アミロイド生成タンパク質の診断の可能性 パート 1
Jun 07, 2024
抽象的な：
神経変性疾患は非常に蔓延している疾患であり、その病理学的メカニズムは明らかな症状が現れる前に始まります。この事実により、科学者は早期治療に役立つバイオマーカーを探索するようになりました。
これらの現在不治の病状は、神経系に特定のタンパク質で構成されるアミロイドと呼ばれる異常な凝集体が存在するという点で共通しています。
このレビューでは、これらのタンパク質、その立体構造、修飾が診断目的のバイオマーカーとしてどのように利用できるかについて議論します。
タンパク質は健康を維持するために重要な物質の一つであり、記憶力にも重要な影響を与えます。タンパク質はアミノ酸から構成されており、脳細胞や神経伝達物質の原料となります。したがって、タンパク質の摂取は記憶と密接に関係しています。
まず第一に、タンパク質は体が組織を構築し修復するために不可欠な物質です。脳細胞には酵素と調節物質が豊富に含まれており、正常に機能するには成分としてタンパク質が必要です。体内のタンパク質含有量が低すぎると、脳細胞が正常に機能しなくなり、記憶力に影響を及ぼします。したがって、適切なタンパク質摂取量を維持することは、脳の発達と記憶力の維持に重要な役割を果たします。
次に、タンパク質には脳細胞の活性を高める効果があります。人間の体は、思考、記憶、行動などの機能を正常に維持するために、大量の脳神経伝達物質を必要とします。脳の神経伝達物質は体内のアミノ酸から合成されますが、これらのアミノ酸の供給源はタンパク質です。したがって、高品質のタンパク質が豊富な食品を選択すると、脳の神経伝達物質の合成が増加し、それによって脳細胞の活動が強化され、記憶力の向上に役立ちます。
さらに、タンパク質は体の安定性を維持し、血糖値の変動を防ぐのにも役立ちます。低血糖値は、不注意、めまい、疲労などの症状を引き起こし、記憶力に影響を与えることがよくあります。タンパク質を適度に摂取することで血糖値の変動を効果的に回避し、体の安定性を維持し、記憶力の向上につながります。
つまり、タンパク質は記憶と密接に関係しているのです。タンパク質を適度に摂取すると、体の安定性が維持され、脳細胞の活動が強化され、記憶力が向上します。魚、肉、豆、乳製品など、高品質のタンパク質が豊富な食品をより多く食べるように努め、食事からタンパク質を完全に除去しないようにする必要があります。これは私たちが健康を維持し、記憶力を向上させ、より良い生活を楽しむのに役立ちます。私たちは記憶力を改善する必要があることがわかります。そして、シスタンケは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬であり、そのうちの1つは記憶力を改善することであるため、シスタンケは記憶力を大幅に改善することができます。シスタンケの効能は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体などを含むさまざまな有効成分に由来しており、さまざまな方法で脳の健康を促進できます。
私たちは、アルツハイマー病やパーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症、前頭側頭型認知症など、最も一般的な神経変性疾患に関連するタンパク質に焦点を当てています。
また、検出における現在の課題、診断の可能性を備えた最新の技術、診断における将来の発展の可能性についても説明します。
キーワード: 神経変性疾患。バイオマーカー;アミロイド;オリゴマー;翻訳後修飾。
1. 神経変性に対する新たな診断アプローチの必要性
神経変性疾患は、神経系の特定領域におけるニューロンの進行性の喪失を特徴とする、致命的かつ不治の疾患である。これらは、アルツハイマー病 (AD)、パーキンソン病 (PD)、前頭側頭型認知症 (FTD)、筋萎縮性側索硬化症 (ALS) など、非常に多様な病理グループです。
現在、世界中で 5,000 万人以上の人々がさまざまな形態の神経変性を患っています [1]。神経変性疾患の臨床経過は通常数年に及び、特定の病状に応じてさまざまな程度の記憶、認知、運動の進行性障害につながります [2]。 。既存の薬物治療は、これらの症状の軽減に焦点を当てています[3]。
さらに、神経心理学的評価は、認知症に伴う神経変性の診断において依然として重要であると考えられています[4]。しかし、病気の重要な分子メカニズムは、重大な症状が現れる前に起こります。
正確な診断アプローチの開発は、不可逆的な損傷が発生する前に、ニューロンの生理機能を回復するためのタイムリーな治療介入を容易にするでしょう。
また、新しい治療法の確立や、より早い段階で投与すればより効果が期待できる現在の治療法の再評価も促進されるだろう。神経変性の診断アプローチの緊急の必要性にもかかわらず、身体検査のための脳へのアクセスが限られていることと、認知能力に基づく臨床検査の複雑さのため、その開発は依然として困難な課題です[2]。
