シヌクレイン原線維多型に関する構造的および機能的洞察パート 2
May 20, 2024
-シヌクレイン ( -syn) および - シヌクレイン ( -Syn) タンパク質もシヌクレインファミリーに属します [165] (図 1C)。 -Syn は 134 アミノ酸のタンパク質であり、ウシ ホスホウロタンパク質 14 (PNP14) のヒト相同体として以前に同定されました。
年齢を重ねると、記憶力は徐々に低下していきます。 しかし、適切な栄養を摂取することで記憶力を向上させることができます。 アミノ酸タンパク質は最も重要な栄養素の一つです。
アミノ酸タンパク質は脳内のニューロンの数と接続を増加させ、学習と記憶に重要な役割を果たします。 さらに、アミノ酸タンパク質は脳内の血管の成長と修復を促進し、脳への酸素供給を増加させることで、脳の認知能力と記憶力の向上に役立ちます。
アミノ酸タンパク質が豊富な食品には、鶏肉、牛肉、魚、卵などがあります。 同時に、豆やヒマワリの種などの一部の植物由来の食品も豊富なアミノ酸タンパク質を提供します。 バランスの取れた食事をとり、適切なアミノ酸とタンパク質を摂取することで、記憶力を向上させることができます。
また、アミノ酸たんぱく質を適量摂取するよう留意し、健康的な食生活や生活習慣を維持しましょう。 定期的な運動、十分な睡眠、ストレスの軽減はすべて、脳の発達と機能の向上に役立ちます。
全体として、アミノ酸とタンパク質は記憶力を向上させるために重要な栄養素です。 適切な食事とライフスタイルの調整を通じて、脳の機能が向上し、学習能力と記憶能力が向上し、より健康で幸せな生活を送ることができます。 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。カンクサには抗酸化作用、抗炎症作用、および老化防止効果があり、脳内の酸化と炎症反応を軽減し、それによって脳を保護する効果があるため、カンクサは記憶力を大幅に向上させることができます。神経系の健康。 さらに、カンクサは神経細胞の成長と修復を促進し、神経ネットワークの接続と機能を強化します。 これらの効果は、記憶、学習、思考速度の向上に役立ち、認知機能障害や神経変性疾患の発症も防ぐ可能性があります。
NAC ドメインでは 11- アミノ酸 (残基 73 ～ 83) のストレッチが欠落しており (図 1C)、そのため原線維化できません [11,176,177]。 以前は、-Syn は -Syn 凝集の阻害剤であり、その神経毒性を防止すると考えられていました [11,176]。 しかし、DLBを引き起こすことが知られている-Syn遺伝子、P123H（家族性）およびV70M（散発性）のミスセンス変異が発見された後、この概念は変わった[178]。
これらの突然変異の有害な影響は、細胞および動物に基づいた研究によって示されている[179,180]。 私たちのグループは最近、通常の生理学的条件下では、-Syn とその疾患関連変異の線維化と凝集は起こらないが、pH の低下やヘパリンの存在などの微小環境の変化によりそれらが重合することを示しました [181]。
-Syn と約 55% の配列相同性を共有する -Syn は、乳がん特異的遺伝子 BCSG1 によってコードされる乳がん悪性腫瘍で最初に同定されました [182]。 末梢中枢神経系と乳がん組織で報告されている[182,183]。 それは、インビトロ [177] および細胞内 [184] で凝集してフィブリルを形成しますが、-Syn [91] よりも比較的遅いです。
-Syn の誤った折り畳みと細動は、いくつかの神経変性疾患における主要な事象である [185]。 ミスフォールドされた -Syn 凝集体はアミロイド生成性であり、脳内に異常に蓄積し、その結果、患者は運動異常を患い、それが時間の経過とともに悪化します。
-Syn の凝集は複雑な現象であり、いくつかの可溶性経路上および経路外オリゴマー種の形成を介した、モノマーの高度に秩序化されたクロス- -シートに富む構造への変換が含まれます[185,186]。 -Syn のアミロイド形成は、一般にチオフラビン T 蛍光色素によって監視されます [187]。
