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 4
May 20, 2024
7. 相分離と核形成: フィブリル多型の分子基盤
-Syn の凝集が PD だけでなく MSA や DLB にも関連していることが発見されてすぐ、重要な研究分野は主に、臨床的および病理学的に多様な神経変性疾患を引き起こすタンパク質の能力を理解することに焦点が当てられてきました。
年齢を重ねると、子供の頃と比べて記憶力が低下していることに気づくことがあります。時々、自分の脳が「錆びついて」いて、新しい情報を思い出すのが難しいと感じることさえあるかもしれません。しかし、この状況を改善するにはどうすればよいでしょうか?近年の研究では、MSA（ドーパミン糖複合体）と記憶の間に密接な関係があることが示されています。
MSA は、神経伝達物質ドーパミンが関与する神経回路です。ドーパミンは脳内の重要な神経伝達物質であり、感情、モチベーション、運動に関連しています。サンストーンは、動きを制御し、動きを調整する脳の核です。ドーパミンとの関係は、基底体がドーパミンによって刺激されると、脳のニューロン間の接続が増加し、その結果、記憶の形成と固定化が促進されるということです。
研究によると、MSAはデジタルゲーム、音楽トレーニング、身体運動、社会的交流を通じて活性化され、刺激される可能性があります。これらの治療法は、ドーパミンの放出を増加させることで脳脊髄液とのつながりを強化します。たとえば、数独やクロスワード パズルなどの静的な頭の体操は、記憶力を向上させることが示されています。音楽トレーニングはMSA回路を刺激し、記憶能力を高めることも示されています。さらに、身体的な運動や社会的交流もMSAの活性化にプラスの影響を与え、それによって脳の健康と記憶力の改善を促進することが示されています。
要約すると、MSA 活動は記憶力にプラスの影響を与えるため、MSA を刺激する活動を見つけて参加することが記憶力を向上させる重要なステップとなります。身体的に活動し、社会活動に参加し、新しいスキルを学ぶことにより、MSA 回路が活性化および刺激され、それによって脳の健康と記憶力の改善が促進されます。今から積極的にこれらの活動に参加して、脳に新たなエネルギーと活力を注入していきましょう。私たちは記憶力を向上させる必要があることが分かります。カンクサ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 つは記憶力の向上であるため、カンクサは記憶力を大幅に向上させることができます。カンクサの効能は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体などを含む多くの有効成分に由来します。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。
過去数年にわたり、プリオン株仮説が、観察されたシヌクレイン病における疾患の変動性の有力な説明として浮上してきました。一連の生物物理学および生物学的データは、-Syn 株の存在を裏付けていますが [29,30,32-35,53]、これらの株がどのように発生するか、および生体内でのその形成を促進する要因はまだ不明です。
考えられる答えは、凝集経路を描写し、ひずみ形成の根底にある分子ドライバーを識別することにある可能性がある。アミロイド形成は、一次核形成によって支配されるだけでなく、以前に議論したように、凝集成長期のほとんどを通じて二次核形成イベントによって支配される[189]。
この二次核形成には、溶液からモノマーを補充することによる既存のシードからの新しいフィブリルの伸長が含まれます。フィブリルの溶液条件が変化すると、一次および二次核形成イベントの速度が変化する傾向があります [188,189]。例えば、酸性pHは、-Synモノマーのフィブリル表面への結合を強化し、それによって二次核形成速度を増加させます[189,302]。
種子による凝集体の増殖は原線維種子の断片化と伸長に起因するため、ひずみ現象の少なくとも一部は二次核形成の結果であるという仮説が立てられます。さらに、複数の種が凝集動態の異なる段階で共存している[17,303,304]ことは、多型の決定に凝集中間体の関与が示唆されている。
-Syn モノマーの立体構造空間のマッピングにより、膜との結合を促進し、さまざまなオリゴマーやフィブリルの形成を誘導する -Syn モノマーの構造部分集団が明らかになります [170]。
私たちの研究室は最近、凝集経路中の不均一な核形成が多型の起源の基礎を形成することを実証しました[252]。我々は、同じ集合条件下で形成された凝集中間体から、2 つの異なる多形、HMF (ヘリックス成熟フィブリル) と PMF (成熟前フィブリル) を生成しました。
