アルツハイマー病の転分化ニューロンにおけるプロテオスタシスとリソソーム修復の欠陥
学術的背景
アルツハイマー病（Alzheimer’s disease, AD）は高齢者において最も一般的な神経変性疾患であり、その主な病理的特徴はアミロイドβ（Aβ）の沈着とタウ蛋白の過剰なリン酸化を含む。老化はADの最も主要なリスク因子であるが、ニューロンのプロテオスタシス（proteostasis）の低下がどのようにAD患者の脳における異常な蛋白沈着を引き起こすかという細胞メカニズムは依然として不明である。この問題を研究するために、研究者たちはヒト皮膚線維芽細胞から転分化させたニューロンモデル（transdifferentiated neurons, tneurons）を開発し、このモデルは老化の特徴を保持し、ADに関連する脆弱性を示す。
論文の出典
本論文は、Stanford University、Harvard Universityなど複数の研究機関の科学者たち、Ching-Chieh Chou、Ryan Vest、Miguel A. Pradoらによって共同で完成され、2025年4月にNature Cell Biology誌に掲載された。論文のタイトルは「Proteostasis and lysosomal repair deficits in transdifferentiated neurons of Alzheimer’s disease」であり、tneuronsモデルを通じて老化とADにおけるリソソーム機能障害とプロテオスタシスの乱れの初期事象を明らかにすることを目的としている。
研究の流れと結果
1. tneuronsモデルの確立と老化およびAD関連表現型の検証
研究者たちは、転写因子（Brn2、Ascl1、Myt1l、Ngn2）と低分子化合物を用いて、ヒト皮膚線維芽細胞を皮質ニューロンに転分化させた。線維芽細胞は、健康な若年者（平均年齢25.6歳）、健康な高齢者（平均年齢70.3歳）、およびAD患者（平均年齢70.4歳）のドナーから採取された。免疫蛍光染色とプロテオミクス解析を通じて、研究者たちは、高齢者およびAD患者の線維芽細胞がDNA損傷とヒストン修飾（H3K9me3やH4K16acなど）において顕著な老化の特徴を示すことを発見した。
転分化後のtneuronsにおいて、研究者たちは、高齢者およびAD tneuronsが基礎条件においてもプロテオスタシスの欠陥を示すことを観察した。これには、ユビキチン化蛋白（ubiquitin-positive, ub+）とオートファジー受容体p62/SQSTM1の蓄積が含まれる。さらに、AD tneuronsではAβ42とリン酸化タウ（ptau）の沈着が顕著に増加し、AD患者の脳における病理的特徴と類似していた。
2. プロテオミクス解析による老化およびAD関連リソソーム機能障害の解明
定量プロテオミクス解析を通じて、研究者たちは、若年者、高齢者、およびAD tneuronsの蛋白発現プロファイルを比較した。その結果、老化とADがプロテオスタシスと細胞器恒常性に大きな影響を与え、特にエンドソーム-リソソーム経路（endosome-lysosome pathway）の構成要素が影響を受けることが明らかになった。AD tneuronsでは、リソソーム関連蛋白（CLU、CTSC、TMEM175など）の発現が顕著に低下しており、ADにおいてリソソーム機能が深刻に損なわれていることが示された。
3. リソソーム損傷と修復メカニズムの欠陥
研究者たちは、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いてtneurons中のリソソームの超微細構造を観察し、高齢者およびAD tneuronsにおいてリソソームの体積が増大し、電子密度の高い顆粒が多く含まれていることを発見した。さらに、高齢者およびAD tneuronsでは、リソソーム損傷マーカー（ESCRT-IIIのCHMP2Bやgalectin-3など）の基礎レベルが顕著に増加しており、これらの細胞に持続的なリソソーム損傷が存在することが示された。
リソソーム修復動態を評価するために、研究者たちはリソソーム損傷剤（L-leucyl-L-leucine methyl ester, LLOME）を用いてtneuronsを処理し、ESCRT-0構成要素HGSの時空間的変化をモニタリングした。その結果、AD tneuronsではリソソーム修復効率が顕著に低下し、修復半減期（t1/2）が3.6時間に延長されたのに対し、若年者tneuronsでは1.1時間であった。
4. リソソーム損傷と他のプロテオスタシス経路の相互作用
研究者たちはまた、リソソーム損傷が他のプロテオスタシス経路、例えばRNA結合蛋白TDP-43や分子シャペロンHSP70の局在に影響を与えることを発見した。AD tneuronsでは、TDP-43とHSP70が損傷したリソソームにリクルートされ、リソソーム損傷が他のプロテオスタシス過程に影響を与え、ニューロンの病理的変化を悪化させる可能性が示された。
5. リソソーム機能修復によるAD病理の改善
リソソーム機能障害がAD病理において中心的な役割を果たすことを検証するために、研究者たちはいくつかの低分子化合物を用いてリソソーム機能を改善した。その中でも、C381はAD tneuronsにおけるAβ42の沈着を著しく減少させ、炎症性因子（IL-6やCCL2など）の分泌を低下させた。さらに、C381はリソソームの酸性環境を回復させ、リソソーム酵素の活性を向上させ、リソソーム損傷誘導性の細胞死からニューロンを保護した。
結論と意義
本研究は、tneuronsモデルを通じて老化とADにおけるリソソーム機能障害とプロテオスタシスの乱れの初期事象を明らかにし、リソソーム修復欠陥がAD病理の主要な駆動因子であることを示した。研究結果は、ADの病因に関する新たな洞察を提供するだけでなく、リソソーム機能を改善することでADを治療する潜在的な戦略を提案している。
研究のハイライト
- 革新的なモデル：tneuronsモデルは老化の特徴を保持し、老化とADの細胞メカニズムを研究するための独自のツールを提供する。
- リソソーム機能障害：研究は初めてADにおけるリソソーム損傷と修復メカニズムの欠陥を体系的に明らかにし、プロテオスタシスの乱れにおけるその役割を解明した。
- 治療の可能性：研究は、低分子化合物によるリソソーム機能の改善がAβ沈着と炎症反応を効果的に減少させることを示し、AD治療の新たな方向性を提供する。
その他の価値ある情報
本研究の限界は、tneuronsモデルがグリア細胞のサポートを欠いており、培養期間が短いため、ヒト脳の複雑な組織構造と長期の老化プロセスを完全に模倣できないことである。今後の研究では、他のリソソーム品質管理（LQC）経路がADにおいて果たす役割をさらに探求し、これらの発見がより広範なAD患者集団において適用可能かどうかを検証することができる。
本研究は、ADの初期細胞生物学的プロセスを理解するための重要な洞察を提供し、ADに対する早期介入戦略の開発の基盤を築いた。