筋萎縮性側索硬化症原因遺伝子産物ＴＤＰ－４３の新機能を発見～難治性の脳神経変性疾患などの治療薬の開発に期待～
筋萎縮性側索硬化症原因遺伝子産物ＴＤＰ－４３の新機能を発見
～難治性の脳神経変性疾患などの治療薬の開発に期待～
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ポイント
- 筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）発症の原因となる約２０種類の遺伝子が同定されているが、原因遺伝子の変異が選択的に運動ニューロン死を誘導する分子機構は不明だった。
- ＴＤＰ－４３は、ミトコンドリアＤＮＡから合成されるＲＮＡ産物の形成制御によってミトコンドリア機能を調節し、その異常が細胞死を誘導することを明らかにした。
- ＴＤＰ－４３を標的としたＡＬＳ治療薬の開発が期待できる。
ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業の一環として、新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】の泉川 桂一 特任助教、石川 英明 特任助教、高橋 信弘 教授、首都大学東京の礒辺 俊明 特任教授らのグループは、筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）注１）の原因となるＴＤＰ－４３が標的とするミトコンドリアＲＮＡを特定するとともに、その結合がミトコンドリアＤＮＡ注2）から合成されるＲＮＡ産物の形成制御を通じてエネルギー代謝を始めとするミトコンドリア機能を調節し、その異常が細胞死を誘導することを明らかにしました。
細胞は遺伝情報をもとに作られたＲＮＡとたんぱく質の相互作用を制御することでその働きを維持していますが、難治性の脳神経変性疾患などのＲＮＡ代謝異常症注3）の多くは、この相互作用の調節ができなくなることで発症します。そのためＲＮＡとたんぱく質の相互作用の実態とその調節機構を理解することは、ＲＮＡ代謝異常症の発症機構の解明から治療薬の開発につながると期待されています。
また、ＴＤＰ－４３は家族性ならびに孤発性ＡＬＳの主要な原因遺伝子だけでなく、その他の原因で発症した約９割のＡＬＳ患者の病巣部の神経細胞に蓄積していることから、今回の成果は、多くのＡＬＳ患者に共通した発症機構の解明や早期診断、さらには治療薬の開発につながることが期待されます。
本研究の成果は、平成２９年８月９日午前１０時（英国時間）に「Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ」誌のオンライン版に掲載されます。
本成果は、以下の事業?研究領域?研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）
研究領域：「ライフサイエンスの革新を目指した構造生命科学と先端的基盤技術」
（研究総括：田中 啓二 東京都医学総合研究所 理事長兼所長）
研究課題名：「ＲＮＡ代謝異常症のリボヌクレオプロテオミクス解析と構造生命科学への展開」
研究代表者：礒辺 俊明（首都大学東京 大学院理工学研究科 特任教授）
研究期間：平成２５年４月～平成３１年３月
研究の背景
筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）は、全身の筋力が低下し、主に呼吸器不全で死に至る難病で、現在に至るまで治療法がなく、アイスバケツチャレンジとして知られるキャンペーンが世界的規模で行われたり、国際ＡＬＳデーが設定されたりするなど、近年、社会的注目度が特に高まっている病気です。ＡＬＳでは脳と脊髄の運動ニューロンと呼ばれる神経細胞が選択的に死滅するため、全身の筋肉が麻痺する深刻な病状を呈します。これまでの研究でＡＬＳ発症の主因となる約２０種類の遺伝子が同定されていますが、それら異なる機能を持つ多くの遺伝子の変異が共通して運動ニューロン死を誘導する分子機構は不明です。
