Park7活性の喪失は、パーキンソン病のZebrafshモデルにおける脳トランスクリプトームにおける鉄応答性要素（IRE）遺伝子セットの発現に異なる影響を与える
Aug 14, 2023
抽象的な
遺伝子 PARK7 (DJ1) の変異は、ヒトの一遺伝子性常染色体劣性パーキンソン病 (PD) を引き起こします。 その後の PARK7 タンパク質機能の変化は、PD 病理の主要な要素であるミトコンドリア機能不全を引き起こします。 ゼブラフィッシュのPARK7-オルソロガス遺伝子のホモ接合変異体park7は、酸化的リン酸化経路における遺伝子発現の変化を示し、エネルギー産生の阻害がPDにおける神経変性の重要な特徴であることを裏付けています。
劣性遺伝したパーキンソン病は、不可逆的な神経変性疾患です。 高齢化の加速に伴い、近年罹患率は増加傾向にあります。 この病気による体の動きの問題が最も注目されますが、認知能力、集中力、記憶力などの要因とも強く関連しています。
ただし、パーキンソン病に関連する認知および記憶の問題について話す前に、この病気の神経学的影響を理解する必要があります。 劣性遺伝性パーキンソン病における最も一般的な神経病理学的変化は黒質の損傷であり、これによりドーパミンレベルの低下が生じ、運動障害が引き起こされます。 さらに、多くの関連する地形学的特徴は、大脳皮質、皮質、地峡などの領域でも見つかります。 これらの変化により、パーキンソン病患者は記憶喪失や認知機能の低下などの問題を経験する可能性があります。
ただし、記憶力が影響を受ける劣性パーキンソン病の患者の場合、これらの課題に対処するために採用できる事前の戦略がいくつかあります。 注意力と記憶力を向上させる数多くの戦略を学ぶことは、私たちの生活におけるパーキンソン病の影響にうまく対処するのに役立ちます。
最も重要な戦略の 1 つは、自分自身に制限を設け、助けを受け入れる必要があるということです。 一例として、パーキンソン病の人がスーパーマーケットを訪れ、スーパーで食料品が見つからないなど、課題に困っていることに気づいたら、遠慮なく助けを求めるべきです。 このような行動は優れた認知刺激であり、さまざまな方法で認知力と記憶力を高めるのに役立ちます。
日常生活では、認知力と記憶力を向上させるために他の方法を試すこともできます。 たとえば、本を読んだり、新しいスキルを学んだりすることで、やりがいのある学習環境を作り出すことができます。 さらに、家族の顔を認識したり、カレンダーを定期的に確認したりするなどの簡単な毎日の練習は、認知力と記憶力を向上させる非常に効果的な方法です。
パーキンソン病は私たちの認知力と記憶力にある程度の影響を与えますが、前向きな姿勢と簡単な運動は、良好な認知力と記憶力を維持するのに役立ちます。 したがって、私たちは自信を持ってこの課題に直面し、認知力と記憶力を向上させるためにさまざまな戦略を試す必要があります。 したがって、記憶力を向上させる必要があると思います。 肉ペーストは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬の材料であるため、カンカンシェは記憶力を大幅に向上させることができます。その1つは記憶力を向上させることです。 ひき肉の効能は、カルボン酸、多糖類、フラボノイドなどを含む、ひき肉に含まれるさまざまな有効成分によるものです。これらの成分は、さまざまな経路を通じて脳の健康を促進します。
鉄は正常なミトコンドリア機能に不可欠であり、我々は以前、アルツハイマー病における鉄恒常性異常の存在を裏付ける証拠を見つけるために、脳トランスクリプトームにおけるIREを含む転写産物のバイオインフォマティクス分析を使用した。 ここでは、ホモ接合性 park7-/- 変異ゼブラフィッシュ脳からのトランスクリプトーム データ内の IRE を含む転写物を分析しました。 我々は、これらの4-月齢のpark7-/-の脳では、5'非翻訳領域に「高品質」IREを持つ遺伝子セット（UTR、HQ5'IRE遺伝子セット）が大幅に変化していることを発見した。
ただし、3' UTR に IRE を持つ遺伝子セットは影響を受けないようでした。 HQ5'IRE 遺伝子に対する影響は、鉄の恒常性異常および/または酸化ストレスによって引き起こされる可能性がありますが、5' および 3' IRE に対する全体的な影響が異なる現在知られていないメカニズムの存在が明らかになります。
キーワード:
DJ-1、PARK7、パーキンソン病、ゼブラフィッシュ、RNA-seq、濃縮分析、鉄恒常性異常。
導入
パーキンソン病 (PD) は 2 番目に一般的な神経変性疾患であり、60 歳以上の人口の約 1% が罹患しています。 PD のほとんどの症例は特発性ですが、PD 症例の約 5 ～ 10% では明らかな遺伝的関連が確認されています [1]。 常染色体劣性早発型 PD に関係する遺伝子の 1 つである PARK7 は、パーキンソン病タンパク質 7 (PARK7) をコードしています。