これはシグモイド成長速度論に従い、(i) 核の形成を含む誘導期、最終的に溶液中で検出可能な凝集構造に成長する。 (ii) 伸長段階、オリゴマー種の原線維構造への変換とその後の成長。 (iii) 固定相。モノマーとフィブリルの濃度が平衡に達する定常状態を表します。
凝集の終わりまでに、-Syn は異型の長いアミロイド線維に集合し、通常は電子顕微鏡や原子間力顕微鏡イメージング技術によって特徴付けられます [9]。 凝集のこれらの段階は、単一のイベントまたは微視的なプロセスに起因するものではありません。 代わりに、すべてのプロセス、つまり一次核生成、伸長、二次核生成、および断片化が、成長曲線のすべての段階を通じて活性化されますが、その速度は異なります [188,189] (図 2)。
これらの反応速度は、凝集速度定数と所定の時間における反応種の濃度によって支配されます [190]。 アミロイド形成は、溶液中でのモノマー種の一次核形成と、凝集体の成長末端へのモノマーの添加による伸長によって開始される[189]。 しかし、一次核形成プロセスは寿命が短く、二次核形成プロセスに急速に追い越されてしまいます[191]。
撹拌条件下（またはアミロイド原線維の安定性に応じて静止条件下でも）での原線維の断片化は、成長末端の数を変化させ、全体的な成長動態に大きな影響を与える[188,189]。
さらに、表面触媒作用による二次核形成も、いくつかの系、特に静止条件下でのアミロイド増殖の主な原因の1つである[189,190]。 -Synの自己組織化と凝集は複雑な現象であり、複数の並行プロセスが関与する。 したがって、根底にある分子事象を理解して、ヒトの病気との基本的な関係を明らかにすることが重要です。
4. -Syn におけるプリオン様ひずみ現象
1997 年にレビー小体型病理の主成分として -Syn が発見されて以来、主な焦点は PD の根底にある発病機構の描写に移ってきました。
Heiko Braak [192] は、-Syn 拡散の特定のパターンに基づいて、2003 年に Lewy 病理の病期分類システムを発表しました。 Braak 仮説によれば、レビー病理は嗅球と DMV から始まり、その後徐々に他の脳領域に広がります。
Braak の仮説を支持する実験的および臨床的証拠はありますが、それが適用できるかどうか、および/またはすべての患者の PD の進行を正確に説明しているかどうかは不明です。 たとえば、患者が DMV や ENS ではレビー病理を示さない一方で、他の脳領域が重度の影響を受けるケースがあります [193-198]。
場合によっては、レビー病理の重症度とPDの臨床症状との間に関連性が観察されていない[195]。 したがって、すべての PD 患者が Braak によって提案された病期分類システムに従うわけではないため、Braak の仮説を集団のサブセットにのみ適用することが提案されています [198]。 興味深いことに、PD患者の線条体への移植から14年後の胎児神経移植片におけるレビー病理の報告は、Braakによって提案された細胞間伝達とシンパソロジーの広がりの直接的な証拠を提供した[200,201]。
その後、インビトロおよび細胞モデルシステムを使用した研究で、-Syn 凝集体は感染性があり、ある細胞から別の細胞に移動し、レシピエント細胞に可溶性の内因性対応物の凝集体を播種することができ、移植されたニューロンで観察される現象を説明できることが示唆されました [18、21、23] 。 ある領域から別の領域への -Syn 凝集体のこのプリオン様伝達は DLB および PDD 患者にも関係しており、レビー病理の広がりがシヌクレイノパチーにおける -Syn 凝集体の共通の特性であることを示唆している [202-205]。
しかし、これらのシヌクレイノパチーの臨床的および病理学的特徴は非常に多様であり、不均一である[206,207]、[146,208]。 同じタンパク質の凝集に関連しているにもかかわらず、-Syn の病態の分布と疾患症状の発現がシヌクレイノパチー間でなぜ異なるのか疑問に思う人もいるかもしれません。
これは、同じ前駆体タンパク質が異なる原線維を形成し、異なる病理を引き起こす、-Syn のプリオン様ひずみ現象によって説明できる可能性があります。
4.1. プリオン株の概念
