側頭葉てんかんにおけるシナプス密度ネットワーク障害に関連するGABA作動性遺伝子の転写的抑制

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側頭葉てんかん シナプス密度ネットワーク SV2A ペット 遺伝子発現 GABA作動性の抑制

側頭葉てんかんにおけるシナプス密度ネットワーク機能障害の関連遺伝子発現パターンを解明

背景

側頭葉てんかん（Temporal Lobe Epilepsy, TLE）は、最も一般的な部分てんかんの一種であり、その病理的特徴と発症メカニズムは神経科学の分野で長年注目されてきました。本疾患は、単一の脳領域（例：てんかん焦点）のみに関与するのではなく、広範な脳ネットワーク機能に影響を及ぼす疾患と考えられています。TLEの核心的な病理メカニズムには主に興奮性と抑制性シナプス伝達の不均衡が含まれ、シナプスの喪失が重要な要因であるとされています。こうしたシナプスネットワークのマクロな変化が脳機能ネットワークの障害を引き起こす可能性があり、遺伝子レベルでの異常がこれらのシナプス再構築の潜在的な起因である可能性があります。しかしながら、TLE患者の体内における全脳シナプス密度ネットワーク（Synaptic Density Similarity Network, SDSN）と、その関連遺伝子発現メカニズムについての詳細な研究はまだ進んでいません。

このような課題を背景に、本研究の著者らは多モーダルな神経画像学データとトランスクリプトームデータを統合した方法を使用し、TLE患者の体内SDSNの大規模な変化と遺伝子発現パターンとの関係を初めて探究しました。本研究は、TLEの分子および遺伝的ネットワークメカニズムを解明する上で重要であり、ネットワークベースのてんかん治療法の開発における新たな方向性を示しています。

論文および研究出典

本研究は「Transcriptionally downregulated GABAergic genes associated with synaptic density network dysfunction in Temporal Lobe Epilepsy」という題で、Rong Li、Ling Xiaoらによって執筆されました。研究チームは複数の研究機関に所属しており、Xiangya Hospital, Central South University、Axel RomingerやKuangyu Shiの学術機関が含まれています。本論文は2024年、『European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging』誌に掲載されました。

研究デザインおよび実験の流れ

本研究は正電子放出断層撮影（Positron Emission Tomography, PET）とトランスクリプトームデータを統合し、TLE患者のSDSN機能障害を解析するとともに、関連する遺伝子異常のメカニズムを探究するために一連の実験を実施しました。

実験全体の設計

研究は以下の2つの主要部分で構成されます：1）新しい放射性標識体[18F]Synvest-1を用いたPETスキャンによるTLE患者と健康対照（Healthy Control, HC）の全脳シナプス密度の類似ネットワークの評価、2）2つの独立したトランスクリプトームデータセットを統合し、SDSNトポロジーの変化とTLEリスク遺伝子の転写的関連の研究。以下が具体的な実験の流れです：

  • 被験者の選択とグループ化：
    PETスキャン群にはTLE患者24名と性別・年齢を一致させた健康対照者（HC）17名が参加。てんかん焦点の位置および診断は、2名の専門てんかん学者による神経病理学的歴史やビデオ脳波（EEG）、構造MRIなどの総合評価を通じて決定されました。トランスクリプトーム解析には、TLE患者6名の海馬サンプルと6名の死後検査対照サンプルが含まれました。また、全脳領域をカバーするため、Guelfiらによる161例のTLE患者を含む時間皮質トランスクリプトームデータセットも参照しました。

  • [18F]Synvest-1 PET画像データの取得：
    被験者は[18F]Synvest-1を注射され、その後静的PETイメージングを実施しました。これにより突触密度の定量分析画像が得られます。画像データはMRI画像および標準MNI空間に整列させ、核密度推定法（Kernel Density Estimation, KDE）を用いてそれぞれの脳領域のボクセル強度の確率分布を計算し、Kullback-Leibler散度法を使って246×246次元の全脳SDSN隣接行列を構築しました。

