小さいながらも強力 — エクソソーム、神経変性における新しい細胞間メッセンジャー パート 3
Jun 05, 2024
ミクログリア由来エクソソーム: ミクログリア細胞は脳と脊髄のマクロファージです。それらはグリアの約 10% を占めます。
ミクログリアは脳内の非神経細胞の一種で、神経系に最も多く存在する細胞です。過去には、ミクログリアは主に酸素と栄養素を供給するニューロン支持細胞であると考えられていました。
しかし、最近の研究では、ミクログリアが人間の健康と認知機能に重要な役割を果たしていることが判明しました。研究により、ミクログリアが学習と記憶のプロセスにおいて重要な役割を果たしていることが示されています。
ミクログリアは主に、神経成長因子と呼ばれる物質を放出することにより、ニューロンの成長と発達を促進します。この成長因子は、ニューロンの接続と情報伝達を助けるだけでなく、新しいニューロンの生成を刺激します。これらの効果は、健全な学習と記憶を維持するために重要です。
一方、ミクログリアは脳内の過剰なニューロンやシナプスを除去し、神経系の健全な発達を促進することもできます。この除去プロセスは、脳内の干渉信号を軽減し、認知機能を向上させるのに役立ちます。
さらに、ミクログリアは脳への酸素と栄養素の到着を促進することで、ニューロンを酸化損傷から保護します。これらの細胞は、認知変性や神経変性への抵抗においても非常に重要な役割を果たします。
つまり、ミクログリアの重要性を過小評価することはできません。これらはニューロンを保護し、学習と記憶のプロセスを助けることができます。私たちの脳の健康と活力を確保するには、ミクログリアの数と機能をできる限り保護し、改善する必要があります。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。
それらの数は比較的少ないですが、CNS における組織感染および損傷の存在を監視することにより恒常性を維持する重要な機能を持っています。
恒常性条件下では、ミクログリア細胞は静止状態に維持されますが、常に環境をスキャンしています。活性化されると、それらは貪食活性を発揮し、サイトカインやケモカインなどの炎症性分子を放出することができます。
ミクログリアは、刺激に応じて、M1 (炎症型) と M2 サブタイプ (再生促進型) の 2 つの表現型を獲得し、これら 2 つの相反する表現型を切り替えることができ[140]、その顕著な可塑性を例示しています。
ニューロンや他のグリア細胞と同様に、ミクログリアはエキソソームを放出して、隣接する細胞や遠く離れた細胞と通信します。ミクログリア エキソソームの生物活性カーゴは、放出されるミクログリアの表現型 (炎症促進性または再生促進性) に依存します。ミクログリアのエキソソームには、嫌気性解糖と乳酸生成に必須の酵素がすべて含まれています。
したがって、エキソソームにパッケージされた乳酸は、シナプス活動中にニューロンの補助エネルギー源として機能する可能性があることが提案されています[141]。ミクログリア エキソソームは、ニューロンにおけるセラミドとスフィンゴ脂質の産生を促進することにより、シナプス伝達を調節します。
スフィンゴ脂質代謝の亢進は興奮性神経伝達にプラスの影響を与え、ミクログリアがシナプス活性に影響を与える新たな方法を提示している[142]。感染および/または損傷に直面すると、ミクログリア細胞は迅速に複雑な炎症反応を起こし、M1 表現型を獲得します。
炎症促進性表現型 (M1 表現型) を持つミクログリアは、神経炎症の進行を助けるエキソソームを放出します。神経炎症におけるミクログリア エキソソームの関与の証拠は、リポ多糖 (LPS) を使用して行われた研究から得られます。
ミクログリアがグラム陰性菌の主要成分である LPS に曝露されると、炎症促進性サイトカインである IL-1 や miR-155 や miR{{4} などのマイクロ RNA が豊富に含まれるエキソソームの放出が増加します。 }。マイクロRNA 155は免疫系における重要な調節マイクロRNAであり、そのレベルの増加は炎症性疾患で検出される[143]。
別の研究では、ミクログリア細胞を LPS で処理すると、N-myc 下方制御遺伝子 2 (NDRG2) タンパク質のレベルが増加しました。 NDRG2タンパク質の増加は、次にミクログリアを刺激してmiR-375が豊富なエキソソームを放出した。miR-375が豊富なエキソソームの内在化はN2Aニューロンの細胞生存率を低下させ、これらのエキソソームの神経毒性の性質を示している[144]。
