名古屋大学環境医学研究所

　多くの神経変性疾患では原因遺伝子の同定が進んできた一方で、当研究室がターゲットとする筋萎縮性側索硬化症（ALS）やアルツハイマー病（AD）ではほとんどの患者が孤発性 (非遺伝性)に発症し、「なぜ神経細胞が変性するのか」そして「どのように疾患が進行していくのか」といった病態の本質的な分子機構はいまだ明らかになっていません。
　これまで私たちは、ALSの運動神経変性は神経細胞内の異常だけでなく、周囲の非神経細胞（グリア細胞）によって積極的に制御される「非細胞自律性」と呼ばれる神経変性メカニズムを明らかにしました。この知見を踏まえ、神経変性疾患の原因となる脳内環境の破綻について、神経細胞”内”および神経細胞”外”の両面からアプローチすることでそのメカニズムを解明し、得られた理解を新たな治療戦略の開発へとつなげることを当研究室のミッションとしています。
　ALS研究においては、RNA結合タンパク質TDP-43をはじめとする病因タンパク質異常やミトコンドリアなどのオルガネラ機能障害が運動神経の変性をどのように引き起こし、さらにミクログリアやアストロサイトといったグリア細胞を介してどのように疾患進行を加速させるのかを明らかにしようとしています。また、AD研究では、アミロイドβ (Aβ)やタウといった病因タンパク質蓄積に応答したグリア細胞が引き起こす神経炎症や脳内環境変化に着目し、発症・病態進行に関わる分子・細胞基盤の解明、および、疾患治療につながる神経炎症制御分子の同定を目指しています。
　これらの研究を通じて、疾患モデルマウスや iPS 細胞を含む in vitro 系を用い、神経細胞内の分子異常から脳内環境の破綻、最終的な神経変性に至る一連の過程を統合的に理解し、神経変性疾患に対する新たな治療介入法の開発を目標としています。

主要な研究課題

1. 神経変性疾患における自然免疫シグナル変調の意義の解明
   中枢神経系において, ミクログリアは末梢のマクロファージに相当する細胞として, 脳における自然免疫反応を担う中心的な細胞です. 近年, Tリンパ球などの獲得免疫細胞がALSの病態進行に積極的に関与することが報告されましたが, 自然免疫反応のALS病態における役割についてはほとんどわかっていません. そこで私達は, ALS病態における自然免疫の役割について明らかにすることを目的とした研究を行っています.
2. 神経炎症制御を標的としたALS・ADの病態解明
   神経変性疾患において, ミクログリアなどのグリア細胞や浸潤免疫細胞から放出される炎症関連分子や神経保護因子による神経周囲環境の変容がその病態に寄与することが知られ, 神経炎症と呼ばれています．ADのリスク因子としてミクログリア関連遺伝子が多く報告されていることからも, 神経炎症がADの病態に関与していると考えられます．私たちは，ALSやADなどにおいてミクログリアの活性化や，その炎症プロファイルの類似点・相違点に着目しつつ，神経保護性の神経炎症を誘導する因子の探索を行い，病態の進行を遅延する鍵分子を同定することを目標としています．
3. ALSモデルのアストロサイトにおける分子病態の解明
   アストロサイトは神経細胞に栄養因子を供給するのみならず, シナプス活動の調節など多岐にわたる機能をもつグリア細胞です. 私達はアストロサイト由来の多機能性サイトカインTGF-β1が病態悪化因子であることを明らかにしました. 現在, TGF-β1シグナルを制御して疾患の進行を遅延させる方法を探索しているほか, アストロサイトで異常に発現している他の候補分子を手かがりにアストロサイトが病態に及ぼす影響の解明を目指しています.
4. オルガネラ異常による運動神経変性機序の解明
   これまでに多数のALS原因遺伝子が同定されていますが, 原因遺伝子が異なるにも関わらず, なぜ共通して運動神経変性が引き起こされるのか, という問題は依然として不明です. 当研究室では, 異なる2つの家族性ALSモデルにおいて, 小胞体・ミトコンドリア膜間領域(MAM)の崩壊が両者に共通した病態であることを明らかにしました. 現在、MAMの崩壊が孤発性も含めたALSで普遍的な病態であるか, またMAMの崩壊を抑止する方法の開発など, さらなる検証を進めています.
5. TDP-43の異常によるALS発症メカニズムの解明
   大部分のALSで異常な蓄積が認められるRNA結合タンパク質TDP-43について, その機能や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られます. 当研究室でも培養細胞やモデルマウスを用いて, その解析をすすめています.

