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Research Area

Abstract

The molecular mechanism of neurodegenerative diseases such as motor neuron disease (amyotrophic lateral sclerosis, ALS) remains unknown. Therefore, therapeutic strategy has not been established. Our laboratory aims to elucidate the mechanism of onset and progression of motor neuron disease, which have been shown to be derived from the pathological changes within different cell types; motor neurons and glial cells. We will analyze inherited ALS, using mouse, cell culture, and in vitro system as models. Based on these studies, we expect to design the therapeutic interventions for the sporadic ALS patients in future.

We have revealed that non-cell-autonomous effect mediated by glial cells around neurons accelerates disease progression in ALS. Therefore, it is important to understand the role of glial cells to develop a novel therapeutic strategy for ALS. We are also focused on the pathological role of neuroinflammation induced by glial cells in Alzheimer's disease.

Non-cell autonomous neurodegeneration

Transgenic mice carrying human SOD1 (superoxide dismutase 1) mutations linked to familial ALS have widely been used for ALS research. In our laboratory, we established LoxSOD1G37R mice, which enable us to eliminate the mutant SOD1 gene from specific cell types, to reveal the cell types involved in ALS onset and progression. Mutant SOD1 in motor neurons determines the ALS onset. On the other hand, mutant SOD1 in glial cells, such as microglia or astrocytes, determines the ALS progression (Boillee et al. Science 2006; Yamanaka et al. Nat Neurosci 2008). These findings indicate that non-cell-autonomous mechanisms induce motor neuron degeneration in ALS (Yamanaka et al. PNAS 2008). We are now striving to elucidate the detailed roles of various cells in the central nervous system on the ALS pathomechanisms.

Research Projects

A) glial cells, neuroinflammation, systematic homeostasis and neurodegenerative diseases

1. Roles of glial cells, neuroinflammation, gila-immune interaction in ALS and AD

神経細胞におけるグリア・自然免疫病態
図. ALSにおける非細胞自律性運動神経細胞死の想定機序(脊髄-末梢免疫組織)

In ALS, reduced clearance 運動ニューロン内部の病的変化の蓄積に加え、アストロサイトによるグルタミン酸のクリアランスの減少及び活性酸素の放出や 神経傷害性ミクログリアの増加による細胞傷害性サイトカイン、活性酸素の放出により、運動ニューロンにさらなる傷害が加わり病態が悪化すると考えられる。 最近、発現している変異SOD1により、オリゴデンドロサイトに細胞死が誘導され、NG2陽性細胞から再生されるオリゴデンドロサイトも異常であるため、 脱髄が起こり、代謝支持が低下することが報告された。 また、最近の研究により、浸潤免疫細胞が、ミクログリアの細胞傷害活性を制御している可能性が示唆されている。 *太い矢印は、運動ニューロン傷害性、点線矢印は運動ニューロン保護性に作用していることを示す。

Activated glial cells (astrocytes and microglia) in ALS/AD accelerate neurodegeneration by secreting reactive oxygen species (ROS) or proinflammatory cytokines. Recent studies have revealed that infiltrated immune cells, including T cells, regulate microglial activation to protect neurons. These non-neuronal cells are good targets for a novel therapeutic approach for ALS/AD. Using ALS model mice (mutant SOD1 transgenic mice) and next-generation AD model mice (humanized amyloid precursor protein (APP) with familial AD mutations knocked-in mice), we are developing a method to regulate the non-neuronal cells.

2. Exacerbation factor of ALS: TGF-β1

The expression level of TGF-β1 (Transforming Growth Factor β1), which is well known as an anti-inflammatory cytokine, is increased in astrocytes in ALS model mice and human sporadic ALS cases. Overexpression of TGF-β1 in astrocytes shortened survival times of ALS model mice, while an inhibitor of TGF-β1 extended. The overexpression of TGF-β1 reduced the number of infiltrated T cells and neuroprotective activity of microglia, suggesting that TGF-β1 negatively regulates a neuroprotective environment of spinal cords. (Endo et al. Cell Reports, 2015). We are now developing a novel therpeutic strategy targeting TGF-β1.

3. 自然免疫・獲得免疫系によるALS・AD病態の制御

ALS病態におけるTRIF経路
図. ALSにおいて自然免疫TRIF経路は、神経保護的に機能する

 免疫反応は、先天性の自然免疫反応とリンパ球が関与する後天性の獲得免疫反応の2つに大別されます. これまで、自然免疫反応のALS病態への関与は明らかではありませんでした. 当研究室では自然免疫反応の役割を明らかにするため、自然免疫反応のセンサーであるToll様受容体の機能の鍵となる分子MyD88およびTRIFを欠損したALSマウスを作成して解析しました. その結果、TRIFを欠損した場合にのみALSマウスの生存期間が著しく短縮し、異常化したアストロサイトが病巣に蓄積しました. 本研究により、ALSにおける自然免疫系の関与と病巣で異常に活性化したアストロサイトの除去に関わるTRIFの新たな機能を明らかにしました(Komine et al. Cell Death Differ 2018). 現在、全身の免疫環境をTh1/2優位にシフトさせたALSおよびADモデルマウスを作成し、全身の免疫環境が脳のグリア細胞や病態をどのように変化させるかを解析しています.

