神経変性疾患におけるマクロオートファジーとマイトファジー: 治療介入に焦点を当てる パート 2
Jul 02, 2024
2. マイトファジー
ミトコンドリアは、膜内空間によって分離されたミトコンドリア内膜 (IMM) とミトコンドリア外膜 (OMM) で構成される二重膜を保持しています。
ミトコンドリア内膜は細胞の重要な構成要素です。その主な機能は、細胞が必要とするエネルギーを生成し、細胞全体の代謝を制御することです。現代の生物学研究は、ミトコンドリア内膜が人間の認知能力、特に記憶力にも密接に関連していることを示しています。
ミトコンドリア内膜の分子には、膜タンパク質や酸化的リン酸化系など、認知や神経系に関連する構成要素も含まれています。これらの成分は脳細胞の代謝プロセスに直接関与しており、その活動状態はニューロンの正常な機能に影響を及ぼし、それによって人間の認知と記憶に影響を与えます。
さらに、ミトコンドリア内膜にあるミトコンドリアトランスポーターと呼ばれる分子も、記憶の保存と想起において重要な役割を果たしています。この分子は、ニューロンがシナプス間で化学信号を伝達するのを助け、シナプスの接続を強化することで、記憶の長期保存と正確な想起を実現します。
要約すると、ミトコンドリア内膜と認知能力および記憶との関係は、長い間科学的に検証されてきました。ミトコンドリア内膜の代謝状態を最適化すると、脳の作業効率が向上し、人々の認知能力と記憶能力が向上します。したがって、食事を適切に調整し、運動し、良好な姿勢を維持することでミトコンドリア内膜の健康を促進し、それによって記憶力と認知能力を高めることができます。私たちは記憶力を向上させる必要があることがわかります。シスタンシュには、記憶と学習に非常に重要なアセチルコリンや成長因子のレベルを高めるなど、神経伝達物質のバランスも調節できるため、記憶力を大幅に向上させることができます。さらに、シスタンシュは血流を改善し、酸素の供給を促進することで、脳に十分な栄養とエネルギーを確保し、それによって脳の活力と持久力を向上させることができます。
この細胞小器官の構成は、電気化学的勾配を維持するために不可欠であり、ミトコンドリアが細胞が使用するのに必要な量の ATP を生成できるようにします [77]。欠陥のあるミトコンドリアの除去は、ミトコンドリアの健全なプールを維持し、生存能力を維持するために不可欠な品質管理メカニズムです。神経細胞内のネットワーク [78]。
これらの細胞は、代謝要求が高いため、ミトコンドリアの欠損に対してより敏感であるため、機能不全を起こした細胞小器官を選択的に除去することが、信頼性の高い神経伝達にとって不可欠です。
不可逆的に損傷した、または効率がなくなったミトコンドリアは、特殊な受容体が欠陥のあるミトコンドリアを認識し、オートファジー小胞を標的とするカーゴを媒介する選択的機構であるマイトファジーによって除去される[79]。細胞は、欠陥のあるミトコンドリアをリサイクルするためのさまざまな方法、すなわちユビキチン依存性経路と独立性経路を利用する。
主に、神経細胞は、PTEN 誘導性キナーゼ 1 (PINK1)/Parkin によって制御されるユビキチン依存性の機構システムに頼って、活性かつ動的なミトコンドリアのプールを保存します。
PINK1はアミトコンドリアタンパク質であり、OMMに蓄積すると、損傷したミトコンドリアに分解のフラグを立てるため、ミトコンドリアの機能を維持するためのセンサーとして機能します[80]。
PINK1 はミトコンドリアを標的とする配列を示し、外膜 20 および 40 (TOM20 および TOM40) のトランスロカーゼと複合体を形成することによって系統的に IMM に移入され [81]、そこで膜内セリンプロテアーゼ プレセニリン関連菱形様 (PARL) によって切断されます。 82] したがって、生理学的条件下では低レベルに維持されます。
特定の損傷を受けると、TOM20/40 と PINK1 の間の分子相互作用が減少し、PINK1 が損傷したミトコンドリアの OMM にクラスター化し、パーキンのリン酸化とその後の補充が促進されます [83]。
サイトゾルE3ユビキチンリガーゼであるParkinは、シークエストソーム1（SQSTM1）とも呼ばれるp62などの受容体によって認識されるOMMの無数のタンパク質をユビキチン化します。 p62/SQSTM1 は、ATG8 ファミリーの LC3/GABARAP 受容体と相互作用することにより、ユビキチン化ミトコンドリアをオートファゴソーム集合部位に駆動する役割を担うユビキチン結合受容体です [84]。