PMFは安定したアミロイドコアを持たず、βシート要素とともにランダムなコイル含有量を持っています。さらに、残基74～79の構造化βシートはそのNACドメイン(残基65～80)に存在せず、PMFが秩序の低い原線維であることを示唆しています。種類。反対に、形態学的および構造的に異なる HMF は、よりコンパクトで、安定したフィブリルコアを備えて整然としています [252]。
これらには、高度に露出した疎水性表面が含まれており、規則性の低い PMF よりも毒性が高い可能性があります。これらの多形は構造的な違いを示すだけでなく、異なる生物学的活性も示します [252]。
リン脂質膜の存在下での凝集中間体の同定を含む同様の研究では、プレフィブリル種が残基 57 ～ 61 および 71 ～ 80 の 2 つのループ領域を含むことが明らかになりました [305]。次に、これらの中間体は、NAC 領域の大部分と N 末端 (残基 38 ～ 80) が最終的な原線維構造の一部を形成する原線維種に再編成されます [305]。
A 、PrP、およびタウの凝集体に関する研究も報告されており、多形間の構造の違いにより異なる生物学的特性が発現します [28,306-309]。例えば、静止状態と撹拌状態下で形成された形態学的および構造的に異なるA線維は、一次ニューロンの毒性に大きな違いを示し、静止線維は他のものと比較してより毒性が高い[28]。
構造的に多様な PrPSc 立体構造は宿主細胞指向性を示し、特定の株がニューロン、星状細胞、またはその両方を優先的に標的とする [307,308]。したがって、凝集経路における不均一な核形成から生じる -Syn 株は、PD の臨床的および病理学的変動を引き起こす可能性があるさまざまな細胞毒性とさまざまなプリオン様特性を示すことによって (図 5)。
最近、タンパク質凝集の概念がより基本的な現象、すなわち液液相分離 (LLPS) に進化したことで、この分野に大きな影響を与え、研究を新しい方向に導きました [310-314]。タンパク質は、pH、温度、塩条件などのさまざまな条件でインキュベートされます [315-317]。
相分離現象は、ポリエチレングリコール、デキストラン、フィコールなどの分子クラウダーの存在下で促進され、局所的なタンパク質濃度の増加と液滴形成の促進に役立ちます [315-318]。その後、生物物理学、生化学、分光学的方法の独自の組み合わせを使用して、動態、成熟、および凝集プロファイルが調査されます [315,317]。
さまざまなアミロイド生成タンパク質の相分離現象は、凝集および原線維形成に先行することが示されています。内因性無秩序領域 (IDR)、プリオン様ドメイン (PLD)、および低複雑性ドメイン (LCD) の存在が、アミロイド生成タンパク質の相分離した凝縮物の形成を促進することが示唆されています [310,315,316,319,320]。
私たちの研究室は最近、-Syn の LLPS が遅滞期の初期における重大なイベントであり、相分離条件 (クラウダー、ストレッサー、アミロイド補因子などの存在) の下でその凝集に先行することを実証しました [315]。
凝集速度論の遅滞期におけるこれらの相分離した液滴の出現は、LLP がタンパク質分子の局所濃度を増加させることによって核形成イベントを強化する可能性があることを示唆しています [315,320]。さらに、相分離した -Syn 液滴は時間の経過とともに液体から固体への転移を起こし、アミロイドヒドロゲルの形成をもたらします [315]。
これらのアミロイドヒドロゲルは、細胞毒性オリゴマーおよび原線維を捕捉することが以前に示されており[321]、LLPSを介して形成された原線維が有毒である可能性を示している。しかし、通常の集合条件下（相分離なし）では、-Syn フィブリルは細胞毒性をほとんどまたはまったく示さない [322,323]。これは、相分離条件下と非相分離条件下で形成されるフィブリルが異なる可能性があることを示唆しています。
さらに、希薄溶液中でのフィブリル形成（一次および二次核形成を介して起こることが知られている）[189]と凝縮物内でのフィブリル形成（LLPSを介して）は相互排他的な事象ではない[324]が、異なる凝集経路により異なるフィブリルが形成される可能性がある（図） 6)。
たとえば、ALS/FTD に関与するタンパク質である TDP-43 は、LLPS の有無にかかわらず線維化を起こします。それでも、両方の場合の線維化動態は異なり、LPSの存在下での線維化における複雑なプロセスの関与を示唆している[329]。
したがって、相分離を受けずに形成されたフィブリルが構造的および機能的に互いに異なるかどうか、または簡単に言うとフィブリル多形性を示すかどうかなど、いくつかの質問をすることは非常に重要です。異なる LLPS 条件や突然変異が、形成される -Syn フィブリルのひずみ挙動の決定に何らかの役割を果たしているかどうか?