LPS への曝露により、エクソソームにパッケージされたマイクロ RNA とタンパク質が変化すると考えられます。確認的な証拠は、BV2 細胞に関する研究から得られました。 C57 Black マウスの BV2 細胞は不死化されたミクログリア細胞です。BV2 細胞が LPS に曝露されると、炎症誘発性サイトカイン IL-6 と TNF、および翻訳と転写に関連するタンパク質が豊富に含まれるエキソソームを放出しました。
質量分析法によって分析されたエキソソームのプロテオミクスプロファイルにより、対照 BV2 細胞と比較して、LPS 処理 BV2 細胞のエキソソームに存在する 49 の固有のタンパク質が同定されました。
ここで、LPS 活性化ミクログリアのエキソソームには 58 個のタンパク質があったのに対し、対照 BV2 細胞からのエキソソームには 37 個のタンパク質があったことは注目に値します [145]。前述の議論は、ミクログリアのエキソソームがCNSにおけるミクログリアの神経保護機能および神経炎症機能を促進するのに重要であることを示しています。
4. 神経変性疾患におけるエクソソームの役割
多くの神経変性疾患は、異常でミスフォールドしたタンパク質の蓄積と関連しており、進行性の神経およびグリアの機能不全を引き起こします。一般に、神経変性疾患は、個別の脳領域の機能不全から始まります。
細胞外空間に放出されると、ミスフォールドタンパク質は健康な細胞に移送され、ドミノ効果のように内因性の対応タンパク質のミスフォールドを誘導し始めます[160]。
この「感染」プロセスは、病状の増幅と脳のより広い領域への病気の広がりにつながります。細胞間コミュニケーションは、神経変性疾患の伝播と進行において重要です。脳内のすべての細胞から放出されるエクソソームは、神経グリア間のコミュニケーションにおいて不可欠な役割を果たしています。
エキソソームは、脂質、RNA、タンパク質などの生理活性物質をある細胞から別の細胞に輸送および移送する能力があるため、神経変性のメディエーターとして魅力的な候補となっています。以下では、選択的神経変性疾患におけるエキソソームの影響について説明します。
アルツハイマー病: アルツハイマー病は、記憶力と認知能力の進行性の喪失を特徴とする神経変性認知症の最も一般的な形態です。
アルツハイマー病の病理の中心となるのは、タウの神経原線維変化と結合したアミロイド斑として知られるアミロイドの細胞外凝集体 (A ) の形成です。 (A ) ペプチドは、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由来します。 -セクレターゼ。
APPは細胞内タンパク質であるため、神経変性疾患の病理学的病変には、ニューロンからニューロンへのミスフォールドタンパク質の物理的拡散が関与しているという仮説が立てられた[161]。
しかし、ミスフォールドタンパク質の伝達機構は興味深い疑問のままでした。 A が細胞外空間にどのように放出されるかについて考えられるメカニズムを明らかにし始めた最も初期の報告の 1 つは、Rajendran と同僚によって行われた研究から来ました [162]。
彼らは、APP 切断の位置を調査する際に、APP のβ-セクレターゼによる切断が初期エンドソームのサブセットで起こり、その後、A ペプチドが多小胞体に輸送されることを観察しました。
エキソソーム膜に結合した A ペプチドのごく一部が細胞外空間に分泌されました。アミロイド斑を含むエクソソームには、エクソソームマーカータンパク質、フロチリン-1、およびAlixが含まれていました。したがって、エキソソーム膜結合 A ペプチドは、細胞外空間におけるアミロイド斑形成に寄与する新規な機構を示している可能性がある [162]。
この最初の観察以来、全長 APP とその代謝産物の多く、および APP プロセシングに関与するプロテアーゼのセクレターゼ ファミリーのいくつかのメンバーがエキソソームで検出されました [163]。
A は、さまざまな特性やフィブリル形成の中間生成物を持つさまざまな構造状態で存在できます。これらのうち、低分子量 A およびプロトフィブリルは特に神経毒性があり、タンパク質凝集のシードとして機能することが示唆されています [164,165]。アルツハイマー病患者の死後の脳から単離されたエキソソームでは、A オリゴマーのレベルが増加していることが示されました。これらのエキソソームは、培養ニューロンとインキュベートすると内部移行されました。
最も重要なことは、彼らはAオリゴマーを他のニューロンに拡散させ、細胞毒性を引き起こすことができたことである[166]。最初の観察は、APP を含むエキソソームを正常ニューロンの初代培養物とインビトロ [167] およびインビボ [168] でインキュベートすることによって確認されました。
