糖質コルチコイドを介したZBTB16発現の調節により変化するヒト皮質神経新生

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糖質コルチコイドがZBTB16の発現を調節することでヒト皮質神経発生を変える

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背景紹介

妊娠期間中、糖質コルチコイド（glucocorticoids, GCs）は中枢神経系（central nervous system, CNS）の発達において重要なステロイドホルモンである。GCsは胎児の器官発達、特に肺と脳の発達を調節する。しかし、GCsのレベルが生理的範囲または時間枠を超える場合、例えば合成糖質コルチコイド（synthetic GCs, sGCs）の治療使用や母体内分泌ならびにストレス関連疾患により、胎児の発達に影響を与える可能性がある。さらに、母体のストレスやうつ病は胎盤によるコルチゾールの代謝を減少させ、合成糖質コルチコイドであるベータメタゾンやデキサメタゾンも容易に胎盤を通過し、胎児の暴露レベルを増加させる。それゆえ、高リスクの早産妊娠に対しては、妊娠22週から33週の間にsGCsを使用して胎児の肺の成熟を促進し、存続率を向上させることが一般的である。

臨床と社会が妊娠期間中のGCs使用の重要性に注目し、GCsが胎児の発達に及ぼす可能性のある長期的影響に関心を持つ中で、研究チームは糖質コルチコイドが神経発生過程に与える役割と、それが後続の認知および脳構造に与える影響を探ることを望んでいる。

論文の出典

この研究は、Max Planck Institute of Psychiatry、Karolinska InstitutetおよびLudwig-Maximilians-Universityなどの機関に所属するAnthi C. Krontira、Cristiana CruceanuおよびLeander Donyら研究者によるものである。この論文は2024年5月1日に『Neuron』誌に発表された。

研究の手順と主な結果

研究の手順

この研究では、ヒト脳オルガノイド（human cerebral organoids, HCOs）およびマウス胚胎を対象に、異なるタイプの細胞における神経発生に対するGCsの作用を探った。具体的な研究手順は以下の通りである。

  1. 実験設計：

    • 臨床治療量を模倣するために、Day 43にHCOsに対して7日間100nmのデキサメタゾン処理（Dex）を行う。Day 40-50の時間枠を選択したのは、HCOs中の異なるタイプの前駆細胞が最も活発に神経発生を行う段階であるためである。

  2. 細胞タイプの分析：

    • 免疫蛍光染色（immunofluorescence）およびフローサイトメトリー分析（flow cytometry analysis, FCA）を用いて、異なるタイプの前駆細胞（Radial gliaおよびbasal progenitors）のPax6およびEomesを標識し、細胞タイプと数の変化を確認する。
    • シングルセルRNAシークエンシング（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）によって、異なる処理条件下におけるRNAレベルの変化を分析する。

  3. 遺伝子調節の分析：

    • 胎内電気穿孔（in utero electroporations, IUE）技術を用いて、Zbtb16をマウス胎児脳に過剰発現（overexpression, OE）し、脳組織切片の細胞タイプと数の統計を行う。

  4. 分子メカニズムの探求：

    • 大脳発達におけるZbtb16の発現パターンを分析し、mRNAおよびタンパク質の発現行動を通じて、HCOsおよびマウス胚胎におけるその調節メカニズムを解明する。

  5. 遺伝子関連研究（GWAS）データ分析：

    • メンデルランダム化解析（Mendelian randomization analysis）を使用し、UK Biobankデータベースの遺伝データを注いた調節性SNPと脳構造および認知パフォーマンスとの関連を探索する。

主な研究結果

  1. GCsがPax6+Eomes+基本前駆細胞と上層神経細胞を増加：

    • Dex処理されたHCOsにおいて、Pax6+Eomes+基本前駆細胞が著しく増加（11％〜25.7％の増加）する。この細胞は通常、皺のある脳表面（gyrified brain）を持つ種に豊富である。上層神経細胞（Satb2+神経細胞）の数も著しく増加し、深層神経細胞（Tbr1+神経細胞およびBcl11b+神経細胞）は顕著に変化しなかった。

  2. GCsの作用におけるZbtb16の重要性：

    • GCsの作用はZbtb16の上方調節によって得られる。Zbtb16はHCOsだけでなく、マウス胚胎でも生理的な発現パターンを示す。Zbtb16の過剰発現は、Dexの作用を模倣し、Pax6+Eomes+基本前駆細胞と上層神経細胞の数を増加させる。CRISPR-Cas9技術を使用してZbtb16の一つの対立遺伝子をノックアウト（zbtb16+/−）すると、Pax6+Eomes+基本前駆細胞の増加作用が顕著に阻害される。

  3. マウスモデルの検証：

    • Zbtb16の過剰発現はHCOsだけでなく、マウス胚胎に電気穿孔後もPax6+Eomes+基本前駆細胞を顕著に増加させ、分裂再生能力を向上させ、神経生成を増加させる。

  4. 長期効果と遺伝子関連研究：

    • 遺伝子関連研究とメンデルランダム化解析により、Zbtb16関連のSNP（rs648044）が教育レベル、認知パフォーマンスおよび脳構造の変化に関連していることを発見した。rs648044 A対立遺伝子を持つ者は、高いGC誘導のZbtb16レベルと高い認知パフォーマンス、教育成果および低い神経質傾向が関連していた。

結論、意義と研究のハイライト

GCsはZbtb16の上方調節を介して、神経発生過程で皺のある脳表面を持つ種に特有の神経生成能力を有するPax6+Eomes+基本前駆細胞および上層神経細胞を増加させる。このメカニズムはHCOsだけでなく、小動物モデルでも検証され、これによりこの調節経路が種を超えて一貫していることが示された。さらに、後期の認知機能および脳構造との遺伝子関連研究の結果は、高齢者におけるGCsがZbtb16を介して脳発達に与える長期的な有益な効果を支持しており、初期sGCs使用の利益を理解する分子および細胞レベルの手がかりとなる。

研究の重要な発見

  • 胚胎脳におけるGCsの役割メカニズムは主にZbtb16の調節を通じて実現される。
  • Pax6+Eomes+の基本前駆細胞は皺のある脳表面を持つ種の脳発達において重要な役割を果たす。
  • Zbtb16は神経生成期だけでなく、長期的な認知パフォーマンスおよび脳構造の変化にも関連している。

その他価値のある情報

この研究は、初期のsGCs薬物使用のタイムウィンドウおよび潜在的な長期利益に関する科学的エビデンスを提供し、臨床治療ガイドラインの最適化に重要な意義を持つ。また、これらの成果は今後の関連研究に新たな視野と実験モデルを提供する。GCs作用の分子メカニズムと長期効果を解明することにより、この研究は神経発生科学と臨床医学に重要な参考価値を提供する。