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 03, 2024
3.1.2. ADにおけるマイトファジー
損傷したミトコンドリアの蓄積はアルツハイマー病の特徴です。ミトコンドリアの機能不全とそれに関連する生体エネルギーの欠損と酸化ストレスは、タウの A 凝集と過剰リン酸化に寄与し [154,155]、これらはミトコンドリアの欠損のメディエーターである [156]。
ミトコンドリアは細胞内のエネルギー工場であると考えられており、ミトコンドリアが損傷すると、記憶喪失などの一連の健康上の問題を引き起こす可能性があります。しかし、ポジティブな側面もあります。適切な対策を講じれば、ミトコンドリアの状態を効果的に改善し、記憶力を向上させることができます。
ミトコンドリアの主な機能は、細胞のさまざまなニーズを満たすエネルギーを生成することです。しかし場合によっては、ミトコンドリアが損傷し、エネルギー生産が低下し、記憶喪失などの健康上の問題を引き起こす可能性があります。さらに、ミトコンドリアは炎症を引き起こし、身体の健康にさらに影響を与える可能性があります。
しかし、現代医学の発展の文脈では、ミトコンドリアの健康を回復するのに役立ついくつかの方法を使用できます。たとえば、有酸素運動、バランスの取れた食事、運動はミトコンドリアの健康を促進し、それによって記憶力を向上させることができます。さらに、天然のハーブやナッツなどの一部の自然食品には、体の正常な状態を維持するために、ミトコンドリアの修復と保護に優れた効果があります。
つまり、ミトコンドリアの損傷は健康上の問題を引き起こす可能性がありますが、身体の健康と知性をよりよく維持するために、ミトコンドリアの健康を改善する方法を模索するために、さまざまな方法を積極的に模索し続ける必要があります。私たちは記憶力を改善する必要があることが分かります。カンザスは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬素材であり、そのうちの 1 つが記憶力の向上であるため、カンザスは記憶力を大幅に向上させることができます。シスタンケの効果は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体など、含まれるさまざまな有効成分によってもたらされます。これらの成分は、さまざまな方法で脳の健康を促進します。
したがって、Aペプチドは、機能的なミトコンドリアを持たない細胞（ミトコンドリアDNAが枯渇した細胞）に対して毒性はありません[157]。一次皮質ニューロンを A 1-42 ペプチドに曝露すると、ミトコンドリア膜移行孔の開口が誘導されます [156]。
さらに、皮質ニューロンとAおよびNMDAを介したNMDARの活性化の同時曝露は、ミトコンドリアの脱分極とミトコンドリアのカルシウム保持の増加をさらに誘導します[158]。さらに、A凝集体に曝露されたシナプス終末は、ミトコンドリアの機能不全、より高いレベルの酸化ストレス、グルタミン酸とグルコースの輸送障害を示した[159]。
さらに、タウ変異マウスの脳組織からのサンプルは、ミトコンドリアの呼吸欠陥と ROS の産生の増加を示しました [160]。 N末端タウフラグメントの蓄積は、ヒトAD脳におけるミトコンドリアのシトクロムcオキシダーゼ活性の低下と関連していた[161]。
さらに、ミトコンドリアの欠陥によって引き起こされるATPの枯渇はAMPKを活性化し、その結果オートファジーを活性化し[162]、ミトコンドリアの機能とオートファジー制御を結びつけている。
アルツハイマー病では、マイトファジーによる不健康なミトコンドリアの除去が損なわれていますが、そのメカニズムは完全には解明されていません。 AD患者の死後海馬組織およびAD iPSC由来ニューロンを用いた以前の研究では、マイトファジー関連タンパク質のレベルが低いこと、PINK1およびBNIP3L/NIXのレベルが低いこと、およびホスホULK1などのマイトファジー開始タンパク質の不活性化が示されている[163]。
マイトファジーの障害は、APP およびタウ過剰発現モデルでも説明されています [164]。 ADの発症における欠陥のあるマイトファジーの役割は、神経細胞のマイトファジーの矯正後のAPP/PS1マウスモデルにおける記憶力の改善によってさらに裏付けられた[163]。 ADモデルを用いた研究では、ミトコンドリア膜へのタウの挿入がパーキン媒介マイトファジーを無効にすることが示された[165]。