過去数十年の研究により、さまざまな構造や配列を持つタンパク質/ペプチドが、アミロイドのクロスシートに富んだ構造の共通の折り畳みを形成できることが示唆されてきました [209-213]。 これらのタンパク質/ペプチドは、共通の凝集フレームワーク、つまり核形成依存性の重合機構を通じてアミロイドを形成します[214,215]。
しかし、各タンパク質/ペプチドは、異なる凝集経路を経て、独特のアミロイド構造を形成することもあります。 ssNMR とクライオ EM を用いた最近の高分解能構造研究では、各タンパク質が独自にパッキングし、クロス- -シートの折り畳みに異なる構造を形成していることが実際に示唆されています [56–58,61,216]。 それだけではなく、驚くべきことに、1 つのタンパク質が複数の異なる構造折り畳みを形成することができます [40,59]。
したがって、これらのタンパク質は同じアミノ酸配列からさまざまな立体構造を採用し、いくつかのプロテイノパチーを引き起こす可能性があり、したがって、1タンパク質1構造仮説は確認されません[217]。たとえば、アルツハイマー病とピック病ではタウの折り畳み方が異なります[40,218,219]。 。 前頭側頭葉変性症（FTLD-TDP）サブタイプの脳には異なるTAR DNA結合タンパク質（TDP-43）凝集体が存在し、サブタイプ間で形態学的差異を示している[220]。
このタンパク質が誤って折り畳まれて立体構造の多様性を示す能力は、神経変性などの深刻な結果を引き起こす可能性がある[221]。 さまざまな表現型特性に関連するさまざまなアミロイドをタンパク質が形成するこの現象は、プリオンについてよく知られています [46,222]。 プリオンは構造的異質性を示す感染性タンパク質粒子であり、ある個体から別の個体に伝染する可能性がある[223]。
無数の証拠は、クールー病、ゲルストマン・シュトラウスラー・シャインカー症候群、クロイツフェルト・ヤコブ病などのヒトのプリオン病[224]や、ウシ海綿状脳症(BSE)などの非ヒトのプリオン病における疫学的および臨床病理学的な多様性を示している。牛ではスクレイピー、羊やヤギではスクレイピーなど [225]。
正常細胞プリオンタンパク質 (PrPC) は、ヘリックス構造からシートリッチ構造 (PrPSc) への変換を受けます。PrPSc は、不溶性、PK 耐性、感染性の形態です。 PrPSc は、広く受け入れられている 2 つのメカニズム/モデル、つまりテンプレート支援モデルと核生成重合モデルに従って増殖および凝集します。
病原性プリオンは、テンプレート支援モデルのテンプレートとして機能し、内因性の正常なプリオンタンパク質をそのミスフォールドされた病原性形態に変換するための表面を提供する[226]。 核生成・重合モデルでは、単量体 PrPSc が結合して、シードとも呼ばれる安定した核を形成します。 これらの種子は PrPC をリクルートし続け、それらを病原性の対応物に変換します [226]。
プリオンの注目すべき特性の 1 つは、プリオンが多様な立体構造に誤って折り畳まれ、それぞれが異なる臨床的、組織学的、および病理学的プロファイルを引き起こす可能性があることです。 異なる立体構造と病理学的挙動を持つこれらの凝集体は「株」と呼ばれます [45,227]。 プリオン株の存在に関する先駆的な観察は、1961 年の Pattison と Milson による研究 [228] から来ており、そこで彼らは実験的にヤギにスクレイピーを作製し、異なる株によるこの病気の明確な臨床症状を観察した。
別の研究では、フレイザーランド・ディッキンソンは、脳の異なる領域の損傷の程度に応じて、感染マウスモデルのスクレイピーの異なる系統を区別することができた[229]。 その後、多数の報告により、PrPSc 株 [227,230-233] の存在と、プロテイナーゼ K (PK) 消化 [234,235]、電子常磁性共鳴 (EPR)、NMR 分光法 [43] など、それらを区別する方法が示されました。
PrPSc のこれらの立体配座は、ヘリックス、ストランド、ターンなどの二次構造要素の種類によって異なります。また、構造的な折り目やパッキングも異なります [227、230、232、235、236]。 例えば、シリアンハムスターのプリオンタンパク質は、水溶液中でさまざまな中間体と同様に、ヘリックス構造とシート構造の両方に再折り畳みされる[236]。