これらの受容体は、オートファゴソーム集合部位で損傷したミトコンドリアを特異的に標的とするために、多くの OMM タンパク質の LIR モチーフも認識します [85]。神経細胞では、2 つの二機能性タンパク質、BCL2 とアデノウイルス E1B 19 kDa 相互作用タンパク質によって調整されるユビキチン非依存性マイトファジー 3 (BNIP3L) および BNIP3- 様プロテイン X (NIX) も、網膜神経節細胞 (RGC) の分化に関与しています。 BNIP3 と NIX には BH3 ドメインが含まれており、主に OMM にあります。
これらのタンパク質は、LC3 およびそのホモログ GABARAP に対する親和性を持つ WXXL 様モチーフを持ち、ミトコンドリアをオートファジー小胞に駆動します。網膜の神経新生中に、両方のタンパク質の発現増加を伴う代謝変化が起こります [86]。
NIX活性は、いくつかの細胞株の活性酸素種（ROS）レベルを増加させることによって媒介される可能性があり[87]、発生機能とは別に複雑さの新たな層が追加される。実際、ミトコンドリアの損傷の結果として ROS 産生が増加し [88]、セミトファジーを誘発する可能性があります [88]。 NIX は、CCCP などの脱分極刺激によるパーキンのミトコンドリアへの移動も調節できます [87]。
さらに、BNIP3L および NIX 調節性ミトファジーには神経保護機能があります。脳虚血のモデルでは、これらのタンパク質によって媒介されるミトコンドリアの選択的分解は、神経細胞の生存と機能にとって重要であった[89]。さらに、PD患者由来の細胞株で観察されるマイトファジー欠陥を回復するには、NIXの過剰発現だけで十分です[90]。
Fun14 ドメイン含有タンパク質 1 (FUNDC1) は、LC3 および GABARAP と相互作用し、低酸素状態でマイトファジーを媒介する OMM タンパク質です。恒常性レベルでは、FUNDC1- 依存性マイトファジーは、Tyr18 の LIR モチーフ部分における Src キナーゼ媒介リン酸化によって抑制されます。
低酸素状態では、Src 活性の低下により FDUNC1 Tyr18 の脱リン酸化が起こり、LC3 との相互作用とそれに続くマイトファジーが促進されます [91]。さらに、AMPKによるULK1のSer555での低酸素によるリン酸化は、ULK1のミトコンドリアへの移行を促進し、FUNDC1活性を増強する[92]。さらに、オプチニューリン (OPTN) は OMM に位置するサイトゾル受容体であり、LC3 との相互作用を通じてマイトファジーを促進します [93]。
興味深いことに、OPTN の機能不全は神経変性疾患や他の病状と関連している [94]。全体として、マイトファジーはニューロンの代謝と恒常性を維持するための重要な品質管理メカニズムを構成します。
ニューロン内のミトコンドリアの輸送は順行性と逆行性の動きに依存しており、ニューロン構造に沿ったエネルギー的および代謝的要件を満たすために不可欠です。これらの動きはミトコンドリアの修復と分解にも不可欠であり、輸送アダプタータンパク質によって補助されます (図 3)。
3. オートファジーと神経変性疾患
3.1.アルツハイマー病
AD は神経変性疾患であり、高齢者に最も蔓延している認知症の形態であり、世界中でほぼ 5,000 万人が罹患しています [95]。若年性家族性AD（EOAD、fAD）は症例の5％未満を占め、65歳未満で発症します。
3 つの遺伝子における常染色体優性変異が EOAD と関連している:アミロイド前駆体タンパク質 (APP) 遺伝子、プレセニリン-1 (PSEN1) およびプレセニリン-2 (PSEN2) 遺伝子、-セクレターゼ複合体のサブユニット[ 95]。しかし、最も一般的な形態は、罹患率が95％を超え、病因が不明である遅発性散発性AD（LOAD、sAD）です。
アルツハイマー病の神経病理学は、進行性の認知障害と記憶力の低下を特徴とし、これは、シナプスを損なうアミロイド斑（A、アミロイドペプチドの凝集）およびニューロン内神経原線維変化（NFT、過剰リン酸化タウタンパク質の凝集）の細胞外沈着の存在と相関している。完全性と恒常性が低下し、海馬や皮質などの特定の脳領域に不可逆的な損傷を引き起こす[96]。