最近の技術の進歩により、神経変性の疾患マーカーとして使用できる神経系および体の他の領域における新しい経路、生体分子、構造の特性評価が可能になりました[5、6]。
さまざまな神経変性疾患はいくつかの異なる表現型を持っていますが、いくつかの重要な分子的特徴も共有しています。特に、これらの疾患の多くでは、通常は可溶性である特定のタンパク質やペプチドが自己集合プロセスを経て、アミロイドと呼ばれる大きな原線維凝集体の形成につながります[7、8]。
このプロセスには、より小さなオリゴマー中間体の生成も含まれますが、これは毒性が高く、現在病気のメカニズムの主要な役割を果たしていると考えられています[8]。アミロイドの凝集は、凝縮物の形成などの他の凝集プロセスにも関連しています[9]。ただし、これらは今回のレビューの焦点ではありません。
ここでは、最も知られているアミロイド生成タンパク質のいくつかとその診断的関連性について説明します。
私たちは、AD のアミロイド ベータ (A) とタウ、PD のアミロイド ベータ (-syn)、融合肉腫 (FUS)、ALS と FTD の TAR DNA 結合タンパク質 43 (TDP-43) に焦点を当てています。また、これらのタンパク質の凝集を監視するための検出アプローチにおける最先端の進歩についても説明します。
2. バイオマーカーの潜在的な供給源としてのアミロイド凝集
アミロイドは、交差構造が豊富に含まれる不溶性の線維状凝集体であり、その形成は in vitro で広範に特徴付けられています [7、8]。
アミロイド凝集は、核形成イベントの複雑なネットワークから構成されます。最初に、可溶性単量体タンパク質は相互作用し、一次核形成によってオリゴマーを形成します。一次核形成は、他のタンパク質 [10]、核酸 [11、12]、膜 [13] などの他の生体分子の存在によっても引き起こされる可能性があります。
次に、オリゴマーは高次の凝集体に変換され、最終的にアミロイド原線維になります。臨界濃度のフィブリルが形成されると、これらのフィブリルの表面は二次核形成により追加のオリゴマーの形成を触媒します[7、8]。フィブリルは、その末端にモノマーを付加することによって伸長し、断片化を受けることもあります [7,8]。アミロイドフィブリルは、豊富なクロスシート含有量により非常に安定したタンパク質種です [8,14-16]。
逆に、オリゴマーは急速に高次のアミロイド凝集体に変換されます (図 1)。オリゴマーは一時的な性質を持っているため、構造レベルでの単離と特性評価が困難になります。
つい最近になって、単一分子蛍光や電子顕微鏡 [14、17、18] などの新しいアプローチのおかげで、オリゴマーはその物理化学的特性と構造が非常に不均一であり、二次構造含有量が異なることが示されました [16、19、20]。 。
オリゴマーは、異常な疎水性相互作用を含む多くの機構によって有毒です。組織および単離された細胞では、オリゴマーが膜透過性およびイオン恒常性に影響を与え、酸化ストレスを誘発する可能性があることが示されています [16、21-23]。
オリゴマーによって誘発されたフリーラジカルは、タンパク質のミスフォールディング、ミトコンドリアの機能不全、そして最終的にはアポトーシスを引き起こす可能性があります[24]。 A および -syn のオリゴマーは、神経炎症 [22] およびシナプシス喪失 [25、26] にも関連しています。
いくつかの要因がアミロイド原線維とオリゴマーの形成に影響を与える可能性があります。これらには、遺伝子変異、細胞ストレス、特定の生体分子の有無が含まれます。
さらに、アミロイドは in vivo で広範囲に翻訳後修飾され [27-29]、翻訳後修飾 (PTM) は in vitro でのアミロイド原線維の形成と毒性を著しく変化させる [27-31]。
3. 神経変性に関与するアミロイド生成タンパク質
神経変性の文脈では、疾患マーカーは神経心理学的マーカー、神経画像マーカー、遺伝マーカー、および生化学マーカーに分類できます [2]。特に、生化学マーカー (またはバイオマーカー) は、病気の段階を報告する、私たちの体内の測定可能な分子 (タンパク質、核酸、代謝産物など) です [32]。
アミロイド生成タンパク質は、神経系機能不全の生化学的プロファイルについて情報を提供するため、有望なバイオマーカーです[2]。以下では、神経変性状態のバイオマーカーとして機能する、関連するアミロイド生成タンパク質とその病理学的修飾に焦点を当てます。
3.1. AD の A とタウ
AD は最も一般的な認知症の形態です。 AD 脳の特徴的な病変は、A のアミロイド凝集体で構成される細胞外老人斑と、過剰リン酸化タウ (p-タウ) タンパク質の対のらせん状アミロイド フィラメント (PHF) によって形成される細胞内神経原線維変化 (NFT) です [2,27]。
A は、アミロイド前駆体タンパク質 (APP) と呼ばれる、より大きな膜貫通前駆体の切断によって生成される短いペプチドであり、- および - セクレターゼの連続切断によって細胞外空間に放出されます [2,33]。