これらは構造的にだけでなく機能的にも互いに異なっており[43]、さまざまなヒトおよび動物のプリオン疾患で同定されている[233,237]。同じプリオンタンパク質の凝集から生じるにもかかわらず、プリオン疾患は疾患の発症に関して互いに異なります/感染した脳の潜伏期間、進行、病理組織学的病変 [224,225]。 これは総称して「プリオンひずみ現象」と呼ばれています[45,46,238]。
この株の多様性/変異の主な要因の 1 つは、感染因子/プリオンが特定の種に感染し [44,239,240]、「種の壁」を越え、それによって区別可能な生化学的および病理学的特徴を持つさまざまな株を生成する能力です。 そのような症例の 1 つは vCJD (変異型クロイツフェルト・ヤコブ病) であり、牛からヒトへの BSE プリオンの種間伝播によって引き起こされます [44,240]。これは、ヒト以外のプリオンがヒトに伝播した唯一の既知の症例です。
また、sCJD（散発性クロイツフェルト・ヤコブ病）の場合に見られるように、異なるプリオン株が互いに共存することが知られており[241,242]、脳の異なる領域で異なる生化学的特性を示している。 プリオン株は、他の株と同時感染すると潜伏期間が延長することも知られており、さまざまな研究で観察されているように「競合」現象が見られます[243-245]。
プリオン株現象の上記すべての特徴と新しいプリオン株の生成の可能性は、重大な科学的課題としてだけでなく、一般の公衆衛生に対する脅威としても浮上しています。
しかし、最近の研究では、アミロイドのこの株の特性はプリオンに限定されるものではなく、アルツハイマー病やパーキンソン病などのさまざまな神経変性疾患に関連する他のアミロイドにも適用されることが示唆されています[19,246,247]、[18,248]。インビトロおよびインビボでさまざまな証拠が提供されています。以下で議論するように、-Syn のプリオン様ひずみ挙動を実証する研究。
4.2. -インビトロで生成されたSyn株
シヌクレイノパチーで観察される臨床的および病理学的変化に関連する -Syn のプリオン様株の証拠がここ数年で報告されている [29-35,249]。
これらの株は、生体内で自己複製および増殖し、さまざまな疾患表現型をもたらす、単一タンパク質の明確で安定した構造集合体として定義されています。 郭ら。 Denovo フィブリル化 (「株 A」と呼ばれる) と、in vitro での反復シーディング フィブリル化 (「株 B」と呼ばれる) によって、-Syn があらかじめ形成されたフィブリル (パフ) の 2 つの「株」を発見しました。
これら 2 つの株は、初代神経細胞培養物および in vivo でのタウタンパク質の交差播種において、異なる立体構造と顕著な違いを示しました [30]。 これらの発見は、-Syn フィブリル株の証拠を初めて文書化したことに加えて、-Syn の交差播種挙動も特定しました。 その後、いくつかのグループが -Syn のカメレオン特性を利用し [9]、in vitro で -Syn 株を生成するための多数の増殖条件をスクリーニングしました。 異なる成長条件下では、タンパク質の構造的に安定な状態と不安定な状態がいくつか観察されました [250]。
熱力学的に安定していないか、安定した分子間相互作用を確立できない立体構造は、アミロイド原線維に成長することができません。 これらは成長不能状態と呼ばれます (図 3)。 一方、-Syn が成長可能な状態では、成長条件に応じて異なる原線維が成長し、形成されます (図 3)。
異なる集合条件下で得られるフィブリルは、プロテアーゼに対する耐性、細胞毒性、播種能力などの異なる生化学的および生物物理的特性を有するだけでなく[29-32、34-36、51、53]、条件に応じて娘フィブリルにその構造を刻印します。成長条件と種子の性質 (図 3)。
ブセら。 実際、異なる生理学的塩濃度を使用して、「フィブリル」と「リボン」と名付けられた、構造的および機能的に異なる2つの-Syn株を生成した[29]。 フィブリルはより多くの細胞毒性を引き起こすのに対し、リボンは生体内での -Syn 封入体の誘導においてより効果的であることが判明した [33]。 鈴木らによって生成された株でも同様の差異が得られた。 [51]、一方の株はプロテアソーム複合体と相互作用する能力により、培養ニューロンおよびマウスにおいて豊富なリン酸化およびユビキチン化-Syn凝集体の蓄積を引き起こしたが、もう一方の株はそうすることができなかった[51]。