ＴＤＰ－４３の変異あるいはその他の遺伝子変異に起因する新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】のＡＬＳ患者の約９割では脳の病巣部の神経細胞でＴＤＰ－４３の蓄積が見られることから、ＴＤＰ－４３はさまざまなＡＬＳに共通の発症機構に関与していると考えられています。ＴＤＰ－４３は主に細胞核に存在するＲＮＡ結合たんぱく質で、ＤＮＡから合成されたｍＲＮＡ前駆体のスプライシング反応注４）を介した細胞のたんぱく質合成の制御に関わっていることが知られています。今までに、ＴＤＰ－４３の異常がＡＬＳを引き起こす機構として、運動ニューロンで特異的に働くたんぱく質をコードするメッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）前駆体のスプライシング反応の異常仮説、あるいはＴＤＰ－４３が運動ニューロン内に異常凝集して蓄積する「たんぱく質沈着病」仮説などが提案されていますが、その詳細は明らかにされていません。また最近、ＡＬＳを引き起こす変異を持つＴＤＰ－４３がミトコンドリア機能を阻害するとの仮説が提案されましたが、ミトコンドリアでのＴＤＰ－４３の標的分子は何か、あるいはミトコンドリアにおけるＴＤＰ－４３の本来の機能は何かなどの基本的な問題が解決されていませんでした。
研究の内容と成果
本研究では、独自に開発を進めてきた最先端のＲＮＡ質量分析法を利用してＴＤＰ－４３とＲＮＡの結合で生じる複合体を解析し、ＴＤＰ－４３が標的とする分子として、ミトコンドリアＤＮＡに由来する特定のトランスファーＲＮＡ注５）（ｍｔ－ｔＲＮＡ）、ｍｔ－ｔＲＮＡＡｓｎ、ｍｔ－ｔＲＮＡＧｌｎ、ｍｔ－ｔＲＮＡＰｒｏを同定しました。正常な細胞ではＴＤＰ－４３はミトコンドリアには存在しないと信じられていましたが、本研究ではＴＤＰ－４３とｍｔ－ｔＲＮＡの架橋反応注６）やＴＤＰ－４３／ｍｔ－ｔＲＮＡ双方の結合部位の決定解析、名古屋大学の西川 幸希 博士による免疫電子顕微鏡解析注７）、さらには東京都総合医学研究所の山野 晃史 博士らの生化学的解析によって、ＴＤＰ－４３がｍｔ－ｔＲＮＡとミトコンドリア内で結合していることを示しました。
次に、これらのｍｔ－ｔＲＮＡにＴＤＰ－４３が結合することで、ミトコンドリアがどのような働きをしているかを明らかにしました。まず、ＴＤＰ－４３が直接結合しているｍｔ－ｔＲＮＡを安定化している可能性を調べたところ、ＴＤＰ－４３の発現量の増加に伴いこれらのｍｔ－ｔＲＮＡだけでなく、ミトコンドリアＤＮＡ由来のその他のｍｔ－ｔＲＮＡやｍｔ－ｍＲＮＡも同時に増加することがわかりました。この解析から、ＴＤＰ－４３の発現量を増加させると、ミトコンドリアに固有のＤＮＡ（ｍｔ－ＤＮＡ）から転写される特定のＲＮＡ中間体が増え、逆にＴＤＰ－４３の発現量を減少させるとこれらの中間体が減り、ＴＤＰ－４３はミトコンドリアＤＮＡから転写されるＲＮＡ中間体を安定化する働きをしていることがわかりました。
これらのＲＮＡ中間体は、核由来のｍｔＲＮａｓｅＰ注８）などのＲＮＡ分解酵素で切断されてミトコンドリアのエネルギー代謝に関わるたんぱく質を合成するために必要な特定のｍＲＮＡやｍｔ－ｔＲＮＡを生じることが知られています。そこで、ＴＤＰ－４３が影響を与えるＲＮＡ中間体とこれらのＲＮＡ分解酵素を人為的に欠失させて生じるＲＮＡ中間体を比較すると、ｍｔＲＮａｓｅＰの欠失で生じるＲＮＡ中間体とよく一致していることから、ＴＤＰ－４３はミトコンドリアにおいてｍｔＲＮａｓｅＰによるＲＮＡ中間体の切断を調節していると推定されました。
ミトコンドリアでＲＮＡ中間体が蓄積するとたんぱく質合成に異常が生じてミトコンドリアが機能不全に陥り、最終的には細胞が死ぬことが知られています。そこで、ＴＤＰ－４３の発現量とミトコンドリア機能の関係を調べたところ、ＴＤＰ－４３の発現量を変化させるとたんぱく質合成に異常が生じてミトコンドリア機能が低下し、細胞増殖が抑制され、ｍｔ－ＤＮＡの転写を抑制した状態でＴＤＰ－４３の発現量を上昇させても細胞増殖には影響しないことから、ミトコンドリアでのＴＤＰ－４３発現量の異常がそのまま細胞死につながることがわかりました（図１）。
この研究で特筆できる発見の１つは、ｍｔ－ｔＲＮＡに結合しないＴＤＰ－４３変異体は発現量を上昇させても細胞増殖を抑制しないことです。このことは、ＴＤＰ－４３とｍｔ－ｔＲＮＡとの結合を阻害しても、ＲＮＡ中間体の過剰な蓄積を抑制できれば細胞死を防ぐことができること、すなわちＴＤＰ－４３／ｍｔ－ｔＲＮＡ結合阻害剤の探索がＡＬＳの治療薬の開発につながる可能性を示唆しています。
なお、その後の研究で、ＴＤＰ－４３の変異を原因とする特定のＡＬＳ患者由来のｉＰＳ細胞でｍｔ－ＤＮＡ由来のＲＮＡ中間体が蓄積していること（京都大学 ｉＰＳ細胞研究所?井上 治久 教授らとの共同研究）、またＡＬＳ患者の脳組織に由来する蓄積物にミトコンドリア由来のＲＮＡが存在すること（東京都総合医学研究所?長谷川 成人 博士らとの共同研究）を見いだしています。?