1. Horiuchi M, Watanabe S, Komine O, Takahashi E, Kaneko K, Itohara S, Shimada M, Ogi T, Yamanaka K. ALS-linked mutant TDP-43 in oligodendrocytes induces oligodendrocyte damage and exacerbates motor dysfunction in mice. Acta Neuropathologica Communications 12(1): 184, 2024.
2. Sobue A, Komine O, Endo F, Kakimi C, Miyoshi Y, Kawade N, Watanabe S, Saito Y, Murayama S, Saido SC, Saito T, Yamanaka K. Microglial cannabinoid receptor type II stimulation improves cognitive impairment and neuroinflammation in Alzheimer’s disease mice by controlling astrocyte activation. Cell Death & Disease 15(11): 858, 2024.
3. Komine O, Ohnuma S, Hinohara K, Hara Y, Shimada M, Akashi T, Watanabe S, Sobue A, Kawade N, Ogi T, Yamanaka K. Genetic background variation impacts microglial heterogeneity and disease progression in amyotrophic lateral sclerosis model mice. iScience 27(2), 108872, 2024.
4. Watanabe S, Murata Y, Oka Y, Oiwa K, Horiuchi M, Iguchi Y, Komine O, Sobue A, Katsuno M, Ogi T, Yamanaka K. Mitochondria-associated membrane collapse impairs TBK1-mediated proteostatic stress response in ALS. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 120(47): e2315347120, 2023.
5. Hashimoto K, Watanabe S, Akutu M, Mukai N, Kamishina H, Furukawa Y, and Yamanaka K. Intrinsic structural vulnerability in the hydrophobic core induces species-specific aggregation of canine SOD1 with degenerative myelopathy-linked E40K mutation. Journal of Biological Chemistry 299(6): 104798, 2023.
6. Watanabe S, Horiuchi M, Murata Y, Komine O, Kawade N, Sobue A, and Yamanaka K. Sigma-1 receptor maintains ATAD3A as a monomer to inhibit mitochondrial fragmentation at the mitochondria-associated membrane in amyotrophic lateral sclerosis. Neurobiology of Disease 2: 179 106031, 2023.
7. Sakai S, Watanabe S, Komine O, Sobue A, and Yamanaka K. Novel reporters of mitochondria-associated membranes (MAM), MAMtrackers, demonstrate MAM disruption as a common pathological feature in amyotrophic lateral sclerosis. The FASEB Journal e21688, 2021.
8. Sobue A, Komine O, Hara Y, Endo F, Mizoguchi H, Watanabe S, Murayama S, Saito T, Saido T, Sahara N, Higuchi M, Ogi T and Yamanaka K. Microglial gene signature reveals loss of homeostatic microglia associated with neurodegeneration of Alzheimer’s disease. Acta Neuropathologica Communications 9: 1, 2021.
9. Watanabe S, Inami H, Oiwa K, Murata Y, Sakai S, Komine O, Sobue A, Iguchi Y, Katsuno M, Yamanaka K. Aggresome formation and liquid–liquid phase separation independently induce cytoplasmic aggregation of TAR DNA-binding protein 43. Cell Death & Disease 11: 909, 2020.
10. Watanabe S, Oiwa K, Murata Y, Komine O, Sobue A, Endo F, Takahashi E and Yamanaka K. ALS-linked TDP-43M337V knock-in mice exhibit splicing deregulation without neurodegeneration. Molecular Brain 13: 8, 2020.
11. Nishino K, Watanabe S, Jin S, Murata Y, Oiwa K, Komine O, Endo F, Tsuiji H, Abe M, Sakimura K, Mishra A, Yamanaka K. Mice deficient in the C-terminal domain of TAR DNA-binding protein 43 develop age-dependent motor dysfunction associated with impaired Notch1-Akt signaling pathway. Acta Neuropathologica Communications 7(1): 118, 2019.
12. Komine O, Yamashita H, Fujimori-Tonou N, Koike M, Jin S, Moriwaki Y, Endo F, Watanabe S, Uematsu S, Akira S, Uchiyama Y, Takahashi R, Misawa H, Yamanaka K. Innate immune adaptor TRIF deficiency accelerates disease progression of ALS mice with accumulation of aberrantly activated astrocytes. Cell Death & Differentiation 25: 2130-2146, 2018.
13. Watanabe S, Ilieva H, Tamada H, Nomura H, Komine O, Endo F, Jin S, Mancias P, Kiyama H, Yamanaka K. Mitochondria-associated membrane collapse is a common pathomechanism in SIGMAR1- and SOD1-linked ALS. EMBO Mololecular Medicine 8(12): 1421-1437, 2016.
14. Endo F, Komine O, Fujimori-Tonou N, Jin S, Watanabe S, Katsuno M, Sobue G, Dezawa M, Wyss-Coray T, Yamanaka K. Astrocyte-derived TGF-β1 accelerates disease progression in ALS mice by interfering with the neuroprotective functions of microglia and T cells. Cell Reports 11: 592, 2015.
15. Yamanaka K, Chun SJ, Boillee S, Fujimori-Tonou N, Yamashita H, Gutmann DH, Takahashi R, Misawa H, & Cleveland DW. Astrocytes as determinants of disease progression in inherited amyotrophic lateral sclerosis. Nature Neuroscience 11: 251-253, 2008.
16. Boillee S, Yamanaka K, Lobsiger CS, Copeland NG, Jenkins NA, KassiotisG, KolliasG, Cleveland DW. Onset and Progression in Inherited ALS determined by Motor Neurons and Microglia. Science 312: 1389-1392, 2006.

