TDP-43のシーディングが細胞質凝集の異質性と核機能の喪失を誘発する

2025-05-02 Fri
学術的背景TDP-43（TAR DNA結合タンパク質43）は、主に細胞核に存在するRNA結合タンパク質であり、転写、スプライシング、RNA輸送、翻訳など、RNA代謝の複数のプロセスに関与しています。しかし、筋萎縮性側索硬化症（ALS）や前頭側頭型認知症（FTD）などの多くの神経変性疾患では、TDP-43は細胞核から消失し、細胞質に不溶性の凝集体を形成します。この細胞質凝集と核機能喪失は、疾患発生の重要なメカニズムと考えられています。TDP-43の神経変性疾患における重要性は広く認識されていますが、その病理メカニズムはまだ完全には理解されておらず、特に細胞モデルでTDP-43の細胞質凝集と核機能喪失を同時に再現することは依然として課題です。
この問題を解決するため、本研究では、TDP-43の低複雑性ドメイン（LCD）から形成されたアミロイド繊維を使用し、TDP-43の細胞質凝集と核機能喪失を誘発することで、ヒトニューロンにおける病理的特徴を模倣することを目指しました。このモデルを通じて、研究者はTDP-43凝集の分子メカニズムを明らかにし、散発性TDP-43蛋白症の研究に有用なツールを提供することを期待しています。
論文の出典本論文は、Jens Rummens、Bilal Khalil、Günseli Yıldırımらによって共同執筆され、VIB-KU Leuven脳と疾患研究センター、Hasselt大学などの複数の研究機関から発表されました。論文は2025年5月21日に「Neuron」誌に掲載され、タイトルは「TDP-43 Seeding Induces Cytoplasmic Aggregation Heterogeneity and Nuclear Loss of Function of TDP-43」です。
研究の流れ1. TDP-43 LCDアミロイド繊維の作製と特性評価研究者はまず、大腸菌からTDP-43の低複雑性ドメイン（LCD）を精製し、振盪と時間の経過によって自発的に繊維状凝集体を形成させました。透過型電子顕微鏡（TEM）による観察では、これらの繊維は典型的なアミロイド構造を持ち、幅は16±3 nmで、ほとんどの繊維は螺旋状のねじれを持っていました。さらに、これらの繊維はコンゴ赤染色で緑色の複屈折を示し、アミロイド特性を持つことが確認されました。フーリエ変換赤外分光法（FTIR）により、繊維のアミロイド特性がさらに裏付けられました。
これらの繊維がTDP-43の凝集を引き起こす種として機能するかどうかを調べるため、研究者は繊維を超音波処理し、平均長さ38±13 nmの小さな断片（シード）を生成しました。無細胞環境では、これらのシードは単量体TDP-43 LCDの凝集を加速し、凝集のラグフェーズを除去しました。
2. 繊維誘発性TDP-43細胞質凝集研究者は、超音波処理した繊維シードをリポソームを用いてTDP-43を発現するヒト細胞に導入しました。その結果、繊維シードはTDP-43の細胞質凝集を引き起こし、これらの凝集体はリン酸化、ユビキチン化、p62蓄積などの病理学的特徴を示しました。さらに、繊維シードは内因性TDP-43を細胞核から消失させ、細胞質に凝集体を形成させました。
蛍光回復後光褪色（FRAP）と蛍光寿命イメージング顕微鏡（FLIM）による分析により、繊維誘発性TDP-43凝集体は固体様の特性を持ち、液体様のTDP-43液滴とは明らかに異なることが示されました。さらに、時間の経過とともに、TDP-43凝集体は密な、糸状の、断片状の凝集体など、形態的な異質性を示しました。
3. 繊維誘発性TDP-43核機能喪失研究者はさらに、繊維シードがTDP-43の核機能喪失を誘発するかどうかを評価しました。その結果、繊維シード処理により細胞核内のTDP-43レベルが著しく減少し、ALS/FTD関連遺伝子UNC13Aにおいて疾患特異的なクリプティックスプライシングが検出されました。RNAシーケンス（RNA-seq）により、TDP-43凝集と核機能喪失は、神経変性疾患関連遺伝子のアップレギュレーションやTDP-43結合ターゲットのダウンレギュレーションを含む、広範な転写産物変化と関連していることが明らかになりました。
4. TDP-43凝集体の時間依存性分解研究者はまた、TDP-43凝集体の細胞内での分解過程を調査しました。その結果、時間の経過とともに、TDP-43凝集体の形態が変化し、密な凝集体から糸状や断片状の凝集体へと移行することが示されました。この形態変化はプロテアソーム経路の活性化と関連しており、プロテアソーム阻害剤はこの時間依存性の形態変化を阻止しました。さらに、TDP-43の発現を制限することで、TDP-43凝集体の徐々な除去が観察され、凝集体分解の仮説が支持されました。
5. ヒトiPS細胞由来ニューロンにおける繊維誘発性TDP-43病理最後に、研究者はヒト人工多能性幹細胞（iPS細胞）から分化させたニューロンにおいて、繊維シードの効果を検証しました。その結果、繊維シードはニューロンにおけるTDP-43の細胞質凝集と核機能喪失を誘発し、ニューロン特異的な毒性を引き起こしました。細胞株とは異なり、繊維誘発性TDP-43病理はニューロンにおいてより強い時間依存性の毒性を示し、ニューロンがTDP-43病理に対してより高い感受性を持つことが示されました。
研究の結論本研究では、TDP-43 LCDアミロイド繊維を使用することで、細胞およびニューロンモデルにおいてTDP-43の細胞質凝集と核機能喪失を再現し、TDP-43凝集の分子メカニズムを明らかにしました。研究結果は、TDP-43凝集体の形態的異質性が時間依存性の分解過程と関連しており、繊維誘発性TDP-43病理がニューロンにおいてより強い毒性を示すことを示しています。これらの発見は、散発性TDP-43蛋白症の研究に有用なモデルを提供し、今後の薬剤スクリーニングや疾患メカニズム研究の基盤を築くものです。
研究のハイライト初めてTDP-43 LCDアミロイド繊維を使用してTDP-43の細胞質凝集と核機能喪失を誘発し、神経変性疾患における病理的特徴を成功裏に模倣しました。
TDP-43凝集体の形態的異質性と時間依存性の分解過程を明らかにし、TDP-43病理の進行を理解する新たな視点を提供しました。
ヒトiPS細胞由来ニューロンにおいて繊維誘発性TDP-43病理を検証し、ニューロンがTDP-43病理に対してより高い感受性を持つことを示しました。
広範な転写産物データを提供し、TDP-43凝集と核機能喪失が神経変性疾患関連遺伝子の発現変化と関連していることを明らかにしました。
研究の価値本研究の科学的価値は、TDP-43凝集の分子メカニズムを明らかにし、散発性TDP-43蛋白症の研究に新たな実験モデルを提供した点にあります。このモデルを通じて、研究者はTDP-43病理の分子メカニズムをさらに探求し、TDP-43凝集に対する治療戦略を開発することができます。さらに、本研究は、神経変性疾患におけるタンパク質凝集と分解過程を理解する新たな洞察を提供します。