PARK7 タンパク質は、メチルグリオキサールの解毒のための GSH 非依存性グリオキサラーゼとして、また酸化ストレスによって損傷したタンパク質の機能の回復を担うタンパク質グリコースとして作用することが示唆されています。 ただし、これらの活動は PD で議論されています ([2] でレビューおよび分析されています)。 PARK7 はまた、ミトコンドリア機能の維持、活性酸素種 (ROS) の感知と応答において重要な役割を果たし、最終的には神経保護に作用します ([3] で概説)。
PD は、黒質緻密ドーパミン作動性 (SNc DA) ニューロンの特異的な枯渇を特徴とします。 これらのニューロンは大脳基底核で多数のシナプスを形成します。 その結果、SNc DA ニューロンは高いエネルギー要求によりエネルギー欠乏に敏感になる可能性があります [4]。 酸化的リン酸化のプロセスによるエネルギー生成には、多くの要因が影響を与える可能性があります。
特に、第一鉄 (Fe2+) は、酸化的リン酸化における電子伝達系 (ETC) の機能の中心となる Fe-S クラスターに組み込まれます [5]。 ETC の機能不全は酸化ストレスを引き起こし、(主に) 細胞質の PARK7 タンパク質がミトコンドリアに移行して活性酸素種 (ROS) の影響を制御する可能性があります [5]。
PARK7 に変異がある人ではこのプロセスが変化している可能性があり、ETC 機能不全や鉄の恒常性異常（鉄制御タンパク質、IRP1 および IRP2 への影響による）を引き起こし、ドーパミン作動性ニューロンに損傷を与えます。
IRP1 と IRP2 は、鉄恒常性に関与する遺伝子の mRNA 内の IRE に結合し、その翻訳と安定性を調節します ([6] で概説)。 IRP は、細胞の第一鉄状態と酸化ストレスの両方によって調節されます [6]。 以前に、我々は、ヒト、マウス、およびゼブラフィッシュの転写産物の5'または3'UTRのいずれかに（IREコンセンサス配列との類似性が低いまたは高い）IREを有する遺伝子セットを定義しました[7]。 これらを使用して、アルツハイマー病 (AD) の脳および AD の動物モデルにおける鉄の恒常性異常を支持する証拠を発見しました [7]。
PD 遺伝子のオルソログは以前に同定され、ゼブラフィッシュで操作されています。 たとえば、ヒューズら。 [8] は、PARK7 の機能を調べるための新しいゼブラフィッシュ モデルを開発しました。 PARK7- オルソロガス遺伝子: park7 (park7-/-) を欠くゼブラフィッシュは、生後 3 か月で運動表現型を示し、ミトコンドリア代謝の破壊 (つまり、代謝のアップレギュレーション) を示唆する脳トランスクリプトームの遺伝子発現の変化を示します。酸化的リン酸化に関連する遺伝子）を生後 4 か月で発見した [8]。
したがって、我々は、park7-/-ゼブラフィッシュ脳における酸化ストレスおよび/または鉄恒常性異常により、IREを含む転写物へのIRPの結合が変化し、それによって転写物の安定性が変化すると仮説を立てた。 これを調査するために、我々は Hughes らのゼブラフィッシュ脳トランスクリプトーム データを再分析しました。 park7-/-ゼブラフィッシュ脳におけるIRE含有遺伝子セットの発現の変化を試験する。 我々は、HQ5'IRE遺伝子セットが4-月齢のpark7-/-の脳で大きく変化しているのに対し、HQ3'IRE遺伝子セットは変化していないことを発見した。
メソッド
park7-/- ゼブラフィッシュの脳における鉄恒常性異常の可能性の証拠をテストするために、IRE 遺伝子セット [7] に対して稚魚 [9] を使用して濃縮分析を実行しました。 Hughes らのこの再分析の詳細については、次の資料を参照してください。 [8] データ、追加ファイル 1 を参照。
結果
我々は以前、ゼブラフィッシュ遺伝子のセットを、それらのmRNAの5'または3' UTRのいずれかにIRE様モチーフがあるかどうか、およびそれらのIREが標準（高品質、HQ）または非標準のIRE配列（すべて）に一致するかどうかに従って定義しました。 7]。 私たちは、HQ5'IRE遺伝子セットの転写物のみが、4-月齢のpark7-/-の脳におけるグループとしての遺伝子発現に統計的に有意な変化を示すことを発見しました（図1a）。 興味深いことに、HQ5'IRE 遺伝子セットで最も上方制御されている遺伝子は alas2 です。
議論
RNA-seqデータにおける鉄恒常性異常の証拠を検出するための私たちの方法を使用して、生後4-月のpark7-/-の脳において、mRNAの5'UTRのIREによる遺伝子発現の非常に有意な変化を発見しました。
