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筋萎縮性側索硬化症におけるアストロサイトを介したオートファジーの過剰活性化と運動ニューロン機能の低下のメカニズムを明らかにした
Mechanistic Insights of Astrocyte-Mediated Hyperactive Autophagy and Loss of Motor Neuron Function in SOD1 Linked Amyotrophic Lateral Sclerosis.
PMID: 32676988 DOI: 10.1007/s12035-020-02006-0.
抄録
筋萎縮性側索硬化症（ALS）は、治療法のない致死的な神経変性疾患である。この病気の原因の一つとして、運動ニューロン周辺のアストロサイトが関与していることが報告されています。しかし、そのメカニズムについては、これまで正確には解明されていませんでした。そこで本研究では、Cu/Zn-SOD1結合型ALS患者の誘導多能性幹細胞(iPSCs)を用いて、運動ニューロンとアストロサイトに変換することを試みた。本研究では、ALS患者の運動ニューロンとアストロサイトにおいて、ストレス顆粒マーカー蛋白質G3BP1の発現が増加し、その変異したCu/Zn-SOD1蛋白質との共局在化が、AIF1を介したカスパーゼ3/7のアップレギュレーションとオートファジーの亢進と関連していることを報告した。また、アストロサイトが介在する非細胞自律神経毒性がALS患者のMNに発現していることを明らかにした。また、患者のiPSC由来のアストロサイトの分泌物が中脳に有意な酸化ストレスを与えていることを明らかにした。その結果、LAMP1, P62, LC3 I/IIとオートリソソームの共存により、オートファジーが亢進していることが示唆された。逆に、正常なアストロサイトの分泌物は、患者のiPSC由来のMNにおいて神経保護を示している。全細胞パッチクランプアッセイは、我々の知見を中枢神経系の生理学的機能レベルで確認した。また、ALSにおける中脳の変性がオートファジーの過剰活性化とアポトーシスの誘発によって引き起こされていることを、細胞の自律的な状態と非自律的な状態の両方で初めて報告した。
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder with no cure. The reports showed the role of nearby astrocytes around the motor neurons as one among the causes of the disease. However, the exact mechanistic insights are not explored so far. Thus, in the present investigations, we employed the induced pluripotent stem cells (iPSCs) of Cu/Zn-SOD1 linked ALS patient to convert them into the motor neurons (MNs) and astrocytes. We report that the higher expression of stress granule (SG) marker protein G3BP1, and its co-localization with the mutated Cu/Zn-SOD1 protein in patient's MNs and astrocytes are linked with AIF1-mediated upregulation of caspase 3/7 and hyper activated autophagy. We also observe the astrocyte-mediated non-cell autonomous neurotoxicity on MNs in ALS. The secretome of the patient's iPSC-derived astrocytes exerts significant oxidative stress in MNs. The findings suggest the hyperactive status of autophagy in MNs, as witnessed by the co-distribution of LAMP1, P62 and LC3 I/II with the autolysosomes. Conversely, the secretome of normal astrocytes has shown neuroprotection in patient's iPSC-derived MNs. The whole-cell patch-clamp assay confirms our findings at a physiological functional level in MNs. Perhaps for the first time, we are reporting that the MN degeneration in ALS triggered by the hyper-activation of autophagy and induced apoptosis in both cell-autonomous and non-cell autonomous conditions.