弱い神経細胞の解糖は認知と生体の健康を維持する

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弱い解糖 認知能力 生体の健康 生物エネルギー学 ミトコンドリアストレス NAD+ 還元

この論文は、神経細胞の代謝過程におけるグリコリシスの生理学的重要性を探求することを目的としています。長年にわたり、神経細胞の活動は主にグルコースからエネルギーを供給されていますが、神経細胞のグルコース代謝は比較的弱く、主にグリコリシスを介して行われ、他の代謝経路ではありません。この現象は、グリコリシスを促進する主要酵素である6-リン酸フルクトース-2-キナーゼ/フルクトース-2,6-ビスリン酸酵素-3(PFKFB3)の持続的な分解に起因すると考えられています。成人神経細胞におけるPFKFB3の低レベルの生理学的重要性はまだ明らかではありませんが、この「弱いグリコリシス」現象が脳機能に与える影響を理解することは重要です。

研究の発信元

この論文は、Daniel Jimenez-Blascoとそのチームによって執筆されました。著者らは、スペインのサラマンカ大学、ベルギーのゲント大学などの複数の研究機関に所属しています。この論文は Nature Metabolism 誌に掲載され、DOIは https://doi.org/10.1038/s42255-024-01049-0 です。

研究手順

神経細胞における低グリコリシスの生理学的重要性を解明するため、研究チームはマウス神経細胞にPFKFB3を発現させ、これらの神経細胞を活性グリコリシス細胞に変化させる遺伝子工学的手法を用いました。研究過程には以下の段階がありました。

1. マウスモデルの構築

研究チームは最初に条件付きCdh1ノックアウトマウスを使用し、神経細胞特異的Camk2a(別名CamkIIα)プロモーターの制御下でCre組み換え酵素を発現するマウスと交配させ、神経細胞においてPFKFB3タンパク質が安定化されたマウスモデル、CamkIIα-Cdh1-/-マウスを作製しました。次に、研究チームはホモロジー組み換えによりRosa26ロカスにPFKFB3を導入したトランスジェニックマウス(PFKFB3lox/+)を設計し、CamkIIα-Creマウスと交配させ、CamkIIα-PFKFB3マウスを作製しました。

2. 神経細胞特異的PFKFB3発現の検証

ウェスタンブロッティングと免疫細胞化学的手法により、研究チームはCamkIIα-PFKFB3マウスの脳の様々な領域、特に皮質、海馬、視床下部におけるPFKFB3の発現を確認しました。

3. グリコリシスとPPPフラックスの測定

核磁気共鳴スペクトロスコピーと質量分析技術を用いて、研究チームはマウス脳におけるグリコリシスと pentose phosphate pathway (PPP) のフラックスを測定しました。その結果、PFKFB3の発現はグリコリシスフラックスを大幅に増加させたが、PPPフラックスは減少させることがわかりました。

4. ミトコンドリア酸化還元ストレスとエネルギー代謝

Amplex Red試薬やMitoSOXプローブなどを用いて、研究チームはミトコンドリア内の活性酸素種(ROS)レベルを評価しました。その結果、PFKFB3の発現がミトコンドリア酸化ストレスを引き起こすことがわかりました。シーホース装置を用いて酸素消費率(OCR)を測定したところ、PFKFB3発現に伴うミトコンドリア酸化還元ストレスが複合体Iの不活性化とエネルギー代謝の異常を引き起こすことが明らかになりました。

5. 自食作用と認知機能

実験の結果、グリコリシス活性化に伴うNAD+(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)の減少がサーチュインを介した自食作用を阻害し、PFKFB3発現マウスで認知機能低下と代謝症候群が引き起こされることがわかりました。NAD+前駆体(NMN)によりNAD+レベルを回復させると、これらの変化が是正されました。

主な結果

  1. グリコリシスとPPPフラックスへの影響: PFKFB3発現マウスの脳では、グリコリシスフラックスが上昇し、PPPフラックスが低下したため、還元型グルタチオン(GSH)レベルが低下しました。
  2. ミトコンドリアストレスと機能障害: PFKFB3発現はミトコンドリア複合体Iの不活性化と酸化還元ストレスを引き起こし、さらにミトコンドリア機能障害を引き起こしました。
  3. 自食作用経路の変化: NAD+レベルの低下がサーチュイン依存性の自食作用に影響を与え、PFKFB3発現マウスで認知機能低下が見られました。

結論と意義

この研究は、成熟した神経細胞における低グリコリシス特性が、より高次の生体機能を維持するために必要であることを示しています。神経細胞におけるPFKFB3の過剰発現は、ミトコンドリア酸化ストレスと機能障害を引き起こし、結果として神経細胞の認知機能と代謝能力を損なうことがわかりました。これらの発見は、アルツハイマー病などの疾患における神経細胞のグリコリシス変化と、潜在的な治療法を理解する上で新しい視点を提供しています。

研究の特色

  1. 神経細胞における弱いグリコリシス現象とその生理学的重要性を明らかにした。これは健康状態と疾患状態の脳の基本機能を理解する上で重要な知見となります。
  2. 様々な先進的手法を適用した。質量分析、核磁気共鳴スペクトロスコピー、シーホース技術など、グリコリシスが神経細胞機能とミトコンドリア健康状態に与える影響を包括的に解析しました。
  3. 新たな治療ターゲットを発見した。神経細胞におけるPFKFB3とNAD+レベルの安定化は、アルツハイマー病などの神経変性疾患の潜在的な治療戦略となる可能性があります。

この研究は、神経細胞の代謝経路とそれが神経疾患に与える影響についての理解を大幅に向上させ、科学的および臨床的に重要な意義があります。