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パーキンソン病のモデルとなるα-シヌクレインを過剰発現させた黒質のオルガネラレベルでの微量元素のナノイメージング
Nano-imaging trace elements at organelle levels in substantia nigra overexpressing α-synuclein to model Parkinson's disease.
PMID: 32647232 PMCID: PMC7347932. DOI: 10.1038/s42003-020-1084-0.
抄録
脳組織におけるナノ不均一性の細胞内微量元素の定量は、神経変性疾患における細胞間の相互作用を元素レベルで探求するこれまでにない方法を提供する。本研究では、透過型電子顕微鏡と放射光蛍光X線を用いて、黒質細胞のナノイメージングを行うための擬似相関法を開発しました。この方法は、細胞コンパートメントの超微細構造の同定と検出限界に近い微量元素のナノイメージングを組み合わせたもので、S/N比を向上させることができます。ラット黒質のドーパミン作動性ニューロンの細胞質および核内コンパートメントと異なる小器官の元素組成を比較した。その結果、150-460ppmの鉄が検出され、P/Sが欠乏した核マトリックスの中にP/Zn/Feに富む核小胞とCaに富む粗い網状内膜が存在することが明らかになった。細胞質分析では、リポフスチンを含むサブミクロンのFe/Sに富む顆粒が観察された。パーキンソン病に関連するα-シヌクレイン蛋白質をAAVによって過剰発現させると、これらの顆粒はより高い鉄濃度にシフトする。この効果は、離散的な細胞質領域における金属（Fe）の不均一性を示唆しており、脳疾患における神経細胞の機能障害を調べるためにこの方法を使用することを示しています。
Sub-cellular trace element quantifications of nano-heterogeneities in brain tissues offer unprecedented ways to explore at elemental level the interplay between cellular compartments in neurodegenerative pathologies. We designed a quasi-correlative method for analytical nanoimaging of the substantia nigra, based on transmission electron microscopy and synchrotron X-ray fluorescence. It combines ultrastructural identifications of cellular compartments and trace element nanoimaging near detection limits, for increased signal-to-noise ratios. Elemental composition of different organelles is compared to cytoplasmic and nuclear compartments in dopaminergic neurons of rat substantia nigra. They exhibit 150-460 ppm of Fe, with P/Zn/Fe-rich nucleoli in a P/S-depleted nuclear matrix and Ca-rich rough endoplasmic reticula. Cytoplasm analysis displays sub-micron Fe/S-rich granules, including lipofuscin. Following AAV-mediated overexpression of α-synuclein protein associated with Parkinson's disease, these granules shift towards higher Fe concentrations. This effect advocates for metal (Fe) dyshomeostasis in discrete cytoplasmic regions, illustrating the use of this method to explore neuronal dysfunction in brain diseases.