たとえば、FUS の病原性変異は、野生型タンパク質と比較して異なる生物物理学的特性を示すことが示されています [327]。これらの発見は、異なる溶液条件によって多形が生じる非相分離条件と同様に[29]、異なる相分離条件下で形成されるフィブリルも異なる可能性があることを示唆しています(図7)。
たとえば、PTM、家族性突然変異、小分子、金属イオンの存在など、さまざまな条件下で分離する -Syn 相は多型を示し、さまざまな種類のフィブリルを形成する可能性があります (図 7)。
しかし、この現象は、液滴内に形成されるフィブリルの広範な特徴付けが必要であるため、まだ決定されていません。LLPSの有無にかかわらず観察される、立体構造的に異なる中間種と多数の凝集経路の共存が、多型の起源の基礎を形成する可能性があると我々は考えています。 。
しかし、フィブリル多型に対する不均一な核形成と複数の凝集経路の寄与を明らかにするには、この分野でのさらなる研究が必要です。さまざまな生物物理学的手法の開発と応用は、LLPS およびその後の液滴成熟中に発生する分子事象に関する洞察力に富んだ情報を得るのに役立つ可能性があります。
8. 多型の臨床的および治療的意味
このレビューで議論されている研究は、-Syn が異なる構造的および生物学的特性を持つ多様な多形を形成できるという決定的な証拠を提供しています。プリオンと同様に、各プリオン疾患はミスフォールドタンパク質の異なる立体構造によってコードされており、各シヌクレイノパチーもおそらく独自の -Syn 構造に関連している可能性があります。
しかし、同じタンパク質でも原線維構造が多様であるため、神経変性疾患に対する薬剤開発においていくつかの課題が生じています。免疫療法のような治療法は、特定の株に対して高度に特異的ですが、別の株を認識できない可能性があります。同様に、タンパク質凝集プロセスをブロックまたは遅延させるための小さな治療用分子または薬剤を開発するには、複数の立体構造についてスクリーニングする必要があります。フィブリルの複雑性とその多型性を考慮すると、単量体 -Syn を標的にすることが選択肢となり得る。
しかし、このタンパク質は本質的に無秩序な性質を持っているため、それは困難でもあります。これらの課題にもかかわらず、患者由来の -Syn 株を検出して特徴付けることは、シヌクレイノパチーのより深い理解と特徴付けのための機会の窓を開くでしょう。これにより、新しい治療法やシヌクレイノパチーのより堅牢な分類システムの開発が促進されます。
これに関連して、PMCA [330]、リアルタイム震動誘起変換アッセイ (RT-QuIC) [331]、およびハンダイアミロイドバースト誘発物質 (HANABI) [332] などの高感度技術は、患者の CSF からの - シナ凝集体の増幅に大きく貢献している。頭脳。 PMCA と RT-QuIC は、それぞれ PD/MSA と PD/DLB 患者由来の -Syn 株を識別するために使用されています [52,333]。
これらの技術を採用することは、疾患の進行を経時的に監視するのに役立ち、シヌクレイノパチーの早期かつ特異的な診断に役立つでしょう。さらに、PDおよび関連疾患で観察される臨床的および病理学的差異および患者間の不均一性は、シヌクレイノパチー患者の治療方法に影響を与える可能性があります。現在のところ、すべての PD 患者は同じ種類の治療を受けており、どのように病気に罹ったか、どのような症状が現れているかによって患者間の区別は行われていません。
したがって、病原性 -Syn 種を標的とするように設計された薬剤および治療薬には、罹患したヒトの脳に存在する多様な多形または株に対する単一の立体配座ベースの薬剤または薬剤のカクテルの使用が含まれる可能性があると我々は予想しています。さらに、シヌクレイノパチー患者の治療中は、疾患プロフィール、病理学的および臨床症状、関与するタンパク質株の種類と性質、疾患の進行速度など、いくつかの重要なパラメータをケースバイケースで考慮する必要があります。