著書･総説

1. 山中宏二. ミクログリアと神経変性疾患. 実験医学増刊「神経免疫　メカニズムと疾患　神経系と免疫系を結ぶ分子機構の解明からバイオマーカー・治療標的の探索まで」（羊土社) 39(15): 109-114, 2021.
2. 渡邊征爾，山中宏二.筋萎縮性側索硬化症におけるMAMの破綻.実験医学増刊 「ミトコンドリアと疾患・老化」，37(12):138-144, 2019.
3. Yamanaka K, Komine O. The multi-dimensional roles of astrocytes in ALS. Neuroscience Research 126: 31-38, 2018.
4. Endo F, Komine O, Yamanaka K. Neuroinflammation in motor neuron disease. Clinical and Experimental Neuroimmunology 7: 126-138, 2016.
5. Heneka MT, Carson MJ, Khoury JE, Landreth GE, Brosseron F, Feinstein DL, Jacobs AH, Wyss-Coray T, Vitorica J, Ransohoff RM, Herrup K, Frautschy SA, Finsen B, Brown GC, Verkhratsky A, Yamanaka K, Koistinaho J, Latz E, Halle A, Petzold GC, Town T, Morgan D, Shinohara ML, Perry VH, Holmes C, Bazan NG, Brooks DJ, Hunot S, Joseph B, Deigendesch N, Garaschuk O, Boddeke E, Dinarello CA, Breitner JC, Cole GM, Golenbock DT, Kummer MP. Neuroinflammation in Alzheimer’s disease. Lancet Neurology 14: 388-405, 2015.