誘導多能性幹細胞を用いたロウ症候群の神経精神症状のモデル化：神経細胞におけるF-アクチン重合とWAVE-1発現の欠損

Modeling the neuropsychiatric manifestations of Lowe syndrome using induced pluripotent stem cells: defective F-actin polymerization and WAVE-1 expression in neuronal cells.

• Jesse Barnes
• Franklin Salas
• Ryan Mokhtari
• Hedwig Dolstra
• Erika Pedrosa
• Herbert M Lachman

抄録

背景:

ロウ症候群（Lowe syndrome: LS）は、イノシトールポリリン酸5-リン酸リン酸化酵素をコードするX-linked遺伝子の機能喪失変異によって引き起こされる稀な遺伝性疾患です。先天性白内障、神経発達障害（主に知的発達障害[IDD]）、腎近位尿細管機能障害の3つの疾患を特徴としています。長年にわたって行われた研究では、腎細胞および患者由来の線維芽細胞におけるエンドソームリサイクルおよびアクチン重合に悪影響を及ぼすことが示されている。腎臓の問題は、リポタンパク質、アミノ酸、ビタミン結合タンパク質、ホルモンの再取り込みに重要な役割を果たすマルチリガンド受容体であるメガリンのリサイクル障害に起因していることが明らかになっている。しかし、マウスのノックアウト（KO）モデルにはLS関連の表現型が見られないため、神経発達面での研究は困難でした。幸いなことに、人工多能性幹細胞（iPS細胞）が発見されたことにより、患者特異的な神経細胞を増殖させることが可能となり、過去数年の自閉症スペクトラム障害（ASD）、統合失調症（SZ）、双極性障害（BD）、およびIDDで発表された多くの研究で実証されているように、in vitroで神経発達障害のモデルとして使用することができるようになった。

Background: Lowe syndrome (LS) is a rare genetic disorder caused by loss of function mutations in the X-linked gene, , which codes for inositol polyphosphate 5-phosphatase. LS is characterized by the triad of congenital cataracts, neurodevelopmental impairment (primarily intellectual and developmental disabilities [IDD]), and renal proximal tubular dysfunction. Studies carried out over the years have shown that hypomorphic mutations in adversely affect endosome recycling and actin polymerization in kidney cells and patient-derived fibroblasts. The renal problem has been traced to an impaired recycling of megalin, a multi-ligand receptor that plays a key role in the reuptake of lipoproteins, amino acids, vitamin-binding proteins, and hormones. However, the neurodevelopmental aspects of the disorder have been difficult to study because the mouse knockout (KO) model does not display LS-related phenotypes. Fortunately, the discovery of induced pluripotent stem (iPS) cells has provided an opportunity to grow patient-specific neurons, which can be used to model neurodevelopmental disorders in vitro, as demonstrated in the many studies that have been published in the past few years in autism spectrum disorders (ASD), schizophrenia (SZ), bipolar disorder (BD), and IDD.

方法:

本研究では、この遺伝子がCRISPR-Cas9遺伝子編集法を用いて生成されたヌル突然変異により機能しなくなった等原性幹細胞、および、LS患者由来のiPS細胞から生成された神経細胞および神経前駆細胞（NPC）について、初めての知見を得たので、報告する。

Methods: We now report the first findings in neurons and neural progenitor cells (NPCs) generated from iPS cells derived from patients with LS and their typically developing male siblings, as well as an isogenic line in which the gene has been incapacitated by a null mutation generated using CRISPR-Cas9 gene editing.

結果:

我々は、低型変異体を含む患者特異的iPS細胞に由来する神経細胞が、F-フィラメント状アクチン（F-アクチン）繊維を産生する能力を欠損していることを示した。また、アクチン重合を制御するWAVE調節複合体（WAVE regulatory complex：WRC）の構成要素であるWAVE-1の発現にも異常が認められた。不思議なことに、OCRLタンパク質を発現しないOCRLヌル変異を持つ神経細胞では、F-アクチンとWAVE-1の発現に同様の異常は見られなかった。これは、マウスのKOモデルにおける明らかな表現型の欠如と同様であり、OCRLタンパク質が完全に欠如している場合には、低型変異体で見られるような機能不全タンパク質を産生するのではなく、OCRLのF-アクチン/WAVE-1調節機能が部分的に補償されていることを示唆しています。

Results: We show that neuronal cells derived from patient-specific iPS cells containing hypomorphic variants are deficient in their capacity to produce F-filamentous actin (F-actin) fibers. Abnormalities were also found in the expression of WAVE-1, a component of the WAVE regulatory complex (WRC) that regulates actin polymerization. Curiously, neuronal cells carrying the engineered OCRL null mutation, in which OCRL protein is not expressed, did not show similar defects in F-actin and WAVE-1 expression. This is similar to the apparent lack of a phenotype in the mouse KO model, and suggests that in the complete absence of OCRL protein, as opposed to producing a dysfunctional protein, as seen with the hypomorphic variants, there is partial compensation for the F-actin/WAVE-1 regulating function of OCRL.

結論:

F-アクチン重合とWRCの変化は、IDDとASDの多くの遺伝的サブグループで発見されている。このように、非常に稀な遺伝的疾患であるLSは、共通の病原性の特徴を持つ神経発達障害の原因となる遺伝子のより広範なファミリーと関連している。

Conclusions: Alterations in F-actin polymerization and WRC have been found in a number of genetic subgroups of IDD and ASD. Thus, LS, a very rare genetic condition, is linked to a more expansive family of genes responsible for neurodevelopmental disorders that have shared pathogenic features.