このプロセスにより、さまざまな長さの A アイソフォームが生成されます (表 1)。これらは、AD の状況においてさまざまな程度の毒性を持っています [34]。最も一般的な A アイソフォームは、一般にそれぞれ A 40 および A 42 と呼ばれる、40- および 42- 残基ロンゴンです。 A 40 はプラーク内で最も多く存在するバリアント (約 80% ～ 90%) であり、健康な人の脳にも存在します。
A 42 は凝集する傾向がはるかに高く、A 42/A 40 比の増加は AD および他の形態の認知症と関連しています [30,34] (表 2)。切断に加えて、遺伝的変異（APP 遺伝子の A692G、E693Q [35,36]、表 2）および酸化、リン酸化、グリコシル化、異性化などの A の他の多くの PTM が AD と関連しています [30]。
研究では、アセチル化（例：Lys16およびLys28）、リン酸化（例：Ser8およびSer26）、ニトロ化（例：Tyr10）、ピログルタミン酸（例：Glu3およびGlu11）、異性化（例：Asp1およびAsp7）およびラセミ化（例：Asp1およびAsp7）の発生が示されています。 、Asp1、Asp23、およびSer26）を疾患と関連させて説明します[30、37-39]（表1）。
認知機能の低下は、アミロイド沈着の程度よりも、A の可溶性中間体とより相関していることは注目に値します [16]。タウは、微小管ニューロンを安定化する主要な微小管関連タンパク質です [2,40]。人間の脳では、タウは 3 つまたは 4 つの微小管結合リピート (R) を保持する 6 つの異なるアイソフォームとして存在します。これらのアイソフォームは、それぞれ 3R および 4R と呼ばれます。
3R もしくは 4R アミロイドのいずれか、あるいは 3R と 4R 両方のアミロイドの存在が疾患特異的であることがわかっています。一例として、AD、ALS、FT、D、およびパーキンソニズムでは、3R および 4R アミロイドの両方が存在しますが、皮質基底核変性症とピック病では、それぞれ 4R および 3R アミロイドのみが見られます [41,42]。タウは PTM、特にリン酸化を受けます [40]。
病的な過剰リン酸化は、微小管に対するタウの親和性を低下させ、微小管からの微小管の分離を引き起こし、その結果、PHF および NFT が形成されます [2]。
現在までに、タウの 85 の潜在的なリン酸化部位が特定されています [40]。さらに、分子および細胞研究により、アセチル化（例：Lys174、Lys274およびLys280）、酸化（例：Cys322）、ニトロ化（例：Tyr29）、糖化（例：Lys87、Lys132およびLys150）、切断（例：Asp13およびLys13およびLys150）が明らかになった。 Asp421 および Glu391) およびユビキチン化 (Lys48 および Lys63 など) もタウの凝集に影響を与えます [27] (表 1)。
3.2. -PDのシン
AD とは異なり、PD は主に運動系に影響を及ぼし、振戦、固縮、運動緩慢、姿勢不安定を引き起こします [2]。 PD の病理学的特徴は、レビー小体 (LB) およびレビー神経突起 (LN) として知られる細胞質アミロイド封入体の発生です。LB および LN はアミロイド凝集体で構成されており、その主成分は -syn です [43]。
-Syn には、正に帯電した N 末端領域、凝集しやすい非アミロイド成分 (NAC) 中央領域、n、n、および負に帯電した C 末端領域を持つ 140 残基が含まれています [44,45]。
-syn 染色体領域 (4q21-23) の重複または三重重複、および -syn 配列内の A53T、G51D、H50Q、E46K、および A30P を含む変異は、早期発症型 PD に関連します [46-48] (表 2) ）。 -Syn は、55% ～ 62% の類似性を持つ - および - シヌクレインも含むタンパク質ファミリーに属します。 -シヌクレインは凝集傾向が低下し、天然の阻害剤として -syn の凝集を抑制することが発見されていますが、酸化された -シヌクレインは -syn の凝集を開始する可能性があります [49,50]。
いくつかの PTM は、-syn の凝集に影響を及ぼし、PD と関連しており [28]、診断の可能性を秘めていることが知られています [51] (表 1)。
