母体X染色体が雌マウスの認知と脳の老化に及ぼす影響
母源X染色体が雌マウスの認知と脳老化に及ぼす影響
背景紹介
哺乳類において、雌性細胞は2本のX染色体を持ち、1本は母親由来（母源X染色体、Xm）、もう1本は父親由来（父源X染色体、Xp）です。胚発生の過程で、どちらか1本のX染色体がランダムに不活性化されます。このプロセスはX染色体不活性化（X inactivation）と呼ばれます。この不活性化メカニズムにより、雌性個体は細胞レベルでX染色体のモザイク現象（mosaicism）を示します。つまり、一部の細胞は母源X染色体を発現し、他の細胞は父源X染色体を発現します。このモザイク現象は個体間で異なり、一部の個体ではX染色体不活性化が著しく偏る（skew）こともあります。X染色体の親由来は、DNAメチル化などのエピジェネティックなメカニズムを通じて遺伝子発現に影響を与え、老化や疾患の過程で緩衝作用を果たす可能性があります。しかし、X染色体不活性化の偏りやモザイク現象が雌性個体の機能、特に認知や脳老化にどのように影響するかは未解明のままでした。
本研究は、母源X染色体の活性化偏りが雌マウスの脳と身体機能に影響を与えるかどうかを探り、さらにXmとXpニューロンが認知と脳老化においてどのような特徴を持つかを明らかにすることを目的としています。
論文の出典
この論文は、Samira Abdulai-Saiku、Shweta Gupta、Dan Wangらによって共同執筆され、研究チームはUniversity of California San FranciscoのWeill Institute for Neurosciences、Gladstone Institute of Cardiovascular Disease、およびBakar Aging Research Instituteに所属しています。論文は2024年にNature誌に掲載され、タイトルは《The maternal X chromosome affects cognition and brain ageing in female mice》です。
研究の流れと結果
1. 研究デザインとマウスモデルの構築
母源X染色体の偏りが雌マウスに及ぼす影響を調べるため、研究チームは2つのマウスモデルを構築しました。1つはXm+Xpモザイクマウス（正常なランダムX染色体不活性化）、もう1つはXm偏りマウス（遺伝子編集技術を用いて母源X染色体を唯一の活性X染色体とする）です。具体的な手順は以下の通りです： - 遺伝子編集：Xist遺伝子（X染色体不活性化の鍵となる調節因子）を削除し、Cre-loxPシステムを利用して母源X染色体を全ての細胞で活性化させました。 - マウスモデルの検証：免疫蛍光技術を用いて、Xm+Xpマウスのモザイク現象およびXmマウスにおける父源X染色体の不活性化を確認しました。
2. 臓器機能の評価
研究チームは、XmとXm+Xpマウスに対して、心機能、骨密度、体組成、エネルギー代謝を含む多臓器機能の包括的な評価を行いました。結果は以下の通りです： - 心機能：超音波心エコーを用いて左心室容積、駆出率などを測定した結果、中年期（16-19ヶ月）のマウスでは両群間に有意な差は見られませんでした。 - 骨密度と体組成：二重エネルギーX線吸収法（DEXA）を用いて骨密度、除脂肪体重、脂肪率を測定した結果、両群間に有意な差はありませんでした。 - エネルギー代謝：代謝ケージ（CLAMS）を用いて酸素消費量（VO2）、二酸化炭素産生量（VCO2）、呼吸交換比（RER）を測定した結果、両群の代謝パラメータに有意な差は見られませんでした。
3. 認知機能テスト
研究チームは、XmとXm+Xpマウスに対して、生涯にわたる認知機能テストを行い、特に空間学習と記憶能力に焦点を当てました。主な実験は以下の通りです： - Morris水迷路実験：空間学習と記憶能力を評価するために使用されました。結果、Xmマウスは若年期（4-8ヶ月）の空間学習能力においてXm+Xpマウスと有意な差はありませんでしたが、記憶テストでは有意な欠陥を示しました。 - 開放場実験：空間記憶の反復テストに使用されました。結果、Xmマウスは中年期（9-11ヶ月）および老年期（20-24ヶ月）で有意な忘却現象を示しました。 - Y迷路実験：作業記憶と空間記憶を評価するために使用されました。結果、Xmマウスは老年期で有意な作業記憶の欠陥を示しました。
4. 脳老化とエピジェネティック分析
Xm染色体が脳老化を加速するかどうかを探るため、研究チームはマウスの海馬におけるエピジェネティック年齢分析（epigenetic clock analysis）を行いました。結果は以下の通りです： - エピジェネティック年齢：Xmマウスの海馬は老年期で有意なエピジェネティック年齢の加速を示しましたが、血液中のエピジェネティック年齢には有意な差は見られませんでした。 - ニューロン特異的分析：蛍光活性化細胞分取（FACS）を用いてXmとXpニューロンを分離し、Xmニューロンが老年期で有意なエピジェネティック年齢の加速を示すことを発見しました。
5. 遺伝子インプリンティングとCRISPR活性化実験
研究チームはさらに、Xm染色体がインプリンティング（imprinting）を通じて認知機能に影響を与えるかどうかを探りました。RNAシーケンス（RNA-seq）およびリアルタイム定量PCR（RT-qPCR）を用いて、Xmニューロンにおいて9つの遺伝子（SASH3、TLR7、CYSLTR1を含む）がインプリンティングされていることを確認しました。これらの遺伝子の機能を検証するため、研究チームはCRISPR活性化技術（CRISPRa）を用いて老年マウスの海馬でSASH3、TLR7、CYSLTR1の発現を同時に増加させました。結果は以下の通りです： - CRISPRa検証：in vitro実験において、CRISPRaはSASH3、TLR7、CYSLTR1のmRNA発現を約2倍に増加させることに成功しました。 - 行動テスト：老年マウスにおいて、CRISPRaは空間学習と記憶能力を有意に改善しました。
結論と意義
本研究は、母源X染色体の活性化偏りが雌マウスの認知機能に有意な影響を与え、海馬のエピジェネティック老化を加速することを明らかにしました。Xmニューロンはインプリンティングメカニズムを通じて認知に関連する遺伝子をサイレンシングし、これらの遺伝子をCRISPRa技術で活性化することで老年マウスの認知機能を改善できることが示されました。この研究は、X染色体の親由来が認知と脳老化に及ぼす影響を明らかにし、雌性個体の認知健康における異质性を理解するための新たな視点を提供します。
研究のハイライト
- 重要な発見：母源X染色体がインプリンティングメカニズムを通じて認知機能と脳老化に影響を与えることを初めて明らかにしました。
- 方法の革新：CRISPRa技術を用いて老年マウスで複数のインプリント遺伝子を活性化し、認知機能を著しく改善しました。
- 応用価値：認知機能の低下や脳老化に対するエピジェネティック介入戦略の開発に理論的基盤を提供します。
その他の価値ある情報
本研究はまた、Xm染色体が脳機能に及ぼす影響が他の臓器よりも顕著である可能性を示唆しており、これはX染色体が脳で高発現する特性と一致しています。さらに、研究結果はヒトのターナー症候群（Turner syndrome）患者の認知障害現象とも一致しており、X染色体の親由来が認知機能において重要であることをさらに支持しています。