鉄の恒常性は、転写、mRNA の安定性、mRNA 翻訳など、いくつかのレベルで遺伝子発現を制御することによって維持されます ([10] で概説)。 後の 2 つの現象は、鉄調節タンパク質 IRP1 および IRP2 が IRE に結合すると、これらによって調節されます。 4-月齢の park7-/- 脳における HQ5'IRE 遺伝子の発現の非常に有意な変化は、これらの遺伝子の転写産物における IRP1 および/または IRP2 の IRE への結合の変化によるものと考えられます。
しかし、PARK7 の変異は酸化ストレスを引き起こすことが知られており [11]、酸化ストレスは IRP 形成にも影響を与える可能性があるため ([6] で概説)、HQ5'IRE の変化に寄与する酸化ストレスと鉄恒常性異常を区別することは困難です。遺伝子転写物の豊富さ。 実際、鉄はミトコンドリアの機能にとって非常に重要であるため、鉄の恒常性異常と酸化ストレスが同時に発生することがよくあります[12]。
興味深いことに、HQ3'IRE 遺伝子セットは park7-/- 脳では影響を受けていないように見えましたが、なぜそうなるのかについては現時点では説明がありません。 しかし、HQ5'IRE転写物の存在量に対する影響が実際にIRPの結合によるものであれば、これはIRPとIREの結合を区別できる（またはそのような結合の効果に違いを引き起こす）機構が存在することを示している。 IRE が転写物の 5 ' UTR に存在するか 3 ' UTR に存在するかに応じて異なります。
HQ5'IRE 遺伝子セットのメンバーの中で、park7-/- 脳では alas2 転写レベルが増加していることが観察されました。 alas2 活性と IRP の関係については、追加ファイル 1 で説明されています。
まとめると、park7-/- ゼブラフィッシュ脳からのトランスクリプトーム データの解析は、PD の初期の前臨床事象として鉄恒常性異常および/または酸化ストレスの可能性を裏付けています。 今後の研究では、ゼブラフィッシュの鉄恒常性とミトコンドリア機能に対するPD関連遺伝子の影響の性質を調査する予定です。 これらの効果を理解することで、治療法の開発における PD のメカニズムに関する洞察が得られます。
謝辞
[8] の生の転写産物数を提供してくださった Mary Elizabeth Pownall と Katherine Newling に、また鉄応答性エレメントを含むゼブラフィッシュ遺伝子セットを提供してくださった Nhi Hin に感謝いたします。
著者の寄稿
HYC が原稿を作成しました。 KB は方法論を作成し、図を生成し、バイオインフォマティクス分析を実行しました。 ML、LCP、KB がこの論文の分析を監修し、アドバイスを提供しました。 ML、KB、LCP、HYC が原稿を編集しました。 著者全員が最終原稿を読んで承認しました。
資金調達
KB は、オーストラリア政府研究訓練プログラム奨学金と Carthew Family Charity Trust からの資金によって支援されています。 ML はアデレード大学の学術職員です。 LCP はアデレード大学の学術職員であり、バーバラ キッドマン フェローシップによってさらに支援されています。
データと資料の入手可能性
Hughes らの生の転写カウントを再分析するために使用された R コード。 https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE でご覧いただけます。 Hughes らの生データ。 は、Gene Expression Omnibus(GEO) データベース GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271) から入手できます。 ゼブラフィッシュの mRNA の非翻訳領域に鉄応答性エレメント (IRE) を含む遺伝子のリストは、https://github.com/nhihin/ire で見つけることができます。
宣言
倫理の承認と参加への同意
適用できない。
掲載の同意
適用できない。
競合する利益
著者らは、競合する利益を持たないことを宣言します。
参考文献
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2. アンドリーバ A、ベッコジン Z、オメルタソヴァ N、バイズヒューマノフ T、イェルタイ G、アクメタリ M、他。 DJ-1 の明らかに繊細な活性は、ヘミチオアセタールおよびヘミアミナールとの急速な平衡状態にある遊離メチルグリオキサールの変換から生じます。 Ｊ Ｂｉｏｌ Ｃｈｅｍ． 2019;294(49):18863–72。
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For more information:1950477648nn@gmail.com