今後の展開
本研究の成果を端緒として、ＡＬＳの発症機序の解明から治療法の開発につながることが期待できます。また、この成果で有効性が証明されたＲＮＡの質量分析法を基礎とした研究方法が広く普及することで、ＲＮＡの代謝異常に起因する多くのヒトの疾病の発症機序に関する理解が進み、その予防や治療法の開発につながることが期待できます。
参考図
用語解説
注１）?筋萎縮性側索硬化症（Ａｍｙｏｔｒｏｐｈｉｃ ｌａｔｅｒａｌ ｓｃｌｅｒｏｓｉｓ：ＡＬＳ）
重篤な筋肉の萎縮と筋力低下をきたす神経変性疾患で、筋肉の運動を支配する運動ニューロンが選択的に死滅することで発症する。１年間に人口１０万人当たり１?２人程度が発症するが、極めて進行が速く、半数ほどが発症後３年から５年で呼吸筋麻痺により死亡する。ＡＬＳ患者の９０％程度は遺伝性が認められない孤発性で、残り１０％程度の遺伝性ＡＬＳの約２０％は２１番染色体上のスーパーオキシドディスムターゼ１遺伝子に突然変異があることが知られている。現在までに遺伝性及び非遺伝性ＡＬＳの原因とされる２０種類以上の遺伝子が同定されているが、ＴＤＰ－４３はその主要な原因遺伝子であるだけでなく、さまざまな原因で発症したほとんどのＡＬＳ患者の神経細胞の細胞質にＴＤＰ－４３が異常に凝集して蓄積していることが明らかにされている。
注２）?ミトコンドリアＤＮＡ
核ＤＮＡとは独立して存在する細胞内小器官であるミトコンドリア内にあるＤＮＡで、
ミトコンドリアが分裂する際に複製される。ヒトを含む高等動物のミトコンドリアＤＮ
Ａは約１６,０００塩基対からなる単一の環状ＤＮＡで構成されており、１つの細胞に数千コピー存在し、エネルギー代謝に関わる電子伝達系を構成する１３種類の呼吸鎖複合体サブユニット、２２種類のｔＲＮＡ、２種類のｒＲＮＡ遺伝子がコードされている。
注３）?ＲＮＡ代謝異常症
ＲＮＡ代謝の異常に起因する疾病の総称。筋萎縮性側索硬化症（ＡＬＳ）や骨髄性筋萎縮症、脊髄小脳変性症、ハンチントン病などの神経変性疾患のほか、先天性角化不全症やＴｒｅａｃｈｅｒ－Ｃｏｌｌｉｎｓ症などの形態形成不全症、神経膠腫や悪性黒色腫などのガンなどが知られている。
注４）?スプライシング反応
遺伝子から転写されたｍＲＮＡ前駆体からイントロンを除去してたんぱく質をコードするエクソンだけから構成されるｍＲＮＡを合成する過程のこと。
注５）?トランスファーＲＮＡ
転移（トランスファー）ＲＮＡは７３?９３塩基から構成される低分子ＲＮＡで、リボソーム上でたんぱく質が合成される際にｍＲＮＡの塩基配列（コドン）を認識して対応するアミノ酸を合成過程のポリペプチド鎖に転移するためのアダプター分子としての役割を持つ。
注６）?架橋反応
分子間の相互作用、例えばＲＮＡとたんぱく質の相互作用で生じる結合点を共有結合によって化学的に架橋する反応。この反応の生成物を解析することで、両者の結合点を正確に知ることができる。
注７）?免疫電子顕微鏡解析
金の粒子を結合した抗体とたんぱく質の特異的な結合を利用して、電子顕微鏡下で目的とする抗原たんぱく質の存在部位を観察する実験法。
注８）?ｍｔＲＮａｓｅＰ
ミトコンドリアＤＮＡから合成された前駆体ｍｔ?ＲＮＡのｍｔ?ｔＲＮＡ領域の5’末端部分を切断することでｍｔ－ｔＲＮＡを切り出す働きを持つ。
論文タイトル
タイトル：“TDP-43 stabilises the processing intermediates of mitochondrial transcripts”
（TDP-43 はミトコンドリアDNA転写物のプロセシング中間体を安定化する）
doi：10.1038/s41598-017-06953-y?
お問い合わせ先
＜研究に関すること＞
高橋 信弘（タカハシ ノブヒロ）
新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】 大学院農学研究院 教授（グローバルイノベーション研究院兼務）
〒183-8509 東京都府中市幸町３－５－８
Tel：042-367-5709
E-mail：ntakahas（ここに@をいれてください）cc.wxanhx.com
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
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