さらに、パーキンで回復したミトファジン A 処理細胞の過剰発現とミトコンドリア機能が改善されました [166]。ミトコンドリアへのパーキンの転座の増加にもかかわらず、リソソーム内に未消化のミトコンドリアが存在することは、初期段階のアルツハイマー病においてリソソーム効率が不十分であることを示している[167]。
ミトコンドリア分裂（オートファゴソームに飲み込まれる前に損傷したミトコンドリアを単離するために不可欠なステップ）に関与するタンパク質のレベルは、ADbrain で上昇している [168]。
一貫して、断片化に向けたミトコンドリア形態の変化がADで観察され、Aおよびp-タウのレベルが増加し、これらのタンパク質がDrp1分裂関連タンパク質と相互作用すると悪化する[169]。
順行性運動の障害は、トランスジェニックADモデルのニューロンに示されるミトコンドリア機能不全の一因となる[170]。順行性運動の欠陥は、古いミトコンドリアと体細胞の新しく形成された細胞小器官との融合を損ない、その融合媒介修復を阻害する。さらに、AD [129] に記載されている逆行性運動の欠陥は、オートファジーによる体細胞内の欠陥ミトコンドリアの除去を減少させる。
ADで説明されているSIRT1レベルの低下は、オートファジータンパク質の活性化、ミトコンドリア内のPINK1の安定化、およびマイトファジー受容体Nix/BNIP3LおよびLC3の制御も損なう[171]。
さらに、アルツハイマー病ではミトコンドリアの SIRT3 レベルが低下し、その結果、FOXO3- を介した p62 の活性化が低下します [172]。 ADではNAD+の細胞内レベルの低下が報告されており[173]、NAD+レベルの枯渇もサーチュイン活性を低下させる可能性がある。
したがって、SIRTのレベルと活性の低下はマイトファジーを損なう可能性があり、ADでは損傷したミトコンドリアの蓄積につながります。
3.2.パーキンソン病
PDは、黒質緻密部(SNpc)におけるドーパミン作動性ニューロンの変性損失から生じ、ドーパミン欠乏症を引き起こす神経変性疾患である[174]。
姿勢の不安定、運動緩慢、歩行はこの病気の典型的な特徴であり、多くの場合嗅覚低下や胃不全麻痺や便秘の形での顕著な胃腸合併症を伴う[175]。
PD の組織病理学的特徴は、レビー小体 (LB) と呼ばれる線維状凝集体の存在であり、-シヌクレイン(aSyn) が主要構成要素である [176]。 aSyn は、ニューロンの発達とシナプスシグナル伝達における多くの機能を担う、ネイティブに折りたたまれていないタンパク質です [177]。
しかし、いくつかの研究では、野生型 (WT) aSyn の欠如は基礎神経機能には関連しないことが示されており [178]、aSyn の機能喪失は PD を引き起こさないことが示唆されている。激しい議論にもかかわらず、aSyn オリゴマーは神経細胞に対して有毒です [179]。
3.2.1. PDにおけるオートファジー
オートファジーが初めて PD と関連付けられたのは、Anglade らが PD 患者の死後脳における SNpc のドーパミン作動性ニューロンの死滅がオートファジーの調節解除と関連していることを発見したときである [180]。
単量体 aSyn は寿命の短いタンパク質であるため、その生理学的レベルは主にユビキチン - プロテアソーム システム (UPS) によって維持されます [181]。しかし、aSyn 細胞内過負荷の場合、UPS によるネイティブ aSyn のクリアランスが不足し、aSyn モノマーの除去がオートファゴソーム - リソソーム経路 (ALP) に移行します [182]。
興味深いことに、黒質にヒトαSynアデノウイルスを注射したマウスを用いた研究では、疾患の初期段階で多くのオートファジータンパク質が上方制御されていることが実証され、この段階でオートファジーの増加が示唆されている[183]。しかし、死後研究ではLC3 IIのレベルの増加とカテプシンDの減少が示されており、ALP経路の機能障害が指摘されている[121]。
さらに、組織学的所見は、LC3 IIがしばしばaSyn封入体内に局在していることを示しており[184]、これは欠陥のあるオートファジープロセスだけでなく、マクロオートファジーがaSyn凝集体の除去に関与していることも示唆している[185]。
