TDRD3欠損マウスにおける神経発生およびシナプス可塑性に関連する転写後および行動レベルの欠陥

研究背景

トポイソメラーゼ3b（top3b）は、DNAとRNAのトポロジー問題を解決する二重機能のトポイソメラーゼです。増えつつある証拠は、top3bがチューダードメインを含む3（tdrd3）タンパク質と動物において保守的な複合物を形成し、その役割を果たしていることを示しています。人類遺伝学研究は、top3bの欠損または変異が精神および認知障害（例えば、統合失調症、自閉症、てんかんおよび知的障害）と関連していることを示しており、この推論は培養ニューロンおよび複数の動物モデル（マウス、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエを含む）の分析によって支持されています。具体的には、top3b欠損マウスは精神障害および認知障害に関連する行動表現型を示し、海馬神経発生およびシナプス可塑性において欠陥を示します。しかし、動物モデルにおけるtdrd3の正常な脳機能の重要性は、十分に研究されていません。

研究出典

この研究は、Xingliang Zhu、Yuyoung Joo、Simone Bossi、Ross A. McDevitt等によって行われ、彼らはアメリカ国立老化研究所、フロリダアトランティック大学、熊本大学などの機関に所属しています。論文は2024年の『Progress in Neurobiology』誌に掲載されました。

研究プロセス

実験プロセス

ステップ1：マウスモデルの作成

研究では、遺伝子捕捉戦略を使用してtdrd3欠損マウスを作成しました。結果として、tdrd3欠損マウスのmRNAおよびタンパク質レベルは検出不可能でした。研究では、tdrd3欠損新生児マウスの割合が予想されるメンデル比率よりも有意に低いことが観察され、tdrd3が正常な胚生存能力に必要であることが示唆されました。

ステップ2：行動テスト

研究には、Morris水迷路、連続自発交替タスク、および恐怖条件付けテストなど一連の行動テストが含まれます。結果として、tdrd3欠損マウスはこれらのタスクにおいて認知障害を示し、Top3b欠損マウスと類似していました。さらに、tdrd3欠損マウスはオープンフィールドおよび明暗箱テストで不安行動が少ないことを示しました。

ステップ3：電気生理学テスト

海馬スライスにおいて長期増強（LTP）および長期抑制（LTD）テストを行った結果、tdrd3欠損マウスのCA1ニューロンは活動依存性シナプス可塑性において有意に減少していることが示されました。さらに、二重刺激促進（PPF）テストでは有意な差異は示されませんでした。

ステップ4：神経発生および神経形態学

研究は、tdrd3欠損マウスの海馬新生ニューロンの増殖が有意に減少していることを発見し、特にType IIサブタイプの神経幹細胞が顕著でした。逆行性ウイルスGFPマーカーを使用して新生ニューロンを観察したところ、tdrd3欠損マウスの新生ニューロンは、ニューロンの交点が増加し、樹状突起の体積と直径が縮小し、スパイン密度が低下するなど、顕著な形態異常を示すことがわかりました。

ステップ5：RNAシーケンシングおよび転写後調節

Pro-seqおよびRNA-seqシーケンシング解析を通じて、tdrd3欠損マウスの成熟mRNAレベルでは神経機能に関連する多くの遺伝子が有意に低下していることが観察されましたが、nascent RNAレベルには変化がありませんでした。これにより、これらの遺伝子のmRNAが加速ターンオーバーされていることが示唆されました。さらに、研究はTDRD3欠損マウスのGABAシグナル伝達経路に関連するいくつかの遺伝子（Gabra2、Gabra6、Neurod1およびNeurod2）が同様の転写後調節欠陥を示していることを発見しました。

研究結果

主な研究結果

1. 認知および情緒行動の欠陥：Tdrd3欠損マウスはMorris水迷路および恐怖条件付けテストなどの認知タスクにおいて記憶障害を示し、これらの認知障害は海馬機能障害と関連している可能性があります。
2. 不安行動の変化：Tdrd3欠損マウスはオープンフィールドおよび明暗箱テストで有意な不安減少を示し、これはtop3b欠損マウスが示す不安増加とは対照的です。
3. シナプス可塑性の低下：電気生理学テストは、tdrd3欠損マウスのCA1ニューロンがLTPおよびLTDにおいてシナプス可塑性が有意に低下していることを示しました。
4. 新生ニューロンの形態異常：逆行性ウイルスGFPラベルを使用して発見した新生ニューロンは、tdrd3欠損マウスにおいて顕著な形態異常を示し、樹状突起の交点が増加し、体積と直径が縮小し、スパイン密度が低下するなどの特性が見られました。
5. 遺伝子発現調整の異常：シーケンシング解析およびRT-qPCRの検証は、複数のGABAシグナル伝達経路関連遺伝子がtdrd3欠損マウスにおいて成熟mRNAレベルが有意に低下していることを示しましたが、nascent RNAレベルにはほとんど変化がありませんでした。

研究の結論

研究は次の結論を導き出しました：Tdrd3はマウスの脳の正常な機能において重要な役割を果たしており、その欠陥は転写後の調節経路を通じて認知および精神障害の発生に関連している可能性があります。top3b-tdrd3複合体全体は遺伝子発現の安定性を調整するために不可欠であり、その欠陥はGABAシグナルおよび神経発生関連遺伝子の発現異常を引き起こす可能性があります。

研究のハイライト

• 二重機能のトポイソメラーゼ作用経路図：top3bおよびtdrd3複合体がDNAおよびRNAのレベルでどのように協調して作用するかについてのメカニズムの洞察を提供します。
• シナプス可塑性およびシナプス構造の研究：tdrd3欠損マウスにおけるシナプス可塑性および新生ニューロンの形態に著しい変化があることを明らかにします。
• 転写後調節：転写後調節メカニズムを通じて、tdrd3欠損の場合に神経機能に密接に関連する複数の遺伝子に影響を与える方法を示しています。

結論と意義

この研究は、tdrd3が脳機能において重要な役割を果たしていることを明らかにするだけでなく、精神および認知障害の分子メカニズムを探る新しい視点を提供します。Top3b-Tdrd3複合体が遺伝子転写および転写後の二重の役割を果たすことを解明することで、より広範な神経生物学および病態生物学の背景において遺伝子調整を理解する基盤を提供します。これらの発見は、将来、同様の分子メカニズムによって引き起こされる精神および認知障害に対するより効果的な治療戦略の設計に役立つ可能性があります。