PTDP-43レベルとC9orf72 ALS/FTD患者の前頭前皮質における細胞特異的分子変化との相関

背景紹介

筋萎縮性側索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）と前頭側頭型認知症（Frontotemporal Dementia, FTD）は、中枢神経系（CNS）における特定の神経細胞集団の喪失を特徴とする進行性神経変性疾患です。これらの疾患は症状が異なるものの、特にC9orf72遺伝子のG4C2六ヌクレオチド反復拡大変異という共通の遺伝的および神経病理学的特徴を持ち、これがALSとFTDの最も一般的な遺伝的原因と考えられています。

ALSは主に運動ニューロンの変性により筋力低下や呼吸不全を引き起こしますが、FTDは前頭葉と側頭葉皮質の変性によって認知機能の徐々に悪化を招きます。両疾患において、TAR DNA結合タンパク質43（TDP-43）のリン酸化、誤局在、および凝集体形成は神経病理学的な指標となります。TDP-43は広く発現する核タンパク質で、RNA代謝に関与し、RNAスプライシングやmRNAの安定性に関連しています。研究によると、TDP-43の病理学的負荷は、ALSおよびFTD患者の影響を受けた細胞集団の変性程度と相関しています。

しかし、生体脳組織サンプルの取得が困難であるため、神経変性疾患患者における病気進行中の脳の変化を研究することは挑戦的です。したがって、本研究では、C9orf72 ALS/FTD患者の前頭前皮質の単一細胞多層オミクスデータを解析することで、病気進行過程における異なる細胞タイプの分子変化、特にPTDP-43レベルに関連する細胞特異的変化を明らかにすることを目指しました。

論文出典

本論文は、Emory University School of Medicine、Mayo Clinic、University of Floridaなどの複数の機関の研究チームが共同で執筆し、Hsiao-Lin V. Wang、Jian-Feng Xiang、Victor G. Corces、Zachary T. McEachinらが主要著者として参加しました。この論文は2025年2月25日に『PNAS』（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載され、「PTDP-43 levels correlate with cell type–specific molecular alterations in the prefrontal cortex of C9orf72 ALS/FTD patients」と題されています。

研究プロセス

1. サンプル取得とグループ分け

本研究では、C9orf72 ALS/FTD患者と健常対照者の死後脳組織サンプルを使用し、主に前頭前皮質（ブロードマン領域9）の細胞を分析しました。サンプルは、19例のC9orf72 ALS/FTD患者と7例の年齢・性別を一致させた健常対照者に分かれています。すべてのC9orf72 ALS/FTD患者はALSおよび/またはFTDの臨床診断を受け、異なる程度の認知障害を示しています。

PTDP-43レベルが病気進行に及ぼす影響を研究するために、研究者たちはPTDP-43レベルに基づいてC9orf72 ALS/FTD患者を3つのグループに分けました：PTDPneg（PTDP-43レベルが100未満）、PTDPmed（PTDP-43レベルが100から2000の間）、PTDPhigh（PTDP-43レベルが2000以上）。

2. 単一細胞多層オミクス解析

研究者たちは、10x Genomics Chromium単一細胞多層オミクス技術を使用して、前頭前皮質の単一細胞核の転写産物（snRNA-seq）とエピゲノム（snATAC-seq）を同時に解析しました。EmoryとMayoの2つの脳バンクからのサンプルを分析し、それぞれ34,874個と53,331個の単一細胞核の多層オミクスデータを得ました。

データ解析にはArchRおよびSeuratソフトウェアパッケージを使用し、品質管理、次元削減、バッチ効果補正を行いました。統一流形近似と射影（UMAP）および教師なしクラスタリングを通じて、Emoryサンプルでは31の細胞クラスター、Mayoサンプルでは20の細胞クラスターを識別しました。これらの細胞クラスターはさらに、興奮性ニューロン、抑制性ニューロン、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイト、オリゴデンドロサイト前駆細胞、内皮細胞などの主要な皮質細胞タイプに細分化されました。