  • トランスクリプトーム解析：
    海馬サンプルから抽出したRNAは、Illumina HiSeq X Tenプラットフォームでシーケンシングされ、HISAT2を用いた比対および差次遺伝子発現（Differential Gene Expression, DGE）解析によって顕著に異常を示す遺伝子をスクリーニングしました。さらに、Allen Human Brain Atlas (AHBA)の公共データベースから得られる15,633個の全脳遺伝子発現データを解析に利用しました。

  • 多変量統計およびネットワーク指標：
    PETデータに基づくSDSNについて、グラフ理論ツールボックスを用いてノードの加重強度（Weighted Strength）、加重クラスタリング係数（Weighted Clustering Coefficient）、加重パス長（Weighted Path Length）を計算しました。また、SDSNの変化とTLEリスク遺伝子発現パターンとの関係を偏最小二乗（Partial Least Squares, PLS）回帰手法でモデル化しました。

研究結果

SDSNの全脳およびネットワーク特性の変化

  • 全体レベルにおいて：
    TLE患者において、SDSNの接続強度およびクラスタリング係数が健康対照よりも有意に低く、またネットワークパス長がより長いことが明らかになりました。これは、TLE患者のSDSNが全体的な接続効率の低下および局所的情報処理機能の減弱を示していることを意味します。

  • 局所的ノードレベル：
    脳領域の分布においては、シナプスネットワーク機能の障害が主に前頭葉および頭頂葉の皮質連合領域、側頭葉、辺縁系（例：扁桃体）、基底核、および視床に集中していることが分かりました。これらの領域は記憶の統合、てんかんの伝播、および発作時の意識状態の調整機能に広く関与しています。

トランスクリプトームとSDSNノードマッピング

  • TLE関連遺伝子発現モード：
    複数のデータセットを交差解析した結果、5451個のTLEリスク遺伝子が同定され、そのうち2908個が有意に上方制御され、3250個が有意に下方制御されていました。この遺伝子の発現モードはPETデータ内のノード重みの変化と有意に関連しており、全脳シナプスネットワーク変化を13%説明しました。

  • 主要な責任遺伝子：
    画像-トランスクリプトームの関連解析において、GABA能シナプス調節に関与する遺伝子SLITRK3およびRBFOX1がTLE患者で顕著に下方制御されていることが判明しました。SLITRK3は抑制性シナプス形成に関与し、その欠如はてんかん感受性の増加を引き起こします。また、RBFOX1の低下は抑制性シナプス伝達機能の低下を引き起こし、神経の過剰興奮を誘発します。

機能富化および遺伝子相互作用ネットワーク

遺伝子オントロジー（GO）およびKEGG経路解析により、GABA能シナプス調節、長期増強（Long-Term Potentiation, LTP）、およびカルシウムシグナル伝達経路が著しく影響を受けていることが確認されました。これらの生物学的プロセスはTLEのシナプス障害メカニズムに関与している可能性があります。さらに遺伝子相互作用解析では、RBFOX1が重要な中心ノードとして示され、SLITRK3やROCK2などの遺伝子との間に有意な遺伝的相互作用が存在することが指摘されました。

研究の意義と価値

本研究は、SDSNの画像学および遺伝子学データを統合することで、TLE患者の体内におけるシナプスネットワーク機能障害の遺伝子発現基盤を初めて明らかにしました。また、GABA能関連遺伝子の下方制御がTLEでのシナプス構造と機能に及ぼす重大な影響を明確にしました。さらにこれにより、将来的なネットワークベースの治療戦略（例：遺伝子治療や分子薬物開発）のための根拠を提供しました。

また、本研究では新しいPET放射性標識体[18F]Synvest-1や個別化されたKullback-Leibler散度相似性評価手法を採用しており、これらの技術が脳の複雑なネットワークダイナミクスを捉えるための技術革新をもたらしました。

ハイライトの要約

  • 初めてin vivo分子画像とトランスクリプトームデータを組み合わせることで、側頭葉てんかんにおけるシナプス密度ネットワーク障害の遺伝子発現関連性を体系的に解析。
  • SLITRK3とRBFOX1がてんかんシナプスネットワーク機能障害において中心的な役割を担うことを確認し、潜在的治療標的としての価値を強調。
  • [18F]Synvest-1と個別化SDSN解析フレームワークを革新的に使用し、てんかんや脳ネットワーク研究分野の道具箱を拡張。