A ペプチドは、アミロイド生成経路を介した、β-部位 APP 切断酵素 1/-セクレターゼ (BACE1) および - セクレターゼによるアミロイド前駆体タンパク質 (APP) の連続的なタンパク質分解プロセシングによって生成されます。 BACE1 による APP の切断は、散発性 AD 患者の脳で活性が上昇しており [97]、主にエンドソームで起こり、最適な酵素活性に酸性環境を提供します [98]。
APP の細胞内輸送は、分泌経路およびエンドサイトーシス経路によって発生します。 APPは細胞膜に分泌され、その後クラスリン媒介またはカベオリン媒介のエンドサイトーシスによって内部移行される[99]。
エンドソームでは、APP は BACE1 によって切断され、N 末端 APP フラグメント (sAPP ) と C 末端フラグメントが生成されます。後者は、βセクレターゼによるさらなる切断を受けることができ、その結果、A および APP 細胞内ドメインが形成されます。非アミロイド生成経路では、APP は A ドメインの中央でβセクレターゼによって切断され、A ペプチドの形成が妨げられます。
α-セクレターゼによる切断はC末端フラグメントの異なる位置で起こり、その結果、異なる長さのAペプチドが形成されます。形成される最も一般的な可溶性ペプチドは A 1-38 と A 1-40 で、次に A 1-42 が続きます。後者は疎水性が高く、三量体および四量体オリゴマーを形成しやすいため、最も毒性の高いアイソフォームとなります。 [100]。
オリゴマーは、細胞外で集合してアミロイド斑を形成するプリーツシートを備えた A フィブリルを形成する傾向があります [101]。 A は、通常、軸索微小管の重合と組み立て、および小胞輸送を助ける微小管関連タンパク質であるタウの過剰リン酸化と凝集にも関連しています。
タウイのリン酸化状態は、A オリゴマーの存在下で調節される異なるキナーゼおよびホスファターゼによって調節されます。たとえば、グリコーゲンシンターゼキナーゼ-3 (GSK3) とプロテインホスファターゼ 2A(PP2A) はタウのリン酸化状態を直接制御します [102]。タウの過剰リン酸化状態は、微小管との会合を阻害し、その安定化に影響を及ぼし、微小管ネットワークの分解を引き起こす[103,104]。
過剰リン酸化タウのタンパク質分解による切断は、凝集体よりも毒性の高いタウオリゴマーの形成を引き起こし[105]、進行性のニューロン死を引き起こす[106]。
3.1.1.アルツハイマー病におけるオートファジー障害
ADでは、Aオリゴマーの蓄積とタウの過剰リン酸化に起因する異なる分子病原機構、すなわちミトコンドリア機能不全[107,108]、および折り畳まれていないタンパク質応答やオートファジーなどのタンパク質恒常性システムの破壊[109]が報告されている。
AペプチドはAPPの正常なプロセシングと分解に重要なKFERQ関連モチーフを示しますが、これらのフラグメントはCMA分解の基質ではなく[110]、マクロオートファジーはそれらのクリアランスを助けます[111]。
実際、マクロオートファジーは、APP [112] と、A [113] および APP-CTF (アミロイド前駆体タンパク質切断 C 末端断片) [114] を含むその切断産物の分解と除去に関与しているため、A 代謝において重要な役割を果たしています。
オートファジーの機能不全は、AD 患者と動物モデルの両方で実証されています。 AD 患者の脳では、繊維状タウを含む未熟なオートファジー小胞の蓄積がジストロフィー性神経突起に観察されました [115]。
これらのオートファジー小胞は、患者の齧歯類モデルの脳のアミロイド斑の近位領域でよく見られます[116]。興味深いことに、オートファゴソームの蓄積は、Aプラークが出現する前であっても、APP/PS1トランスジェニックマウスニューロンの樹状突起および細胞体でも観察された[117]。さらに、PS1M146L/APP751SLマウスモデルの海馬では、ニューロン喪失の前に未熟なオートファジー小胞の蓄積が観察された[118]。
ニューロンにおけるオートファゴソームの異常な蓄積は、欠陥のあるオートファジー - リソソーム経路が AD における A オリゴマーおよびタウ オリゴマーの蓄積に寄与していることを示唆しています [117]。 APP と PSEN1 はオートファゴソームに局在します。したがって、これらの細胞小器官の蓄積は A 世代の増加に関連しており、これがオートファゴソーム膜を妨害します [115]。