これらには、N 末端アセチル化、N 末端でのいくつかの切断（例、-syn7-140、14-140、40-140、および in vitro で見られる 72 ～ 140、5 ～ 140 および 68）が含まれます。 –140が生体内で見つかり、両方で数個）およびC末端（例、-syn1-115、1-119、1-122、1-124、1-125、{{ 19}}、1-133、および 1-135)、Ser87 および Ser129 のリン酸化、Met1、Met5、Met116 および Met127 の酸化、Lys96 および Lys102 のスモリル化、Tyr39、Tyr125 および Tyr133 のニトロ化、および Lys6 のユビキチン化、Ｌｙｓ１０、Ｌｙｓ１２、Ｌｙｓ２１、Ｌｙｓ２３、Ｌｙｓ４３およびＬｙｓ９６［２８、５２、５３］（表１）。
3.3. ALS と FTD における TDP-43 と FUS
ALS と FTD は、重複するメカニズムを持つ神経変性疾患です。 ALSは上部ニューロンと下部ニューロンに影響を与え、筋肉制御の喪失を引き起こします。 FTD は、前頭葉と前側頭葉の変性に関連する認知症の一種です [54]。
ALS 症例の約 97%、FTD 症例の約 45% は、ニューロンおよびグリア細胞の細胞質におけるユビキチン化、過剰リン酸化、C 末端切断型 TDP-43 の凝集体の存在と関連しています [29]。
TDP-43 は、病理学的条件下で in vitro でアミロイド様凝集体および凝縮物 (つまり、ストレス顆粒) を形成できる 414 残基長のリボ核タンパク質です [9]。これは、核局在化シグナル、2 つの RNA 認識モチーフ、核外輸送シグナル、および無秩序な C 末端領域を備えた N 末端領域で構成されています [29]。
これらすべての領域は、タンパク質の凝集において重要な役割を果たすことが報告されている[55-57]。 G294A、Q331K、M337V [58]、および K181E [59] を含む、いくつかの TDP-43 変異が ALS および FTD の散発性および家族性症例の両方で確認されています (表 2)。 A および -syn と同様に、TDP-43 の PTM もタンパク質の凝集と疾患の進行において重要な役割を果たします。
切断された25 kDaおよび35 kDaのC末端フラグメントがALS患者の病理学的凝集物に一般的に見られることは注目に値する[29、31、54]。ユビキチン化もTDP-43インクルージョンの典型的な修飾です[31]。最後に、TDP-43 の異常なリン酸化、アセチル化、酸化は、タンパク質の誤った局在化や異常な凝集と関連していることがよくあります [29] (表 1)。
ALS と FTD は、別の RNA/DNA 結合タンパク質である FUS とも関連しています。 FUS は、N 末端転写活性化ドメインと C 末端ドメインによって作られる 526 残基長のタンパク質であり、転写因子と相互作用し、核局在化シグナルも含みます [60,61]。
両方のドメインには複雑度の低い領域が含まれており、凝縮物とヒドロゲルの形成に役割を果たしています[62]。 FUS の 50 を超える変異 (例、R521C、R521H [63]) が ALS/FTD 症例で報告されています。
TDP-43 とは異なり、FUS は通常、凝集体中に全長タンパク質として存在します [61]。リン酸化は FUS のプリオン様ドメインで発生し、その相分離と凝集パターンに影響を与えることが示されている一方、C 末端ドメインの変異と PTM (主にメチル化とリン酸化) がその核/細胞質局在を調節することがわかっています [61,64]。
FUS の病理学的役割は明らかであるにもかかわらず、ALS/FTD 表現型は TDP-43 機能不全よりも FUS と関連する頻度が低い [61,65]。したがって、バイオマーカーとしての FUS の役割はまだ決定されていません。
4. アミロイド生成タンパク質の遺伝的、構造的、化学的特徴の診断の可能性
生物学的サンプル中のアミロイド生成タンパク質を定量化し、これらのタンパク質と神経変性疾患との関連を判断するために、いくつかの検出アプローチが使用されてきました。
これらの戦略の一部は、その立体構造や修飾に関係なく、アミロイド生成タンパク質の発現レベル/濃度の変化を定量化することを目的としています (表 2)。代わりに、他のいくつかのアプローチは、アミロイド生成タンパク質の特定の構造（例えば、凝集状態）または化学（つまり、PTM）特性を調査することに焦点を当てています（表1）。
これらすべてのアプローチは体のさまざまな領域を分析します。陽電子放出断層撮影法 (PET) などの技術は、脳などの中枢神経系 (CNS) 内のタンパク質を直接調べることができます [2、44、66]。
ただし、アミロイド形成タンパク質は、体の他のよりアクセスしやすい領域でも検出できます。このセクションでは、主にイムノブロッティングや酵素結合免疫吸着検定法 (ELISA) などのイムノアッセイを使用した、脳組織とアクセス可能な体液の両方の分析から得られた知見について説明します。
検討中の流体には、脳の細胞外部分と直接接触している脳脊髄液（CSF）が含まれており、それ自体が脳代謝の測定に最適な流体である[44]。
For more information:1950477648nn@gmail.com