問題は、なぜ A または A オリゴマーがエクソソームにパッケージ化されているのかということです。ニューロンは A または A オリゴマーの毒性を感知し、網赤血球のトランスフェリン受容体と同様に、細胞内に存在する A または A オリゴマーから有毒タンパク質を除去しようとするのでしょうか [7,8]?モノユビキチン化は、MVB/エキソソームに分類するために必要です。このことは、A がユビキチン化を受けて MVB/エキソソームに分類されるかどうかという 2 番目の疑問を引き起こします。アミロイド前駆体タンパク質（APP）は、そのC-に5つのリジン残基（Lys-724、Lys-725、Lys-726、Lys-751、Lys-763）を持っています。終端 [169]。
これらの残基は、A ペプチドを形成するための APP プロセシングに対する影響を調べるために、個別にまたは組み合わせて変異させられています。 F-ボックスおよびE3ユビキチンリガーゼの構成要素であるロイシンリッチリピートタンパク質2（FBL2）によって媒介されるLys-726でのAPPのユビキチン化は、A世代を減少させた[170]。一方、Lys-763でのAPPのユビキチン化は、ゴルジ複合体内のAPPを隔離し、APPの成熟を妨げた[171]。
APP の C 末端フラグメント (C99) の 5 つのリジン残基すべてをアルギニンに置換することによってユビキチン化が阻害されると、APP の効率的な分解とゴルジ様の外観を持つ構造へのタンパク質の蓄積が防止されました。これは、小胞体関連分解の欠損に起因すると考えられます。 C99 は、α-セクレターゼによる切断を受けて A を生成します [172]。
3 つのリジン残基 (Lys-724、Lys-725、および Lys-726) の変異により、タンパク質は同時に MVB の管腔内小胞に取り込まれるのではなく、エンドソームの境界膜に保持されるようになりました [173] ]。ユビキチン化を防ぐために 5 つのリジン残基すべてが変異した場合、タンパク質は MVB/エキソソームに効率的に分類されず、A 40 の選択的な増加が観察されました [174]。
この所見は、脳アミロイド血管症におけるアミロイド沈着における A 40 の存在に匹敵する [175]。 APP のユビキチン化がタンパク質を MVB/エキソソームに誘導する可能性があることは明らかですが、APP、A、または A オリゴマーが MVB/エキソソームを標的とするためにモノユビキチン化されていること、およびそれらがユビキチン化されていないことを証明するには、神経培養または in vivo モデルを使用した直接証拠が必要です。小胞体関連分解（ERAD）の標的となります。
アルツハイマー病のもう 1 つの病理学的特徴は、神経原線維変化 (NFT) の異常にリン酸化されたタウ タンパク質です。タウは、微小管を安定化することが知られている細胞質タンパク質です。病的なタウタンパク質が細胞間に広がり、天然のタウを集めて凝集体を形成する可能性があることを示唆する証拠が増えている。より最近のデータでは、エキソソームがタウタンパク質のキャリアであることが示唆されています[176,177]。
細胞の精査により、タウの病理に関与するエキソソームはミクログリア細胞に由来することが示唆されました。ミクログリアのエキソソームはタウタンパク質をニューロンに輸送しました。実験的証拠を得るために、エキソソーム生合成を阻害するか、ミクログリア細胞のタウを枯渇させる研究が行われました。これらの研究の結果は、正常なニューロンにおけるタウ沈着の減弱を示した[178]。
著者らは、ミクログリアがタウを含む細胞変性ニューロンを貪食し、エキソソームを介してタウをリサイクルするため、エキソソームがアルツハイマー病の伝播に関与していると示唆した。健康な脳では、いくつかのプロテインキナーゼとホスファターゼがそれぞれタウのリン酸化と脱リン酸化を担っています。
これらの重要な酵素の調節不全は、AD におけるタウの異常なリン酸化パターンを引き起こす可能性があります。最近の研究では、Nano-LC-MS/MS によってエクソソームタンパク質カーゴを比較しました。エキソソームは、プレセニリン 1 (mPS1) の AD 家族性 A246E 変異型を発現するヒト人工多能性幹細胞 (iPSC) ニューロンおよび正常なヒト iPSC ニューロンから精製されました。
両方のエクソソーム グループで合計 1,117 個のタンパク質が同定され、733 個のタンパク質が両方のエクソソーム集団に共通でした。 mPS1と特異的に関連するタンパク質の中にはホスファターゼとプロテインキナーゼがあり、mPS1エキソソームに関連するそれらのタンパク質レベルは、対照ニューロンと比較して有意に低かった[179]。
