遺伝的に定義された神経変性疾患におけるミトコンドリアの動的挙動の予測パート 3
Jul 25, 2024
ミトコンドリアは、すべての遺伝性神経変性疾患において異常であるわけではなく、ミトコンドリアのダイナミズムは、必ずしもミトコンドリア異常を示すすべての神経変性状態の要素であるわけではありません。
ミトコンドリアは、細胞内のエネルギー生成と細胞代謝を主に担う細胞内の器官です。近年、ミトコンドリアの異常が記憶喪失に関連している可能性があることが研究で判明しました。しかし、現代の科学技術はますます進歩しており、ミトコンドリア異常の発生をライフサイクルの中でさまざまな方法や健康製品によって防ぐことができるため、ミトコンドリア異常の悪影響を過度に心配する必要はありません。
ある研究では、ミトコンドリアの異常が高齢者の記憶喪失に関連している可能性があることが判明しました。これは、ミトコンドリアの損傷がニューロンの損傷や細胞死を引き起こし、それによって脳ニューロンの正常な機能に影響を与え、記憶力や認知障害を引き起こす可能性があるためです。ただし、これは、ミトコンドリアの異常が記憶喪失の根本的な原因であることを意味するものではありません。記憶喪失は、栄養失調、脳の損傷、老化などの他の要因によっても引き起こされる可能性があるためです。
ミトコンドリアの異常を防ぐには、ライフスタイルや食事を変えることで健康を改善できます。たとえば、毎日の運動と適切な運動は、ミトコンドリアの生成を促進し、体の代謝レベルを向上させ、身体の健康を維持し、記憶力を向上させることができます。さらに、食事も重要な要素です。規則正しい食生活をし、果物、野菜、穀物などの栄養価の高い食品をより多く摂取し、高糖分や高脂肪の食品を避けるように注意する必要があります。
さらに、標的薬物を適度にミトコンドリアを保護するために使用することもできます。利尿薬、血糖降下薬、栄養補助食品など、ミトコンドリアを標的とする薬がすでにいくつか市販されています。
つまり、ミトコンドリアの異常は記憶力の低下に関係していますが、ライフスタイルや食事を変えたり、健康補助食品を使用したりすることで、ミトコンドリアを保護し、体の健康を改善し、記憶力を向上させることができるため、あまり心配する必要はありません。ミトコンドリア異常の予防と改善を積極的に行い、健康な体と鋭い脳を維持しましょう。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。
例えば、代謝異常はアルツハイマー型認知症[73]、アミロイドペプチドの細胞外沈着物の形成と微小管タウタンパク質の神経原線維変化に関連する不確実で複雑な病因の疾患であると記載されている[74]。
オルガネラの断片化を含む、報告されているミトコンドリアの欠損は多様であり、一貫性がありません [73,75]。
アルツハイマー病で報告されているさまざまなミトコンドリア異常の広範な範囲は、それらが原疾患に意味のある形で寄与しているのか、あるいは主にその結果であるのかについての結論を混乱させています。
対照的に、パーキンソン病の最も一般的な遺伝的形態は、マイトファジーを開始するミトコンドリアPINK1キナーゼ（PARK6）および主要なミトファジーエフェクタータンパク質であるパーキン（PARK2）をコードする遺伝子の変異に関連しているため、遺伝性パーキンソン病はミトコンドリアの疾患である[76]。 。
繰り返しになりますが、ミトコンドリアの断片化はパーキンソン病の記述のすべてではなく一部で報告されています[77]。これはおそらく不均一性と多因子病因のためです。
最後に、フリードライヒ失調症/脊髄小脳変性症は、ミトコンドリアの病因を伴う神経変性疾患であることは明らかです。常染色体劣性遺伝的欠陥は、ミトコンドリアの鉄結合タンパク質であるフラタキシンをコードする FXN 遺伝子にあります。
フリードライヒ失調症におけるミトコンドリアの鉄過剰は、電子伝達系による ATP 形成を妨げ、過剰な ROSelabation を引き起こします [78,79]。ミトコンドリアの動的機能不全がこの疾患に寄与しているか、あるいは存在しているかどうかは明らかではない[80]。
神経変性疾患におけるミトコンドリア表現型の可変性と、異常なミトコンドリア動態の病態生理学的影響に関する不確実性により、個々のヒト患者に直接関連する分析プラットフォームの必要性が強調されています。
4. ミトコンドリア動態の評価
ミトコンドリアのダイナミズムに関する最も容易に得られる明白な証拠は、生細胞または固定細胞の静止画像における異常なミトコンドリア形態であり、通常はミトコンドリア特異的蛍光色素で画像化されます。