最近では、実験条件を変化させることが、in vitro で菌株を生成するための一般的な戦略となっています。 「株」と呼ばれる基準、すなわち、タンパク質凝集体の構造変異体であり、自己増殖能力を示し、次世代に疾患を連続的に伝達し、臨床的および表現型的な疾患の変異を引き起こすという基準が完全に満たされていない場合には、満たされると、原線維を「多形」と呼ぶのがより適切であろう。
これらの多形は、その形態および構造 [28,56,251]、核形成速度 [252]、細胞内での播種および膜結合能力 [36] などにおいて顕著な違いを示す可能性があります。しかし、多形におけるこれらの構造変化の機能的結果として、それらは、明確な臨床的サブタイプの疾患を引き起こさない。 また、サンプル内多型のケースもあり、これは原線維が in vitro で生成されるか [39,57,253-256]、脳抽出物に由来するかに関係なく発生する可能性があります [40,257,258]。
これらは、類似の単量体の折り畳みや共通の構造など、特定の共通点を持っている可能性がありますが、形態、鎖の配置、または生化学的特性において顕著な違いも示しています[57,256]。 したがって、異なる集合条件により、構造的および機能的に異なる原線維集合体が生成され、それが独自の -Syn 株として増殖するか、単に多形を形成する可能性があります。
いくつかの報告は、消化管における -Syn 凝集体の存在 [259-263]、およびこれらの凝集体を腸から脳に拡散させる際の迷走神経の重要な役割を主張している [74,76,192,264,265]。 最近、curli を発現する大腸菌が、ヒト -Syn を過剰発現するマウスの腸および脳で -Syn 病理を促進することが示されました [78]。 微生物のアミロイドへの曝露は多型を誘発する可能性があります。
その代わりに、さまざまな形態の -Syn (多形体) が腸に由来し、逆行性迷走神経輸送を介して脳領域に広がり、株特異的な方法で病理を引き起こすかどうかを尋ねることは興味深いでしょう。 これに関連して、細菌内毒素リポ多糖(LPS)の存在下と非存在下で形成される-Synフィブリルの間で構造的および機能的差異が観察されている[31]。
LPSは、凝集経路中に形成されるα-ヘリックス中間体を安定化することによって-Synの凝集を調節し、その結果、細胞毒性が変化し、内部移行挙動が変化したフィブリルを生成することが知られている[266]。さらに、-Synは、リン酸化、メチオニン酸化、アセチル化、ニトロ化などは、その凝集と細胞毒性に直接関連しています [94,115,267,268]。
pS129 は最も一般的な PTM であり、封入体中の -Syn の主要な形態であるため、生体内で -Syn の株形成を引き起こす可能性があります。 マら。 Ser129でのリン酸化により、タンパク質が野生型対応物（リン酸化なし）と比較して、より高い細胞毒性とインビトロおよび細胞内での異なる増殖特性を備えた構造的に異なる別個の株を形成できることを示しました[269]。
リン酸化だけでなく、N末端アセチル化もフィブリル多型を与える可能性があり[267]、-Synアミノ酸配列のわずかな修飾でさえそのフィブリル構造に大きな影響を与える可能性があることを示唆している。 原線維構造の変化は、脳内の異なる細胞型および細胞集団を選択的に標的とすることにより、生体内での原線維の伝播にさらに影響を与える可能性がある[32]。
これらの菌株固有の違いは、世代を超えて忠実に保存され [28、29、52]、疾患の発症、神経疾患、病変プロファイルなどの臨床的な違いにつながります [32]。
全体として、これらの研究は、細胞のような複雑で混雑した環境では、環境や細胞の微妙な変化、補因子や他のタンパク質の存在、タンパク質の一次配列の変化が、異なる多型や株の形成につながる可能性があることを示唆しています。 、結果としてさまざまな病気の結果をもたらします。
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