Park7/DJ-1欠損はLPS誘発性炎症におけるミクログリアの活性化を損なう

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Park7/DJ-1 リポ多糖 ミクログリア 神経炎症 パーキンソン病 ミクログリアの形態

『Journal of Neuroinflammation』2024年重要研究解読：Park7/DJ-1欠損がミクログリアの活性化に与える影響

学術的背景

パーキンソン病（Parkinson’s Disease, PD）は2番目に多い神経変性疾患であり、その主な特徴はα-シヌクレイン（α-synuclein）の蓄積とドーパミン作動性ニューロンの進行性喪失です。加齢はPDの主要なリスク要因ですが、農薬への曝露や感染などの環境要因もPDの発症と進行を促進すると考えられています。最近の研究では、PDの初期段階と病理解剖学（黒質（SUBstantia Nigra）など）においてミクログリアの活性化が見られることが示されています。しかし、PDにおけるミクログリアの具体的な役割はまだ完全に解明されていません。

ミクログリアのPDにおける役割をより良く理解するために、本研究ではPark7/DJ-1遺伝子欠損モデルを使用しました。Park7遺伝子は多機能タンパク質DJ-1をコードし、転写調節や抗酸化ストレスに関与することが知られています。Park7遺伝子の変異によるDJ-1の欠損は、若年性PDの遺伝的原因の一つです。本研究は、Park7/DJ-1欠損条件下で、リポ多糖（Lipopolysaccharide, LPS）誘導性炎症反応におけるミクログリアの転写プログラムと形態適応を調査し、PDの病因が遺伝的および環境的リスク要因の組み合わせによって決定されるという多重打撃仮説を検証することを目的としています。

研究の出典

本研究はFrida Lind-Holm Mogensen、Carole Sousa らによって執筆され、ルクセンブルク健康研究所、ルクセンブルク大学、ドルトムント大学などの機関に所属しています。この論文は2024年の『Journal of Neuroinflammation』誌に掲載されました。

研究プロセスと方法

実験デザイン

研究ではPark7/DJ-1ノックアウト（knock-out, KO）マウスと野生型マウス、およびヒトPark7/DJ-1変異誘導性多能性幹細胞（iPSC）由来ミクログリアとマウス骨髓由来マクロファージ（BMDMs）を使用し、LPS誘導性炎症刺激後、単一細胞RNA sequencing（scRNA-seq）、大量RNA sequencing、フローサイトメトリー、免疫蛍光分析などの方法を用いて、それらの表現型特性を包括的に比較しました。

実験手順

  1. 動物モデルと遺伝子型判定

    • 3-4ヶ月齢のPark7/DJ-1 KOマウスと野生型同腹マウスを使用。
    • PCRを用いてマウスの遺伝子型を検出し、Park7/DJ-1の欠損を確認。

  2. 細胞分離とフローサイトメトリーソーティング

    • マウスにLPSまたは生理食塩水（PBS）を注射し、フローサイトメトリーでCD11b+CD45intミクログリアを染色分離。

  3. RNAシーケンシングとデータ解析

    • 分離したミクログリアに対して単一細胞RNAシーケンシング（Drop-seq）を実施。
    • 主成分分析（PCA）と差異遺伝子発現分析を実施。

  4. 細胞形態分析

    • 免疫蛍光染色と3D顕微鏡イメージングを用いてミクログリアの形態学的特徴を抽出。
    • 自作のミクログリアおよび免疫細胞形態分析・クラスタリング（MIC-MAC 2）ツールを使用してミクログリアの形態を分類。

  5. 骨髓由来マクロファージの分化と処理

    • Park7/DJ-1 KOマウスと野生型マウスの骨髓から骨髓細胞を分離し、マクロファージへの分化を誘導。
    • 骨髓由来マクロファージをLPSで処理し、遺伝子発現と細胞形態の変化を分析。

  6. 誘導多能性幹細胞由来ミクログリアの分析

    • Park7変異を持つiPSCをミクログリアへ誘導し、遺伝子発現と形態学的分析を実施。

主要な研究結果

遺伝子発現分析

  1. 差異遺伝子発現

    • Park7/DJ-1 KOマウスのミクログリアは、LPS処理後、野生型とは異なる遺伝子発現プロファイルを示し、特にII型インターフェロンとDNA損傷応答に関連する遺伝子の発現が低下。
    • iPSC由来ミクログリアでも、Park7/DJ-1欠損によりLPS処理後に同様の遺伝子発現低下が観察された。

  2. 遺伝子エンリッチメント分析

    • GO（Gene Ontology）分析では、Park7/DJ-1 KOマウスのミクログリアがLPS処理後にDNA損傷応答遺伝子の上昇を示し、修復と耐性メカニズムの関与を反映。
    • ヒトiPSC由来ミクログリアでは、LPS処理後に免疫応答とインターフェロンシグナル関連遺伝子の発現が減少。

細胞形態学的分析

  1. ベースライン形態

    • Park7/DJ-1 KOマウスのミクログリアは、ベースライン状態で野生型よりも密集しており、より少ない分枝とより少ない突起を示し、よりコンパクトな形態構造を呈した。

  2. LPS処理後の形態適応

    • LPS処理後、Park7/DJ-1 KOマウスのミクログリアは形態学的適応性が低下し、変形した細胞形態が少なく、野生型と比較してより多くの密集形態を維持。

ROS（Reactive Oxygen Species）レベル分析

  • 生体イメージングを通じてPark7/DJ-1 KOマウスのミクログリアとマクロファージのROSレベルを評価。
    • 結果は、ベースラインとLPS処理後において、Park7/DJ-1 KO細胞の細胞質とミトコンドリアのROS含有量が増加し、ミトコンドリア膜電位が低下したことを示し、細胞ストレス応答と補償メカニズムの不足を反映。

研究結論

本研究は、Park7/DJ-1遺伝子の欠損が炎症条件下でのミクログリアの反応能力に著しい影響を与えることを示しました。具体的には： - 遺伝子発現の低下：特にII型インターフェロンシグナル経路関連遺伝子の発現低下。 - 形態適応の減弱：LPS誘導性全身性炎症下で、Park7/DJ-1 KO長期欠損ミクログリアは変形形態が少なく、コンパクトな構造を維持。 - ROSレベルの上昇：Park7/DJ-1欠損細胞はベースラインとLPS処理後にROSレベルが上昇し、酸化ストレスと修復メカニズムの損傷を反映。

研究の意義と価値

本研究の発見は、PD病理学の理解と潜在的な治療戦略の開発に重要な意義を持ちます。Park7/DJ-1欠損がミクログリアの応答と形態適応に与える影響を明らかにすることで、PDの発症メカニズム、特に神経炎症における役割の理解がさらに進むでしょう。これは、例えばミクログリアの抗酸化防御の強化や炎症反応の調節を通じて、PDの進行を遅らせたり予防したりする新しいアプローチの開発につながります。さらに、研究ではiPSC技術の適用に成功しており、この方法は将来的にヒト細胞モデルでPDの病理と治療をさらに探求するのに役立つでしょう。

詳細な多層分析を通じて、本研究はPark7/DJ-1がミクログリアの機能と形態調節において果たす重要な役割を明らかにし、同時にPDの早期診断と介入に新たな潜在的方向性を提供しました。