最も一般的に報告されているミトコンドリアの構造異常は、細胞小器官の「断片化」または構造的短縮であり、従来かつ便利にアスペクト比（長さ/幅）の低下として測定されます[81,82]。
「正常な」ミトコンドリアのアスペクト比は細胞の種類と生理学的状態の両方に依存しますが[83]、それを測定することは概念的にも技術的にも簡単です。
したがって、高解像度画像で観察されるミトコンドリアのアスペクト比の減少（長さ/幅の減少または短縮）は、通常、ミトコンドリアの分裂から融合（「断片化」）の相対的な増加を反映するのに対し、アスペクト比の増加（「伸長」）は、ミトコンドリアのアスペクト比の増加を反映します。核分裂に対する核融合。しかしながら、変化したアスペクト比は、ダイナミズムの根本的な原因、すなわち、動的不均衡が変化した分裂、融合、またはその両方の結果であるかどうかを明らかにしない。
さらに、線維芽細胞などの相互接続されたミトコンドリア ネットワークを持つ細胞におけるミトコンドリアの断片化は、有糸分裂とアポトーシスの正常な要素である可能性があります [6]。
最後に、横紋筋細胞や神経軸索では、短く、球状、または「断片化した」ミトコンドリアが一般的です [7,8,83]。ミトコンドリアの融合/分裂不平衡の性質は、単一のミトコンドリア蛍光団 (例：Mitotracker Red、Green、または Orange）、異なるミトコンドリアを標的とした蛍光タンパク質（例：Mito-GFP および Mito-RFP）、または光スイッチ可能なミトコンドリア蛍光体（例：MitoDendra）を発現する融合細胞。
単一の蛍光団を使用すると、ビデオ共焦点顕微鏡でミトコンドリアの融合および分裂イベントを記録できます[82]。
ミトコンドリアを標的とした GFP または RFP を発現するさまざまな細胞グループをポリエチレングリコールと融合すると、融合から混合するミトコンドリア含有量を時間の関数として定量化することが可能になります [84]。
これと同じアプローチは、光スイッチ可能な mito-Dendra [85] を使用すると簡単になり、対象の細胞内のミトコンドリアのサブセットを緑色から赤色の蛍光に光スイッチできるようになり、個々のミトコンドリアの運命 (つまり、ミトコンドリアが融合しているか、分裂しているか) 、または細胞内で輸送されている）を経時的に評価します。
ただし、光スイッチング手法には特別な装置が必要であり、サンプルのスループットによって制限されます。
差別的に標識されたミトコンドリアの連続静止画像から、部分集団が細胞内で輸送されていることを推測することは可能ですが、運動性ミトコンドリアの速度としての割合を詳細に定量的に評価するには、キモグラフを生成して生きた細胞または組織の微速度撮影ビデオ顕微鏡検査を必要とします [{{ 1}}]。
私たちの研究室では、これが in vitro と ex vivo の両方の調製物に適用された場合に実現可能であることがわかりました。さらに、以下に説明するように、これらの技術は、遺伝子操作されたマウスのニューロンまたは患者由来の細胞のいずれかに容易に適用できます[25、57]。
5. 患者由来の初代線維芽細胞は、ミトコンドリアの分裂/融合において疾患に関連した不均衡を示す
異常なミトコンドリアの融合、分裂、運動性を、ヒトの神経変性疾患との関係から評価するための最適な研究プラットフォームを考案することは困難でした。
直観的には、ニューロンが最良のシステムであるように思われるが、初代ヒト疾患ニューロンの入手は困難であり、iPSC 由来ニューロンは臨床疾患の精液的特徴を失うことが多い [87,88]。
根底にある遺伝子異常とミトコンドリア表現型の間の関係は、マウス遺伝子ノックアウト手法を使用して最も広範囲に定義されました。
Mfn1 または Mfn2 のいずれかの生殖系列の除去は胎児的に致死的である [89]が、マウス胚由来の線維芽細胞は、Mfn1 または Mfn2 の欠失によって引き起こされるミトコンドリア融合障害が、無抵抗のミトコンドリア分裂を介してミトコンドリアの断片化を引き起こすことを明らかにした。内膜分極の喪失として測定される機能障害は、ミトコンドリア内容交換の欠陥のもう一つの結果である[90]。
ミトコンドリアの形態異常を根底にある遺伝的原因と関連付ける場合、疑わしいタンパク質の発現を無効にし、遺伝的機能喪失を研究するための標準的な実験的アプローチである遺伝子切除と、機能不全タンパク質が発現し、可能性がある自然に発生する機能喪失突然変異との違いを考慮する必要があります。支配的な抑制効果を発揮します。