3. 差次的遺伝子発現とクロマチンアクセシビリティ解析

研究者たちは、各細胞タイプについて差次的遺伝子発現（DEGs）および差次的アクセシブル領域（Differentially Accessible Regions, DARs）の解析を行いました。その結果、PTDPhigh群では非ニューロン細胞（特にオリゴデンドロサイト）に多数のDARが出現し、病気の末期において転写因子結合部位の変化が細胞機能障害の指標となる可能性があることが示されました。

さらに、研究者たちは、PTDPhigh群の非ニューロン細胞に大量の差次的発現遺伝子が出現することも発見しました。これらの遺伝子は主にシナプス伝達、髄鞘形成、微小管タンパク質コードに関与しています。クロマチンアクセシビリティと遺伝子発現の関連を解析したところ、CCK、SUN2、SOX10など、病気進行に関連する重要な遺伝子がいくつか見つかりました。

4. オリゴデンドロサイト成熟障害

研究では、PTDPhigh群では通常成人脳では短時間しか存在しない未熟な前髄鞘形成オリゴデンドロサイトが大量に出現していることがわかりました。これは、病気の末期にオリゴデンドロサイトの成熟プロセスが妨害されていることを示しており、PTDP-43の細胞質凝集や核内TDP-43の喪失によるものかもしれません。

5. ミクログリアとアストロサイトの変化

研究では、ミクログリアが病気の初期段階でニューロン監視機能を喪失し、病気の末期にさらに悪化することがわかりました。また、アストロサイトは病気の末期にNEAT1およびRPS6KA2遺伝子の発現が増加しており、これらの遺伝子はRNA保持や核タンパク質のリン酸化に関与し、病気の末期の病理過程に関与している可能性があります。

研究結論

本研究では、単一細胞多層オミクス解析を通じて、C9orf72 ALS/FTD患者の前頭前皮質における異なる細胞タイプの病気進行過程での分子変化を明らかにしました。研究の結果、PTDP-43の蓄積は、非ニューロン細胞（特にオリゴデンドロサイト）におけるクロマチンアクセシビリティおよび遺伝子発現の広範な変化と関連していることがわかりました。さらに、オリゴデンドロサイトの成熟障害、ミクログリアのニューロン監視機能喪失、アストロサイトの異常活性化は、病気進行の重要な特徴であることが示されました。

これらの発見は、C9orf72 ALS/FTDの病理メカニズムに対する理解を深めただけでなく、今後の治療介入の潜在的なターゲットやタイミングを提供します。

研究のハイライト

1. 単一細胞多層オミクス解析：本研究では初めて、単一細胞転写産物およびエピゲノム解析を組み合わせ、C9orf72 ALS/FTD患者の前頭前皮質における異なる細胞タイプの分子変化を包括的に明らかにしました。
2. PTDP-43レベルによる分類研究：PTDP-43レベルに基づいて患者をグループ分けすることで、研究者たちは病気の異なる段階における細胞および分子変化を系統的に研究することができました。
3. オリゴデンドロサイト成熟障害：研究では、PTDP-43の蓄積がオリゴデンドロサイトの成熟障害を引き起こし、これが病気の末期におけるニューロン変性の重要な原因である可能性があることがわかりました。
4. ミクログリアとアストロサイトの異常活性化：研究は、ミクログリアとアストロサイトが病気の初期と末期に異なる反応を示すこと明らかにし、神経炎症が神経変性疾患において果たす役割に関する新しい洞察を提供します。

研究の意義

本研究は、C9orf72 ALS/FTDの病理メカニズムに新たな洞察を提供するだけでなく、今後の治療戦略の潜在的なターゲットを提供します。異なる細胞タイプの病気進行における分子変化を明らかにすることで、研究者たちは特定の細胞タイプを対象とした治療法の開発の基盤を築きました。さらに、本研究は単一細胞多層オミクス技術が神経変性疾患研究における強力な可能性を示しており、今後の研究に新たな方向性を提供します。