リソソーム小胞上のメッセンジャーRNA輸送が軸索ミトコンドリアのホメオスタシスを維持し、軸索変性を防ぐ
この研究では、ヒト誘導多能性幹細胞(iPSC)由来の神経細胞を用いて、リソソーム関連小胞がアクソン内のmRNA輸送と、ミトコンドリアの恒常性維持において重要な役割を果たすことを明らかにしました。研究者はBORC サブユニット(borcs5またはborcs7)をノックアウトすることで、リソソーム関連小胞のアクソン内への流入を阻害し、これにより主にリボソームやミトコンドリア/酸化的リン酸化タンパク質をコードする多数のmRNAがアクソン内で大量に減少することを発見しました。
RNAシーケンシングの結果、野生型神経細胞のアクソンではリボソームやミトコンドリア/酸化的リン酸化タンパク質をコードする遺伝子のmRNAが主に濃縮していることが分かりました。一方、BORCをノックアウトすると、これらのmRNAのアクソン内での存在量が顕著に減少しました。パスウェイ解析では、減少したmRNAがパーキンソン病、アルツハイマー病、ハンチントン病、球脊髄性筋萎縮症(ALS)などの一般的な神経変性疾患に関連していることが示されました。
RNA可視化技術を用いて、リボソーム蛋白質をコードするrps7とrps27a mRNAのアクソン内での輸送が、BORCノックアウト細胞で阻害されていることを直接観察しました。さらに、これらのmRNAの欠乏により、ミトコンドリア蛋白質の翻訳が減少し、ミトコンドリアの形態異常、膜電位の低下、活性酸素種の増加などが引き起こされ、アクソンの膨張やオートファジーの蓄積などの異常が誘発されました。
要するに、本研究では、リソソーム関連小胞が一部のmRNAを「搭載」してアクソン内に長距離輸送する新しい機構を明らかにし、このプロセスがアクソン内のミトコンドリアと翻訳の恒常性維持に重要であることを示しました。BORC欠損に起因するアクソンmRNAの減少とミトコンドリア機能障害は、神経発達障害や神経変性疾患の潜在的な病理学的メカニズムである可能性があります。
この研究の主な特徴は以下の通りです:
- iPSC神経細胞およびマイクロフルイディックス培養システムを創造的に利用し、十分な純度のアクソンサンプルを得て、全転写体シーケンシングを行った。
- リソソーム関連小胞に依存してアクソン内に長距離輸送される多数のmRNAを同定し、主に翻訳やミトコンドリア機能関連遺伝子に濃縮していることが分かった。
- リボソーム蛋白質をコードするmRNAのアクソン内での運動がBORC介在のリソソーム運輸に依存していることを直接観察・定量化した。
- BORC欠損によりアクソン内の翻訳とミトコンドリア機能が障害される潜在的なメカニズムを明らかにした。
- BORC欠損関連のアクソンmRNAプロファイルが多くの一般的な神経変性疾患と関連していることを発見し、潜在的な共通の病理経路を明らかにした。
本研究は、アクソン内のmRNA長距離輸送がアクソンの恒常性と機能を制御する機構の解明に新たな知見をもたらし、BORC欠損による神経発達障害および神経変性疾患の病理を理解する上で新たな視点を提供しています。