したがって、潜在的な治療標的を特定し、立体構造に基づいた薬剤を設計することが、PD および関連疾患に対する薬剤の開発に向けた次の大きなステップとなります。アストレインの伝播と疾患の表現型との間の関連性を確立することは、神経変性疾患と闘うための効果的な戦略を開発する上で貴重な洞察を提供するでしょう。
もう一つの課題は、主に血液脳関門の制限による挫折に直面している神経変性疾患を治療するために脳に薬物を送達することである[32]。ナノキャリア、直接薬物送達法、血液脳関門の一時的な破壊、および幹細胞療法を介して薬物を送達するために、数多くの試みが行われてきた[33-37]。しかし、どの治療法も現在の課題を完全に克服することはできませんでした[32]。
9. 結論と未解決の質問
-Syn のプリオンのようなひずみの挙動は依然として謎に満ちた現象です。適切な構造を持たない単一のタンパク質がどのようにしてさまざまな方法で折り畳まれ、さまざまな病状を引き起こす立体構造をとることができるのかは驚くべきことです。
-Syn 多形体および株に関する膨大な量の研究の後でも、多くの未解決の疑問についてはさらなる調査が必要です。たとえば、与えられた細胞条件および環境条件下で -Syn 株の形成を促進するものは何でしょうか?これらの株はどのようにして異なる細胞型や脳領域を標的にするのでしょうか? -Syn 株は宿主因子に応じて時間の経過とともに進化、変化、または適応しますか?
他のタンパク質、リガンド、膜、または補因子の存在は株の形成にどのような影響を及ぼしますか? -Syn 株には相互に交差する能力があり、混合病状を引き起こすのでしょうか? -Syn 株は、プリオンと同様に、互いの伝播に干渉してブロックしますか?
可能ですか、それとも診断の初期段階で PD 株と MSA 株を区別するのに十分な感度の技術はありますか?プリオン株現象が他のいくつかのアミロイド生成タンパク質に拡大することを考慮すると、株生物学における重要な分子事象を理解し、効果的な戦略を設計することも必要になる可能性があります。
著者の貢献: 概念化、SM、および SKM の調査 (文献レビュー)。 SM;LG; RBとASS。執筆・原案作成、SM。 LG; RBとASS。執筆・評論・編集、SM。 LG; RB; ASSとSKM。視覚化、SM。プロジェクト管理、SM、SKM。監督、SM、SKM。資金調達に関しては、SKM、SM、および SKM が同等に貢献している責任著者です。すべての著者は原稿の出版版を読んで同意しています。
資金提供: この研究は、インド政府バイオテクノロジー省 (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016] 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。
謝辞: 著者らは、インド政府バイオテクノロジー省 (DBT) の財政的支援に感謝します。フィギュア制作にご協力いただいた Pradeep Kadu に感謝いたします。 SM はインド大学助成委員会のフェローシップに感謝しています。
利益相反: 著者は利益相反がないことを宣言します。
略語
-シヌクレイン（-Syn）、パーキンソン病（PD）、多系統萎縮症（MSA）、レビー小体型認知症（DLB）、パーキンソン病認知症（PDD）、レビー小体（LB）、レビー神経突起（LN）、アルツハイマー病（AD） )、グリア細胞質封入体 (GCI)、翻訳後修飾 (PTM)、野生型 (WT)、クライオ電子顕微鏡 (クライオ EM)、固体 NMR (ssNMR) 分光法、透過型電子顕微鏡 (TEM)、原子間力顕微鏡（AFM）、円二色性（CD）、迷走神経背側運動核（DMV）、腸神経系（ENS）。 -シヌクレイン (syn); -シヌクレイン (-Syn);タンパク質のミスフォールディング周期的増幅 (PMCA);液液相分離 (LLPS)。
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