析により、SDHサブユニットの欠損状態を確認しました。

2. 細胞表現型と代謝変化

研究によると、SDH欠損は細胞の表現型と代謝に大きな影響を与えました。SDH欠損のIMCCsとIMEFsはどちらも、細胞増殖速度の低下、細胞体積の増大、および細胞周期の変化を示しました。特に、SDH欠損のIMCCsではG1期が延長し、IMEFsではG2期が延長し、DNA修復経路に影響が及んでいる可能性が示唆されました。

代謝物解析により、SDH欠損細胞ではコハク酸レベルが著しく上昇（約130倍）し、他のTCA回路関連代謝物のレベルは全体的に低下していることが明らかになりました。注目すべきは、SDH欠損のIMEFsでは乳酸の蓄積が観察されたのに対し、IMCCsではそのような現象が見られなかったことです。これは、IMEFsがエネルギー供給を維持するために解糖系に依存していることを示唆しています。

3. ミトコンドリアの形態と機能変化

電子顕微鏡による観察では、SDH欠損のIMCCsではミトコンドリアの形態が著しく変化し、ミトコンドリアの腫脹、内部クリスタ構造の不明瞭化、さらには電子密度の高い構造体が観察されました。一方、SDH欠損のIMEFsではミトコンドリアの形態変化は比較的軽度でした。さらに、3次元顕微鏡解析により、SDH欠損細胞ではミトコンドリア体積密度が全体的に減少していることが明らかになりましたが、残存するミトコンドリアの体積は増大していました。

4. 代謝適応性と低酸素条件下での挙動

Seahorse細胞エネルギー代謝解析により、SDH欠損のIMCCsは常酸素条件下でも高い基礎酸素消費率（OCR）を維持していることが明らかになりました。一方、低酸素条件下では、その代謝能力は野生型細胞と同等でした。これに対し、SDH欠損のIMEFsは常酸素および低酸素条件下での代謝能力が著しく低下していました。この結果は、IMCCsがSDH欠損後も複合体I（Complex I）の機能を保持することで一定の酸化代謝能力を維持しているのに対し、IMEFsは解糖系に依存していることを示しています。

5. トランスクリプトーム解析

RNAシーケンス解析の結果、SDH欠損はIMCCsとIMEFsで全く異なるトランスクリプトーム反応を引き起こすことが明らかになりました。IMCCsでは複合体Iサブユニットの遺伝子発現が上昇していたのに対し、IMEFsではそのような変化は見られませんでした。この発見は、IMCCsが複合体I関連遺伝子のアップレギュレーションを通じて代謝適応性を維持しているという仮説をさらに支持するものです。

結論と意義

本研究は、SDH欠損のIMCCsとIMEFsを比較することで、SDH欠損が異なる細胞タイプでどのように異なる表現を示すかを明らかにしました。IMCCsはSDH欠損後も複合体I機能を保持することで一定の代謝適応性を維持するのに対し、IMEFsは解糖系に依存しています。この発見は、SDH欠損が神経内分泌細胞で腫瘍形成を引き起こすメカニズムを説明する新たな手がかりを提供し、SDH欠損腫瘍に対する治療戦略の開発に理論的基盤を提供します。

研究のハイライト

1. 細胞タイプ特異性：研究は初めて、SDH欠損が副腎髄質細胞と線維芽細胞でどのように異なる反応を示すかを系統的に比較し、細胞タイプがSDH欠損反応に与える影響を明らかにしました。
2. 代謝適応性：IMCCsはSDH欠損後も複合体I機能を保持することで代謝適応性を維持しており、この発見はSDH欠損腫瘍の発症メカニズムを理解する上で重要な手がかりとなります。
3. トランスクリプトーム解析：RNAシーケンスを通じて、SDH欠損が異なる細胞タイプでどのようなトランスクリプトーム反応を引き起こすかを明らかにし、SDH欠損の分子メカニズムをさらに研究するための基盤を築きました。

その他の価値ある情報

研究ではまた、SDH欠損細胞ではコハク酸の蓄積がヒストン脱メチル化酵素（JMJD demethylases）の活性を抑制し、ヒストンの過剰メチル化を引き起こすことが明らかになりました。この発見は、SDH欠損がエピジェネティック制御に与える影響を理解する新たな視点を提供します。

この研究は、SDH欠損が腫瘍形成を引き起こすメカニズムに対する理解を深めるだけでなく、SDH欠損腫瘍に対する治療戦略の開発に重要な理論的支援を提供します。