したがって、AD脳およびAPP/PS1トランスジェニックマウスに記載されている未熟オートファゴソームは、A世代の別の供給源を構成する可能性がある。 PSEN1-EOAD 患者の脳は、アミロイド病理と神経変性に関連するリソソーム障害を示します [119]。
オートファゴソームの蓄積は、オートファゴソームとリソソームの融合障害またはリソソーム消化の欠陥に起因する可能性が示唆されている[120]。研究では、オートファジー開始の変化、特にアルツハイマー病患者およびマウスモデルの皮質におけるベクリン1発現の減少が示されている[121]。 。 AD患者におけるカスパーゼ3の活性の増加は、ベクリン1の過剰な切断を説明する可能性がある[122]。
ヒトAPPを発現するADのトランスジェニックマウスモデルにおけるBeclin 1の遺伝的減少はA蓄積を増加させたが、Beclin 1の過剰発現はAレベルを有意に減少させた[113]。Beclin-1に加えて、他のATGタンパク質も下方制御された。依存的な方法で、A が蓄積されます [123]。オートファジーの制御における重要なタンパク質である ATG7 は、アルツハイマー病の病態に関与していると考えられています。
ATG7のレベルは、ADマウスモデルの大脳皮質と海馬で減少していることが判明したが、AD患者の側頭皮質では変化は検出されなかった[124]。 ATG7 ノックダウンマウスは、細胞内 A の増加を伴う A 分泌の減少を示し[125]、これは分泌される多胞体への A ペプチドの輸送における ATG7 の役割をさらに裏付けるものである。
p62 の発現はトリプルトランスジェニックマウスモデルで減少することが示されており、AD における選択的オートファジーの初期段階が損なわれている [126]。しかし、ゲノムワイドな解析により、アルツハイマー病におけるオートファジーの正の制御因子の転写上方制御が明らかになった。
オートファジーの活性化と一致して、ATG タンパク質レベルの上方制御と、オートファゴソーム形成およびリソソーム生合成のより高い速度が AD の初期段階で観察されました [127]。この論争は、アルツハイマー病の初期段階と後期段階における異なるオートファジー制御を示唆しており、これは、さまざまなモデルでメカニズムを評価するとき、および治療戦略を探索するときに考慮されるべきである。
ジストロフィー性神経突起における未熟なオートファゴソームの存在は、オートファジー関連小胞の逆行性輸送とその成熟がADにおいて障害を受けていることを示唆している[128]。これを裏付けるように、AD [64] に記載されているように、リソソームへのオートファゴソーム送達の阻害は、同様の形態を持つ神経突起への蓄積をもたらします。
オリゴマーはダイニン-スナップ複合体を破壊し、軸索小胞輸送を損なう可能性があり、これがリソソメシンADへのオートファゴソームの送達欠陥の一因となる可能性がある[129]。タウの分解は主に軸索に存在し、神経突起や細胞体にはあまり見られませんが、そのオリゴマー化状態に応じてプロテアソームまたはマクロオートファジーによって起こります。
プロテアソームを介したタンパク質分解が疾患の進行によって損なわれると、ADに関連するタウ修飾がマクロオートファジーを通じてその分解を促進する[130]。関連して、タウの分解により、CMA によって LAMP-2A の標的となる Hsc70 に結合するさまざまなフラグメントが生成される可能性があります [131,132]。
それでも、リソソーム膜におけるこれらの断片の蓄積はタウの凝集を引き起こし、それがリソソームの完全性を破壊し、CMAをブロックする[132]。オートファジー - リソソーム経路の障害によりタウオリゴマーの凝集が生じ、ラパマイシンでマクロオートファジーが誘導されるとタウオリゴマーが分解される[132,133]。
タウは、微小管の安定化を介したオートファゴソームのリソソームへの逆行運動に不可欠であり、ADではその役割が損なわれている[134]。タウの過剰リン酸化とそのオリゴマー化は、微小管機構の変位をもたらし、その結果、オートファゴソームの運動と成熟が障害され、これもオートファジーの機能不全に寄与します。
オートファゴソーム輸送の欠陥とは別に、アルツハイマー病ではリソソーム機能の障害も報告されています。 PSEN1 は、リソソーム内腔を酸性化する液胞 ATP アーゼのシャペロンとして機能するリソソーム機能の調節因子です。 PSEN1の変異はリソソームの酸性化とオートファゴソームとリソソームの融合を阻害し、その結果、A搭載オートファゴソームの蓄積が生じる[135]。