PD患者の死後の脳ではLAMP2aおよびHsc70の発現低下が観察されるため、CMAはPDにおいて強く損なわれている[121,186]。興味深いことに、残りのLAMP2a陽性小胞は、ウイルスと共局在した。これらの観察は、aSyn がリソソーム小胞に対して強い特異性を持つ KFERQ 様ペンタペプチド 95VKKDQ99 を保有しているという事実と一致しています [187,188]。
aSyn オリゴマーでは、このペンタペプチドは依然として利用可能であり、凝集体がリソソーム受容体に結合することを可能にし、リソソームへの aSyn の移入をブロックします。これは、PD における神経細胞の CMA で観察される欠陥を部分的に説明します [185]。さらなる研究により、aSyn の翻訳後修飾も CMA 経路を妨げ、全体的な細胞毒性に寄与することが実証されました [189]。
実際、LAMP2aの下方制御によって達成されるCMAの特異的阻害は、ラットの皮質ニューロンにおける天然aSynレベルの増加に関与しているようである[190]。さらに、ラットの黒質線条体回路におけるLAMP2a発現の減少は、aSynタンパク質レベルの増加およびLC3発現の増加を伴うドーパミン作動性細胞死につながる[191]。
したがって、CMA は WT aSyn の分解に非常に関連した経路であると思われます。グルコセレブロシダーゼ (GBA) は、これらの小胞の内腔におけるグルコセレブロシドとグルコシル スフィンゴシンの切断に関与するリソソームタンパク質です。
GBA欠損症はリソソーム内での基質の蓄積を引き起こし、リソソーム内経路に悪影響を及ぼします。興味深いことに、GBA 遺伝子座のヘテロ接合性変異は、PD 発症の主要リスク因子と考えられています [192]。ホモ接合型 GBA 変異個体はゴーシェ病を発症し、その結果、大部分がパーキンソニズムを発症します [193]。
GBA と aSyn 病理の間の関連性は、別の形態のパーキンソニズムを伴う一連の疾患であるレビー小体型障害の患者で発見されました。これらの患者では、aSyn 封入体の存在は、死後の脳の SNpc における変異型 GBA の存在と高度に相関していた [194]。
注目すべきことに、ヘテロ接合型GBA PD患者のiPSC由来のドーパミン作動性ニューロンでは、GBA活性の低下を示し、対照細胞と比較した場合、PD由来ニューロンにおけるaSynオリゴマーレベルの増加を伴い、リソソームの数の増加と拡大が見出された[195]。 。
さらに、ラット線条体における GBA ノックダウンは、オートファジー経路の破壊に続いて、オリゴマー aSyn の蓄積を引き起こしました。ベクリン-1は、GBA活性の低下によりその活性が下方制御され、同時にLC3 IIも減少するため、GBAの効果を媒介する可能性がある[196]。
ロイシンリッチリピートキナーゼ 2 (LRRK2) は常染色体優性型の PD に関連しており、特発性 PD の主要な危険因子でもあります。多くの細胞機能とは別に、LRRK2 はオートファジーにおいて重要な役割を果たしており、プロセスのいくつかの異なる段階に関与しています [197]。
年齢依存性のLRRK2ノックインマウスモデルを用いた研究では、WTマウスと比較して中脳ニューロンにはLAMP2a陽性小胞の数が多いことが示され[197]、これはリソソーム小胞の蓄積を示唆している。 LRRK2ノックイン中脳細胞ではKFERQモチーフを有するリソソーム特異的基質のクリアランスが低かったため、この増加はCMA効率の低下と関連していた。
これは、LRRK2 が膜動員、小胞集合、輸送に関与する Rab GTPase のサブセットの活性を調節していることを示す証拠と一致しています [198,199]。G2019S は LRRK2- 関連の PD、および変異したLRRK2はオートファジープロセスを停止すると考えられています。
例えば、この変異型のLRRK2を発現する分化したSH-SY5Y神経細胞は、はるかに小さな神経突起とLC3小胞の異常な蓄積を示した[200]。さらに、変異体 G2019S LRRK2 を保有するマウスでは、初期および後期のオートファジー小胞の増加があり、チロシンヒドロキシラーゼ (TH) を保有するニューロンの数と皮質神経形態に悪影響を及ぼしました [201]。
これらの観察は、LRRK2 活性が mTOR 非依存性経路の Beclin-1 を介してマクロオートファジーに影響を与えると考えられているという事実によって裏付けられます [202]。ネイティブ aSyn のより高い発現は、特発性 PD 発症の危険因子であると考えられているため [203] ]、マクロオートファジーは、あらゆる細胞の存在量の維持において重要な役割を果たしています。
