神経炎症における小膠質細胞の加齢過程での代謝と性別差異

研究背景

加齢はアルツハイマー病（Alzheimer’s Disease, AD）やパーキンソン病のような神経退行性疾患の重要な危険因子であり、健康な加齢でも認知機能の低下を伴います。以前の研究では、小膠質細胞が加齢過程で性別差異的な変化を示すことが示されているため、加齢過程での小膠質細胞の機能変化と男女間の差異を理解することが特に重要です。小膠質細胞は脳内の常在性マクロファージとして、脳の恒常性維持、デブリの除去、損傷修復などの重要な機能を果たしています。脳加齢過程において、これらの細胞が機能異常を来した場合、神経退行性疾患の進行に重要な要因であると考えられています。

論文情報

本研究はSeokjo Kangらによって完成され、2024年にJournal of Neuroinflammation誌にて「Microglia undergo sex-dimorphic transcriptional and metabolic rewiring during aging」という題名で発表されました。研究はCedars-Sinai Medical Center、Oklahoma Medical Research Foundation、 University of Oklahoma Health Sciences Center、そしてUniversity of Southern Californiaなどの機関が共同で行いました。Helen S. Goodridgeが筆頭著者です。

研究目的

本研究は、小膠質細胞が加齢過程でどのような転写組と代謝組の変化を見せ、これらの変化が性別によってどのように異なるかを解明することを目指しています。加齢や神経退行性疾患の文脈において小膠質細胞がどのように性特異的に反応するかを明らかにし、新しい臨床介入方法の開発に対する理論的根拠を提供することを期待しています。

研究方法

本研究では多様な実験方法と技術手段を用いて、加齢過程における小膠質細胞の転写と代謝の変化を解析しました。主要な研究方法にはRNAシーケンシング、単一細胞RNAシーケンシング分析、メタボロミクス分析、ウェスタンブロッティング、リアルタイム代謝率測定などが含まれます。

動物モデル

本研究で使用されたC57BL/6マウスはThe Jackson LaboratoryとNational Institute on Aging (NIA)から調達されました。3ヶ月から24ヶ月齢の雌雄マウスを選んで実験を行いました。全ての実験プロトコルはCedars-Sinai Medical Center の動物施設で実施され、機関の動物ケアと使用委員会の承認を得ています。

小膠質細胞の分離

外来性活性化を避けるために、カルシウムフリーおよびマグネシウムフリーのHank’s Balanced Salt Solution (HBSS)でマウスを灌流し、脳組織の解離時には抗生物質やプロテアーゼインヒビターを使用しました。 神経組織解離キットを使用し、脳組織を酵素処理した後、免疫磁気ビーズを用いてCD11b+小膠質細胞を分離し、さらなる実験処理を施しました。

RNAシーケンシングとその分析

小膠質細胞の全RNAを抽出後、Smart-Seq v4超低入力RNAシーケンシングキットで逆転写と二本鎖cDNA合成を行い、Nextera XTライブラリー準備キットでライブラリーを製作しました。RNAサンプルはNovaSeq 6000システムでシーケンシングされ、STARソフトウェアを用いてシーケンスリードを比対し、DESeq2とPathway分析ツールを使用し、差異表現遺伝子と経路のエンリッチメント分析を行いました。

研究結果

転写組の変化

RNAシーケンシング分析により、加齢が小膠質細胞の遺伝子発現に与える影響は雌のマウスでより顕著であることがわかりました。主成分分析及び多次元スケーリング分析により、若いマウスと老齢マウスの小膠質細胞の間に顕著な分離が示されましたが、特に雌性マウスにおいて顕著でした。さらに、年齢を共変量とした場合に性別関連の遺伝子が41個、性別を共変量とした場合に年齢関連の遺伝子が4290個であることが分析で示されました。

代謝経路の変化

IPA分析により、老齢小膠質細胞においてPI3K/AKT/mTORシグナル経路が特に雌性マウスで著しく活性化されていることが明らかになりました。mTORシグナル経路の活性化は糖解性の増加と関連しており、ウェスタンブロットおよびSeahorse XF分析によりこれらの代謝経路の変化がさらに検証されました。 結果から、加齢によって小膠質細胞の糖解性が顕著に増加し、この代謝の再編成は特に雌性マウスで明らかです。

感染と免疫応答

雌性の老齢マウスでは補体経路の活性が顕著に強化されていることが注目されました。より具体的には、老齢マウスの小膠質細胞でC3及びその受容体C3aRの発現が顕著に増加しており、この変化はmTOR/HIF-1αシグナル経路の活性化を自己分泌機構を介して促進し、それによって糖解性及び貪食活性がさらに強化されると推測されます。

単一細胞RNAシーケンシング分析

単一細胞RNAシーケンシングデータにより、加齢に関連した小膠質細胞（いわゆるDAM、すなわち病気関連小膠質細胞）が雌性マウスでより豊富であることが示されました。これらのDAMは糖解性が高く、細胞のデブリ除去及び神経保護の促進において重要な役割を果たす可能性が示唆されます。

結論

本研究は、小膠質細胞の加齢過程での転写と代謝の再編及び性別差異を明らかにし、特に補体システムとmTOR/HIF-1αシグナル経路がこの過程において重要な役割を果たすことを示しました。これらの発見は、加齢および神経退行性疾病における小膠質細胞の役割への理解を深めるだけでなく、将来的に新しい治療戦略を開発するための潜在的な方向性を提供します。小膠質細胞の自己分泌C3a-C3aRシグナル経路を標的とすることで、神経退行性の変性過程を遅らせ、神経保護を促進し、脳機能を維持する手助けとなる可能性があります。

研究の意義

この研究の重要性は、性別によって小膠質細胞の加齢過程での異なる行動パターンを明らかにし、新たな代謝調整機構を提案したことにあります。これは科学的に重要であり、神経退行性疾患の病理機序をより深く理解するのに役立ちますが、臨床への応用についても潜在的価値があります。将来的には精密医療戦略を通じて性別差に基づいた個別化された介入を行うことが期待されます。

以上の研究結果は、補体システム、代謝の再編、そして性別が神経退行性疾病における潜在的役割と相互関連性をさらに検討する必要性を強調し、効果的な予防および治療方法を開発するための理論的基盤と実験的支援を提供することを目指しています。