DNA メチル化パターンの多系統萎縮症、パーキンソン病および進行性核上性麻痺前頭葉白質における比較研究

学術背景の紹介

多系統萎縮症（Multiple System Atrophy, MSA）は稀な神経変性疾患で、神経細胞の喪失および膠細胞の増殖を特徴とし、これにα-シヌクレインを豊富に含むオリゴデンドロサイト細胞質内封入体（glial cytoplasmic inclusions, GCIs）を伴います。MSAの臨床症状は、他のパーキンソニズム、例えばパーキンソン病（Parkinson’s Disease, PD）、レビー小体型認知症（Dementia with Lewy Bodies, DLB）および進行性核上性麻痺（Progressive Supranuclear Palsy, PSP）と多くの重なりがあり、早期の診断が困難です。これらの疾患は末期ではいくつかの共通の神経病理学的特徴を示すものの、各疾患には独自の病理指標があります。例えば、MSAとPDはどちらもシヌクレイノパチーですが、MSAはオリゴデンドロサイトにα-シヌクレインの胞質包涵体を含むことを特徴とし、一方PDでは神経細胞にα-シヌクレインの凝集体（レビー小体）が観察されます。PSPは4Rタウオパチーであり、タウタンパク質の集合体による神経膠細胞増殖と神経細胞のフィブリルタンパク質結節および渦巻構造体を特徴とします。従来の研究は灰白質の変化に集中していましたが、白質の病理研究も新たな証拠を示しています。

DNAメチル化は表現型調節においてよく知られたメカニズムの一つであり、研究者たちはいくつかの神経変性疾患でDNAメチル化の変化を発見しました。しかし、MSA、PD、およびPSPなど多くのパーキンソニズム疾患の白質DNAメチル化パターンに関する研究はこれが初めてです。この研究は、MSA、PD、PSP患者の前頭葉白質における全ゲノム範囲のDNAメチル化解析を通じて、これらの疾患における共通および特異のDNAメチル化変化を探ることを目的としています。

論文の出典

この「DNA methylation patterns in the frontal lobe white matter of multiple system atrophy, Parkinson’s disease, and progressive supranuclear palsy: a cross-comparative investigation」と題する研究論文は、Megha Murthy、Katherine Fodder、Yasuo Miki等によって複数の研究機関の協力で完成されました。具体的には、UCL Queen Square Institute of Neurology（イギリス）、Hirosaki University Graduate School of Medicine（日本）、Oslo University Hospital（ノルウェー）、University of Exeter（イギリス）を含みます。論文は2024年《Acta Neuropathologica》に発表され、2024年7月4日に受理されました。

研究プロセス

1. 研究対象とサンプルの出典：研究対象はMSA、PD、およびPSPと診断された患者および健康な対照群の計66例です。サンプルはUCL Queen Square Institute of Neurology Queen Square Brain Bankから収集され、全ての脳組織サンプルは倫理委員会の承認を受けています。

   • MSA：17例
   • PD：17例
   • PSP：16例
   • 健康対照群：15例

2. DNA抽出とメチル化解析：新鮮冷凍された前頭葉（Brodmann Area 9）から約100マイクログラムの白質組織を抽出し、フェノール-クロロホルム-アイソアミルアルコール法を用いてゲノムDNAを抽出しました。そして、EZ DNAメチル化キット（Zymo Research）を使用して亜硫酸水素塩変換を行い、インフニウムHumanMethylationEPIC Bead Chip（Illumina）で全ゲノム範囲のDNAメチル化解析を実施しました。

3. データ処理と品質管理：生成された原始強度ファイルはRソフトウェアにインポートされ、Bioconductorパッケージ（Minfi、CHAMP、Watermelonなど）を使用して詳細かつ厳密な前処理および品質管理が行われました。

4. 細胞型分解：Minfiパッケージの細胞型分解アルゴリズムを使用して、NeuN+（神経細胞）、SOX10+（オリゴデンドロサイト）およびその他の神経膠細胞の相対比率を推定し、異なるサンプルの細胞型構成を評価しました。

5. 差異DNAメチル化解析：線形回帰モデル（Limmaパッケージ）を使用して、MSA、PDおよびPSPと健康対照群および疾患間の差異メチル化サイトを検出しました。

6. 加重遺伝子共メチル化ネットワーク解析（WGCNA）：WGCNA方法を使用して共メチル化ネットワークを構築し、疾患に関連するモジュール（モジュール内の高度相関メチル化サイトクラスター）を識別しました。

主な研究結果と議論

メチル化解析と共有のDNAメチル化パターン

研究は、MSA、PDおよびPSPの前頭葉白質において顕著なDNAメチル化の共通点を発見し、特にDNAメチル化サイトセット間で類似の方向効果を示しました。具体的には、EtNK1、Fam8A1、DFNA5などの神経膠細胞および脱髄に関連する複数の共有差異メチル化遺伝子を識別しました。これらは、これら3つのパーキンソニズム疾患の共通病理プロセスにおいて役割を果たす可能性があります。

特異的なDNAメチル化変化と特有なモジュール

これら3つの疾患は全体として顕著な共通点を示しますが、研究はまた特定の疾患に特有のDNAメチル化変化を識別しました。例えば、MSA患者においてBcl7bのプロモーター領域は低メチル化を示し、PD患者ではUBE2fが高メチル化、PSP患者ではD2HGDHが高メチル化を示しました。細胞型エンリッチメント解析では、一部のモジュールが主にオリゴデンドロサイトに関連していることがわかり、RNA干渉、シグナル伝達、内因性ストレスおよびミトコンドリアプロセスに関連する機能エンリッチメントを示しました。これらは神経変性プロセスに関係しています。

共メチル化ネットワーク解析とモジュール保存性

WGCNA法を使用して、研究は32の共メチル化モジュールを識別しました。そのうち15のモジュールは少なくとも1つの疾患状態と顕著に関連していました。さらに、機能エンリッチメント解析では、これらのモジュールは神経変性疾患に関係する分子メカニズムに富んでいることが判明しました。他の脳地域や組織タイプでの前頭葉白質以外の解析でも、多くの疾患関連モジュールが中〜高い保存性を示し、これらのモジュールが神経変性疾患において重要な役割を持つことを更に検証しました。

臨床および病理特性との関連

研究はまた、MSAにおけるGCIの数、発症年齢、疾患期間などの疾患特性と、重要な差異メチル化サイトとの関連を探りました。例えば、cg15274294の低メチル化サイトはMSA患者の前頭葉におけるGCI数と負の相関を示し、このサイトのメチル化状態が異なる疾患進行における病理変化と関連している可能性を示しました。

研究の意義と価値

この研究は、MSA、PDおよびPSPの前頭葉白質DNAメチル化パターンを初めて体系的に比較し、重要な洞察を提供しています。研究は、これらの3つのパーキンソニズム疾患が前頭葉白質で多くの共通のDNAメチル化特性を持つことを明らかにし、これらの疾患が類似の病理メカニズムと分子経路を共有する可能性があることを示唆しています。さらに、研究で特定された特異メチル化変化遺伝子部位は、将来の疾患早期診断および治療介入の新たな標的とすることができます。これらの発見は、神経変性疾患の分子メカニズムをより包括的に理解するために役立つと共に、将来の多オミクス統合研究および臨床応用の基礎を提供します。