さらに、これらのエキソソームには、対照エキソソームには存在しない異なるタンパク質が含まれていました。具体的には、これらの異なるタンパク質は細胞外マトリックスの構造と機能に関与するタンパク質であり、アルツハイマー病におけるタウ病理伝播の別のメカニズムを示唆している[179]。アルツハイマー病における研究の主な重点はニューロンにある。
しかし、研究により、アストログリアの萎縮は神経変性過程の初期段階で起こることが明らかになりました。萎縮したアストログリアによるニューロンのサポートの欠如は、シナプス接続の破壊、シナプスの喪失、および神経伝達物質の恒常性の不均衡を引き起こします。アルツハイマー病の後期段階では、アストロサイトとミクログリアが活性化され、炎症性分子や神経毒性物質を放出します。神経毒性化学物質は、神経炎症と神経細胞死を引き起こし、脳の萎縮を引き起こす[180]。
アルツハイマー病の初期段階では、Toll 様受容体 4 を通じて活性化されたミクログリア細胞が神経保護の役割を獲得し、A をクリアします [181]。精製された多形βアミロイドタンパク質沈着物およびエキソソームに関連するAの食作用と分解は、培養ミクログリア細胞を使用して確認された[182,183]。興味深いことに、アストロサイトはミクログリア細胞の神経保護機能を軽減するようです。メディアと同僚は、Aペプチドとのインキュベーションがグリア細胞を活性化し、その後炎症を引き起こすことに気づいた[184]。
アストロサイトとの共培養、またはアストロサイト馴化培地での培養はミクログリアの食作用を阻害します。線維芽細胞からの馴化培地はミクログリアの食作用活性に影響を及ぼさないため、ミクログリアの食作用の阻害は非常に特異的でした。これらの研究から、アストロサイトがミクログリアの食作用活性を妨げる可溶性因子の形でシグナルを放出したことは明らかである[182]。アストロサイトとミクログリアの役割は、ミクログリアの慢性刺激後に逆転する可能性があります。
いくつかの独立した研究は、ニューロン、アストロサイト、およびミクログリアによって放出されたエキソソームがスカベンジャーとして機能し、種子を含まない可溶性Aを吸収して、ミクログリアによって分解のために取り込まれるAの凝集を促進するという結論に導きました[185-187]。脳細胞間の細胞間コミュニケーションが注意深く監視されていることを考えると、この観察は驚くべきことではありません (セクション 3 で簡単に説明します)。
前述したように、A 凝集体は、エキソソームの表面およびニューロン上に存在するスフィンゴ糖脂質、セラミド、および/または GPI アンカータンパク質 PrPc (細胞プリオンタンパク質) と相互作用します [185,187]。ニューロンのエキソソームは、表面にガングリオシド GM1 およびシアル化スフィンゴ糖脂質、特にトリシアロガングリオシド GT1 が豊富に存在するため、星状細胞やミクログリアのエキソソームと比較して A 凝集効率が高くなります [188-190]。星状細胞エキソソームにはスフィンゴ脂質セラミドが豊富に含まれています[187]。
星状細胞エキソソームに結合した A 凝集体はニューロンによって取り込まれ、ミトコンドリアに向けられ、ミトコンドリアのクラスター化を引き起こし、同時に分裂タンパク質 Drp-1 レベルを増加させます。ミトコンドリアの外膜では、エクソソーム A が ADP/ATP トランスポーター、電位依存性アニオン チャネル 1 と複合体を形成し、カスパーゼを活性化します。
活性カスパーゼは神経突起の断片化を誘導し、最終的には神経細胞死を引き起こす[191]。アルツハイマー病におけるタンパク質、脂質、RNA間の動的相互作用の可能性をより深く理解するために、ハイスループット技術が最近適用されている。コーンと同僚は、ミクログリア エキソソームを分析するために「オミクス」統合的アプローチを採用した [192]。
この研究で著者らは、アルツハイマー病後期患者の頭頂皮質からミクログリア エキソソームを単離しました。彼らは、プロテオミクス分析、トランスクリプトーム分析、リピドミクス分析を組み合わせた統合分析を実行しました。彼らは、タンパク質分解によってタンパク質から放出されたペプチドの分析によってタンパク質を特徴付けるボトムアップタンパク質分析を指すショットガンプロテオミクス[193]、ターゲットリピドミクス、および多重核酸ハイブリダイゼーション技術であるNanoStringnCounterテクノロジー[194]を使用した。
この組み合わせアプローチを使用して、研究グループは、恒常性ミクログリア マーカー P2RY12 および TMEM119 の大幅な減少と、疾患関連ミクログリア マーカー FTH1 および TREM2 レベルの増加を示しました。さらに、アルツハイマー病脳由来ミクログリア エキソソーム中のタウタンパク質レベルは有意に高く、ミクログリア由来エキソソームがタウ病状の広がりにおいて重要である可能性があることを示唆しています。