興味深いことに、研究結果は、aSyn の変異型の発現または WT aSyn の過剰発現がオートファジーをブロックし [204]、疾患進行におけるこのプロセスにおいて重要な役割を与えることを示している。これらの観察を裏付けて、Vogiatziらは、3-メチルアデニン(3-MA)の投与後、PC12細胞においてWT aSynが1.5-〜3.8-倍増加したことを発見した。マクロオートファジー阻害剤[190]。
さらに、aSyn フィブリルの播種により、分解耐性のある aSyn 封入体が生じ、マクロオートファジーにマイナスの結果が生じます。 aSyn凝集体を有する細胞はオートファゴソームの蓄積を示し[205]、これはaSyn封入体がファゴフォ形成のための膜輸送を促進するタンパク質であるmATG9の誤った局在化を促進するという事実によって説明できる[204]。
最近、中脳ドーパミン作動性ニューロン初代培養物における A30P aSyn 発現がオートファジー流動を停止させることが観察され、これはオートファゴソーム関連 LC3 タンパク質の減少とそれに伴う SQSTM1 / p62 レベルの増加によって観察される [206]。
さらに、PD患者由来の末梢血単核細胞では、ULK1やBeclin1などのオートファジータンパク質が調節不全であり、蓄積と相関していることが判明した[207]。オートファジーの自己再生特性はPDの病態生理学に不可欠であり、ミスフォールドされた単核細胞をリサイクルする能力がない。または凝集したタンパク質は神経細胞に重大な影響を及ぼします[61]。
したがって、研究では、オートファジーの障害がファクタリン PD の病因である可能性があることが示唆されています。例えば、老齢マウスのドーパミン作動性ニューロンのオートファゴソーム伸長に不可欠なATG7の特異的除去は、運動虚弱、TH陽性ニューロンの喪失、aSyn沈着などの特徴的なPD特徴を誘発する[208]。
さらに、ATG7 の枯渇は、SNpc ドーパミン作動性ニューロンにおける aSyn 含有体の p62- の存在とポリユビキチン化基質の大幅な増加をもたらします [209]。オートファジーの欠陥は PD モデルを横断するものですが、因果関係はさらに調査する必要があります。
3.2.2. PDにおけるマイトファジー
ミトコンドリアはPDの発症において中心的な役割を果たしている[210]。複合体 I 活性の低下を含むミトコンドリア不全は、特発性 PD 患者の死後の脳でよく報告されている [211,212]、黒質線条体ニューロンにおける酸化ストレスの増加 [213]、ミトコンドリアの Ca2+ 緩衝能力の低下 [214] 、PD 神経変性プロセスのよく知られた特徴であり、罹患したニューロンの損傷したミトコンドリアを除去することが最も重要であることが強調されています。 aSyn オリゴマーは、ミトコンドリア損傷を誘発することが報告されています。
実際、WT と変異体 aSyn は両方とも、細胞株 [215]、培養ドーパミン作動性ニューロン、PD 患者の脳 [216] のミトコンドリアに輸入されます。しかし、A53T aSyn はミトコンドリア内での蓄積速度が速く、複合体 I の活性を損ないます。そしてROS産生の悪化を引き起こす[217]。さらに、ドーパミン作動性ニューロン培養物を使用した研究では、pSer129 aSynを保持するaSyn凝集体がWT aSynよりもミトコンドリアに優先的に結合し、酸化的リン酸化の障害を引き起こすことが示された[218]。
実際、変異体 aSyn はミトコンドリアの断片化を刺激し、ミトコンドリアの表面でのカルジオリピンの存在を促進します [219]。カルジオリピンは、ミトファジーを開始するためにLC3に結合するミトコンドリアによって誘発される危険信号である[220]。
注目すべきことに、aSynはカルジオリピンに結合することができるため、LC3と競合し、マイトファジーを停止させることができる[219]。ParkinとPINK1の間の動的な相互作用により、損傷したミトコンドリアを正確に同定できるようになる。
驚くべきことに、パーキンおよびPINK1遺伝子の変異は、早期発症の常染色体劣性型PDの原因である[221]。これらのPD患者の脳では、SNpcおよび線維性神経膠症におけるニューロン集団の減少などの病理学的証拠が見つかった[222]。 PDでは、パーキン活性はDrp1機能を上方制御してミトコンドリア分裂を促進し、Mfn1/2の機能を下方制御して融合を防止し、その結果ミトコンドリアが小さくなり、ファゴフォアに飲み込まれやすくなる[223]。