4. ミクログリアの活性型転換誘導因子の探索

ミクログリアのM1/M2型
図. ALSにおけるミクログリアの2つの活性化状態(M1/M2)

運動ニューロン変性に伴ったミクログリアの活性化において,T細胞などの影響も受け、 過剰な炎症性サイトカインや酸化ストレス因子を産生する神経傷害性のM1と、神経栄養因子や抗炎症性サイトカインを産生し神経保護性のM2の2つの状態が存在すると考えられている.

 中枢神経系における自然免疫細胞であるミクログリアの活性型には、マクロファージと同様、神経傷害性のM1型および神経保護性のM2型の存在が示唆されており、神経変性疾患であるALSやアルツハイマー病などにおいてこれらの活性型の転換(神経保護性、いわゆるM2型、から神経傷害性、いわゆるM1型、へ)が疾患の進行を加速する可能性が考えられています(M1/M2仮説). さらに、最近では疾患ミクログリアに共通する活性化(Disease-associated microglia: DAM)という概念が提唱されています. DAMは神経保護性や傷害性をもつのか、本当に神経変性疾患に共通しているのか未解明な点が多いと考えています. 私達は神経変性疾患の病態の進行を遅延させる分子群を同定するため、DAMやM1/2仮説を手がかりにミクログリアの活性型転換誘導因子を探索する研究を行っています.

B)神経細胞内環境の破綻と神経変性機序の解明

1. TDP-43の異常がALSを引き起こすメカニズムの解明

ALSを引き起こすTDP-43の異常
図. ALSを引き起こすTDP-43の異常

TDP-43はスプライシングや転写翻訳などの制御を行うRNA結合タンパク質であり,通常は核に局在する. しかし,孤発性ALSや前頭側頭葉変性症(FTLD)などの病巣では細胞質中へのTDP-43の漏出(図A)や細胞内封入体の形成が観察される. ALSの一部はTDP-43の変異により発症することが知られているが,これまでに同定された変異の多くはC末端側に位置している(図B). 変異TDP-43が熱的安定性の向上(図C)や抗凝集性の獲得によって細胞内で異常に安定化することを明らかにし, さらに変異TDP-43の半減期が長いほど発症時期が早くなるという負の相関関係を見出した(図D).

 ALSの大部分を占める孤発性ALS(非遺伝性のALS)や認知症の一種である前頭側頭葉変性症(FTLD)の病巣に蓄積するRNA結合タンパク質TDP-43が2006年に同定されました。 TDP-43の機能やその異常が運動神経にどのような変調をもたらすのかを明らかにすることは、ALSの病態解明の本丸であると考え、当研究室でもその解析をすすめています. これまでに変異TDP-43は野生型よりも細胞内で異常に安定化すること(Watanabe et al.J Biol Chem 2013)(Austin et al. PNAS 2014), TDP-43が核内スプライソソーム因子の成熟の場であるGemに集積し、脊髄性筋萎縮症(SMA)の原因遺伝子産物SMNと結合すること, 孤発性ALSの病巣でスプライソソームの構成タンパク質(snRNPs)が異常凝集すること(Tsuiji et al. EMBO Mol Med 2013)を見出しました. また、TDP-43の蓄積により海馬の抑制性神経の傷害と認知機能低下が見られることをマウスの実験で明らかにしました(Tsuiji et al. Sci Rep 2017). 現在、これらTDP-43の異常を引き起こすメカニズムの解明を目指し、培養細胞やマウスを用いた実験を行っています.

2. 神経変性におけるオルガネラ連関破綻の意義の解明

MAMの破綻が神経変性を引き起こす
図. 小胞体・ミトコンドリア膜間領域(MAM)の破綻が神経変性を引き起こす

小胞体からミトコンドリアへCa2+イオンを輸送するイノシトール三リン酸受容体3型(IP3R3)は、通常、MAM選択的に局在している(図中、橙矢印)が、ALS病態を再現したモデルマウスでは細胞全体に局在の異常が生じる(図中、白矢頭).この異常化によって、細胞質への過剰なCa2+流入とミトコンドリアにおけるCa2+不足が生じ、神経細胞が傷害される.

 運動神経細胞は軸索の長さと細胞体の大きさという特徴から、その機能発揮に多大なエネルギーを必要としており、エネルギー産生に関わる細胞内小器官(オルガネラ)であるミトコンドリアは重要であると考えられています. ALSの病態仮説にミトコンドリア傷害, 小胞体ストレスなど、オルガネラ異常説も提唱されていますが、最近ではこれらのオルガネラが連関しているという知見が蓄積しています. 当研究室では、SOD1, SIGMAR1という異なる2つの家族性ALSモデルにおいて、タンパク質合成に重要な小胞体とエネルギー産生に重要なミトコンドリアの接触部分である「小胞体・ミトコンドリア膜間領域(MAM)」の破綻が共通した病態であることを明らかにしました(Watanabe et al. EMBO Mol Med 2016). MAMの破綻は細胞内Ca2+の制御異常を介して神経細胞死を引き起こしており、MAMを保護することでALSの治療が可能になると期待されます. 現在、MAMの異常がALSで普遍的な現象であるかの検討とMAMを維持・破綻させる分子メカニズムの解明を目指し、更なる研究を行っています.