したがって、Mfn2遺伝子のヘテロ接合性除去はマウスでは十分に許容される[89]が、CMT2A患者の大部分は、初期の進行性神経変性を引き起こす単一変異型MFN2対立遺伝子を有する[53、55]。この違いは、単一の変異対立遺伝子による正常な MFN1 および MFN2 の機能の優勢な抑制に起因し、その機能的影響が増幅されると考えられました [55-57]。
したがって、マウスにおけるヒトCMT2A変異体のトランスジェニック発現は、いくつかのCMT2Aニューロン表現型を再現します[57、91]。しかし、正常なミトフシンの優勢な阻害だけが、遺伝子ノックアウトと発現した機能喪失変異体効果との間の違いを説明できる唯一のものではない。マウスにおけるホモ接合型 Mfn2 (または Mfn1) 遺伝子の除去は神経変性を誘発しない。それは初期胎児の致死性を引き起こす[89]。
したがって、実験的な「ノックアウト」によってMFN2遺伝子の量を変更することは、MFN2ミスセンス変異を発現させることと同じではありません。
実際、ショウジョウバエモデルにおける遺伝子ノックダウンは、遺伝子変異体の発現と同じ量または規模の代償反応を誘導しない単純な操作であるため、これは一般的な生物学的原理である可能性がある[92]。
上記の観察は、疾患関連ミトコンドリア表現型の研究的評価のために、マウス遺伝子ノックアウト細胞ではなく、真の疾患を引き起こす突然変異を有する患者由来細胞の使用を裏付ける。
しかし、患者由来の線維芽細胞における典型的なミトコンドリア異常の再現には一貫性がありませんでした。
関連論文 [93] では、すべてではないが一部の遺伝性神経変性疾患による患者の真皮線維芽細胞における代謝ストレスによってミトコンドリアの表現型がどのように誘発されるかを実証しています。
さらに、ミトコンドリア指向性治療法の個別検査のためのプラットフォームとして患者由来細胞の使用を裏付けるデータを提示します。
6. 要約と結論
ミトコンドリアのダイナミズムは遍在していますが、ミトコンドリアの融合、分裂、運動性の相対的な速度と重要性は、細胞の形態や代謝要件によって異なります。
したがって、高い代謝要件と長い軸索を備えたニューロンは、独特の動的プロファイルを持ち、特に動的機能不全を起こしやすいです。ヒトのニューロンは容易に入手できないため、ヒトの神経変性疾患ではミトコンドリアの表現型を評価することが困難です。
以前のおよび添付のデータは、培養培地中のグルコースをガラクトースに置き換えるという簡単な操作を通じてミトコンドリアの代謝を強制することにより、培養ヒト皮膚線維芽細胞が神経変性疾患に関連するミトコンドリア融合分裂表現型を示すように誘導できることを実証している。
さらに、同じ線維芽細胞を、神経軸索内で最もよく測定される運動障害などの特徴的なミトコンドリア異常を保持するニューロンに直接再プログラムすることができます。
図4に示すように、これらのプラットフォームと遺伝子マウスモデルを統合することは、特徴的なミトコンドリア異常を示す多数の遺伝性神経変性状態、または個別化医療アプローチのためのさまざまな患者において候補治療薬を評価する有効な手段となる可能性があることを我々は示唆しています。
著者の寄稿: 概念化、GWDII。執筆 - オリジナル草案の準備、GWDII;執筆 - レビューと編集、GWDII および XD。監督、GWDII。資金調達、GWDII。著者全員が原稿の出版版を読み、同意しました。
資金提供: この研究は、NIH R35135736、R42NS115184、および筋ジストロフィー協会からの研究助成金によって資金提供されました。 APC は NIH R35135736 から資金提供を受けました。
治験審査委員会の声明: 該当なし。
インフォームドコンセント声明: 該当なし。
データの可用性に関する声明: 適用されません。
利益相反: GWD は、セントルイスのワシントン大学のフィリップおよびシマ K. ニードルマン寄付教授であり、ハリントン ディスカバリー研究所の過去のスカラー・イノベーター受賞者でもあります。
GWD は、小分子ミトフシン活性化剤を対象とする、セントルイスのワシントン大学が発行および所有するミトコンドリア エモーション社の特許の発明者であり、セントルイスに拠点を置くバイオテクノロジー研究開発会社ミトコンドリア イン モーション社の創設者でもあります。神経変性疾患におけるミトコンドリア輸送とフィットネスの強化。
資金提供者は研究の計画に何の役割も持たなかった。データの収集、分析、または解釈において。原稿の執筆、または結果の出版の決定において。
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