シナプスおよびニューロン特異的タンパク質も、AD 脳由来のミクログリア エキソソームで異なって濃縮されていました。しかし、著者らは、シナプスおよびミエリン特異的タンパク質はミクログリアのエキソソームに入る前に貪食されているという仮説を立てました。リピドミクス分析により、炎症誘発性表現型とアシル鎖リモデリングにおける潜在的な欠陥が明らかになりました。
最後に、免疫および細胞老化シグナル伝達経路に関連する miRNA は、AD 脳由来のミクログリア エキソソームで増加しました [192]。これらのデータは、エクソソームの分子組成の重大な変化が、病気の状態と一致するミクログリアの変化を反映していることを示唆しています。我々は、エクソソームがアルツハイマー病に関与することを示す大量のデータを蓄積しています。
重要な疑問は、エクソソームがミスフォールドタンパク質の除去をどの程度促進または防止するかということです。さらに、さまざまな脳細胞から放出されるエキソソームによる寄与を解明することで、病気の伝播についての理解がさらに促進されるでしょう。
パーキンソン病：パーキンソン病は、最も一般的な加齢に関連した脳障害の 1 つであり、主に運動障害と考えられており、安静時振戦、固縮、運動緩慢、運動不安定などの典型的な症状を伴います [195]。
さらに、この病気には、認知機能低下、うつ病、精神病が関連しています[196]。病理学的には、黒質線条体ドーパミン作動性ニューロンの変性と、生き残ったニューロンにおけるミスフォールドαシヌクレインタンパク質を含むレビー小体の存在を特徴とします。 α-シヌクレインは、脳脊髄液や血漿を含む多くの体液で検出されています[197,198]。
α-シヌクレインは、α-シヌクレインを発現する細胞がインビトロで培養される場合、培地中に見出される[199]。 α-シヌクレインが細胞外選別シグナルの非存在下で細胞外で検出されたことを考えると、このタンパク質はどのようにして細胞外空間に到達するのでしょうか?何人かの研究者が、α-シヌクレイン分泌と病理学におけるエキソソームの役割を含むα-シヌクレイン分泌のメカニズムを調べてきました。
エキソソームが実際に病因に関与している可能性があるという最初の兆候は、α-シヌクレインを発現するSH-SY5Y細胞を用いたインビトロ研究から得られた。著者らは、カルシウム依存的にエキソソームを介してαシヌクレインが細胞外に分泌されることを実証し、パーキンソン病の病状の広がりにそれらが関与していることを示唆した[200]。
この研究の後、α-シヌクレインを含むエキソソームがパーキンソン病患者のさまざまな細胞、脳脊髄液、血漿から同定された[201-203]。しかし、さまざまな研究で多くのばらつきが報告されています[204]。興味深いことに、エキソソーム中のα-シヌクレインの量は、脳脊髄液または馴化培地で検出される遊離α-シヌクレインと比較して比較的少ないです。
詳細な検査により、αシヌクレインを発現する神経膠腫細胞はαシヌクレインオリゴマーを放出するために2つの経路、1つはエキソソームを介し、2番目は遊離αシヌクレインをオリゴマーとして直接放出することが明らかになった[205]。
エキソソームのα-シヌクレインのレベルは低いですが、エキソソームは遊離のα-シヌクレインよりも毒性効果を発揮するのに効果的です。エキソソームに存在するα-シヌクレインオリゴマーは、遊離のα-シヌクレインオリゴマーと比較して、ヒトH4神経膠腫細胞によってより効率的に取り込まれた[205]。
この研究のフォローアップとして、この研究者グループは、パーキンソン病患者の脳脊髄液から精製されたエキソソームを使用した同様の結果を報告しました。遊離のαシヌクレインオリゴマーと比較して、ヒトH4神経膠腫細胞培養物においては、エキソソームのオリゴマー化βシヌクレインの効率的な取り込みが観察された[206]。
細胞外空間または体液への遊離αシヌクレインの分泌に関する証拠は、多胞体へのβシヌクレインの装填における液胞タンパク質ソーティング 4 (VPS4) の役割を調べる研究から得られました。通常、VPS4 はタンパク質の多小胞体への選別を制御します。パーキンソン病では、VPS4 は、α-シヌクレインをリソソームに誘導して分解させ、また、α-シヌクレインを細胞外に分泌するためにリサイクルするエンドソームに誘導します [207]。
リソソーム機能不全が阻害されると、エキソソームにパッケージされたα-シヌクレインの放出が培養SH-SY5Y細胞内で増加することが見られた[208]。 α-シヌクレインのエンドソーム画分は、リソソーム障害の状態では分解を免れます[209]。
For more information:1950477648nn@gmail.com