興味深いことに、パーキンの変異体は、脱分極性の損傷後にミトコンドリア内に局在化できず、マイトファジーの阻害につながる[224]。さらに、Bcl-XLやMcl-1などのアポトーシス事象を調節するOMMに局在するタンパク質は、ミトコンドリアへのパーキンの動員を阻害し、マイトファジーをブロックする[225]。
さらに、選択的分解を受けやすい p62- 陽性ミトコンドリアは、変異型パーキンを発現する細胞では減少します [226]。これは、パーキンが不溶性凝集体に隔離されるために起こる可能性があります [227]。 Parkinが欠如しているトランスジェニックマウスは、pSer129 aSynの増加を示すが、aSynの総レベルは増加しない[228]。このような切除は、ミトコンドリア形態の変化に関連する軽度の黒質線条体欠損[229]を引き起こす可能性がある[230]。
これらの発見は、Ser129におけるaSynのリン酸化状態を調節するパーキンの能力によって説明できる[231]。PDに関連するPINK1変異型は、ミトコンドリアにパーキンを正確に動員できず、その結果、ミトファジーの機能不全を引き起こすことが証明された[232]。さらに、PINK1 の除去は、断片化したミトコンドリアの数の増加をもたらします [233]、これは PD 患者のドーパミン作動性ニューロンに共通の特徴です [234]。
ドーパミン作動性ニューロンの数はPINK1枯渇の影響を受けないままであるが、PINK1-/-マウスの線条体ニューロンはドーパミン放出能力の低下を示し[235]、酸化ストレスなどの外因性ストレス因子に対してより感受性が高い[236]。
これらの観察には、変異動物の呼吸数の低下とミトコンドリア複合体 I の活性の低下が伴っており [237]、この変異が PD に寄与していることが説明できる。 驚くべきことに、パーキンまたは PINK1 の欠乏だけではげっ歯類の明白な神経変性は誘導されず、このことは次のことを示唆している。他のパーキン/ピンク1-の独立したマイトファジープロセスが起こっている可能性がある[228]。
ミトコンドリアの機能不全、ひいてはマイトファジーの関連性は、1-メチル-4-フェニル-1、2,3,6-テトラヒドロピリジン（MPTP）やロテノンは、PD における分子機能不全を模倣することが多く、特発性 PD のモデルとして使用されます [238]。これらの毒素は複合体 I を阻害することでミトコンドリアを標的にし、これは通常 PD 患者の死後の脳で観察される特徴である [212]。
MPTPは、ドーパミン作動性神経変性とαSyn蓄積を促進することによりパーキンソニズムを誘発する[239]。 MPTP は血液脳関門 (BBB) を通過できる親油性化合物であり、星状細胞ではイオン型 1-メチル4- フェニル ピリジニウム (MPP+) に変換されます [240]。この活性型(MPP+)は、ドーパミン作動性トランスポーターが神経細胞に侵入するための高親和性基質として機能し[241]、他の細胞毒性効果の中でも特に、ミトコンドリア複合体Iを阻害し、その結果呼吸数を低下させる[239]。
実際、初代ラットドーパミン作動性ニューロンおよびSH-SY5Y細胞におけるMPP+処理は、Drp1-依存性のミトコンドリア断片化を促進する[242]。さらに、PC12 ドーパミン作動性分化細胞では、MPP+- 誘発ミトコンドリア損傷は、軸索輸送速度の劇的な低下を伴い、その後、顕著な神経変性プロセスが続く [243]。
同様に、別の強力な複合体 I 阻害剤であるロテノンは、PD の表現型の特徴を模倣することができます。ロテノンをマウスに注射すると、Syn凝集体の出現および運動機能障害とともにドーパミン作動性ニューロンの選択的死を刺激する[244]。さらに、ロテノン投与は、LC3およびp62の増加およびLAMP2aレベルの低下によって非難されるオートファジーフラックスを破壊し、ミトコンドリアの選択的分解を停止する[244]。
注目すべきことに、ロテノンは微小管ネットワークに重大な影響を及ぼし[245]、ラットのオートファジーの流れを損ない[244]、分化したSH-SY5Y細胞の神経突起のミトコンドリアの運動速度を変化させる[246]。マイトファジーは微小管依存性輸送に大きく依存しているため[247]、ロテノン曝露後にはマイトファジーが損なわれることが予想される。
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