さらに、アルツハイマー病ではリソソームのタンパク質分解が影響を受けることが示唆されました。 ADトランスジェニックマウスモデルから単離されたリソソーム画分とオートファゴソーム画分の両方に、高レベルのA、LC{0}}II、およびユビキチン化タンパク質が存在していた[136]。これと一致して、健康なニューロンにおけるリソソームカテプシンの阻害によるリソソームタンパク質分解の破壊は、AD患者やトランスジェニックマウスモデルに存在するものと同様の形態を持つオートファジー小胞の蓄積をもたらす[64]。
Aはまた、リソソーム膜の完全性を損ない、その結果、細胞質へのカテプシンの放出が引き起こされる[137,138]。前臨床アルツハイマー病患者の血液から単離されたエキソソーム中のカテプシン D の存在 [139] は、リソソーム機能が無効であるという仮説を裏付けています。興味深いことに、カテプシン D コード化遺伝子の遺伝的変異も AD の危険因子として記載されています [140]。
アルツハイマー病の初期から最新期までのニューロンにおけるオートファジープロセスの分析では、初期段階ではオートファジー遺伝子の発現が増加していることが示されたが、リソソームクリアランス欠陥により疾患の進行に伴ってオートリソソーム構造が蓄積することが示された[141]。サーチュイン（SIRT）には次のグループが含まれる。複数の細胞経路の調節因子であるニコチンアミドアデニン ジヌクレオチド (NAD+) 依存性タンパク質の研究。
その中でも、Sirt1 はオートファジー制御に関連しています。 SIRT1 のレベルが低いと、下流のオートファジータンパク質 (ATG5、ATG7、LC3 など) の脱アセチル化を介した活性化が損なわれ [142]、これも AD におけるオートファジー障害に寄与する可能性があります。 SIRT1 のレベルは AD 脳患者の頭頂皮質で減少し、A およびタウもつれの蓄積と相関している [143]。
オートファジーの中心的なコーディネーターである mTOR の活性化は、AD において A 蓄積に応答して説明されている [144]。 AはmTOR活性を増加させ、その結果、タウ発現とGSK3 -媒介リン酸化も増加し[145]、タウ媒介病因におけるmTORの役割を裏付けている。さらに、AD 患者の脳では、mTOR シグナル伝達によるエキソサイトーシス小胞を介したリン酸化タウの分泌が観察された [146]。
PI3K/Akt/mTOR 経路の調節不全も AD の発症に関係している [147]。成長因子 (例、インスリン様成長因子 -1、IGF1) による PI3K の活性化は、Akt のリン酸化と Akt の間接的な活性化を促進する。 mTORC1、オートファジーを促進します。 ADでは、AはPI3K/Akt/mTOR経路と相互作用して阻害し[148]、GSK3の活性化とタウの過剰リン酸化の増加を引き起こす。
さらに、リソソーム生合成のマスター調節因子である転写因子 EB (TFEB) は、mTORC1 の下流標的です。 mTORC1活性の低下は、TFEBの脱リン酸化とその核への移行を誘導し、オートファジーおよびリソソーム生合成関連遺伝子の発現を活性化する[149]。
AD 患者の脳サンプル (海馬) では TFEB のレベルが減少しており、特に疾患の進行段階では核内の TFEB レベルが減少していることが判明した [150]。
さらに、プレセニリン欠損線維芽細胞では核へのTFEB移行が減弱され、多能性幹細胞由来のヒトADニューロンが誘導され、その結果CLEARネットワーク活性化が低下した[151]。
しかし、ダブルトランスジェニックAPP/PS1動物モデルでは、8-月齢のADマウスの海馬で総TFEBおよび核TFEBレベルの増加が検出され、同時にその下流標的の増加が検出され、TFEBがリソソームに関与していることが示唆された。 AD 進行を媒介する [152]。 TFEB標的遺伝子の上方制御は、PS1コンディショナルノックアウトマウスおよび5xFADマウスでも報告されている[153]。
TFEBネットワークの活性化は、AD動物モデルにおけるオートファジーの障害を補おうとする試みを反映している可能性がある。 AD の発症におけるリソソーム機能のマスター調節因子としての TFEB の正確な役割は完全には理解されておらず、さらなる研究が必要です。
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