オートファジーとアルツハイマー病の双方向の関係を探る

強調オフ

オートファジー

サイトのご利用には利用規約への同意が必要です

Exploring the bi-directional relationship between autophagy and Alzheimer’s disease

要旨

アルツハイマー病はβアミロイド(アミロイドβ)の沈着とタウのリン酸化が特徴であり、その病態は今のところ解明されていない。アミロイドβとタウの代謝はオートファジーに決定的な影響を受けている。オートファジーの異常はアルツハイマー病の病態に関与していると考えられており、オートファジーを制御することはアルツハイマー病治療の新たな戦略となる可能性がある。

アルツハイマー病の初期段階では、アミロイドβとTauの存在は、mTOR依存性と独立した方法でそれらのクリアランスを促進するためにオートファジーを誘導することができる。アルツハイマー病が進行すると、オートファジーは異常な状態になる。その結果、アミロイドβとTauは継続的に発生し、オートファジー機能障害とアルツハイマー病の両方を悪化させる。また、アルツハイマー病の関連遺伝子やタンパク質もオートファジーを適応させてアルツハイマー病の発症に影響を与えることができる。

アルツハイマー病の病態とオートファジーとの間には、双方向の関係があるように思われる。現在、本論文では、この関係を以下のような観点から検討している。

  • (a)オートファジーを制御するシグナル伝達経路
  • (b)オートファジーとアミロイドβの処理との関係
  • (c)アミロイドβとTauはオートファジー機能不全を引き起こす
  • (d)正常なオートファジーはアミロイドβとTauのクリアランスを促進する
  • (e)オートファジーとアルツハイマー病関連遺伝子・タンパク質(TFEB、miRNA、Beclin-1,Presenilin、Nrf2)との関係
  • (f)オートファジーを制御する小分子のアルツハイマー病治療への影響

などである。以上のことから、アルツハイマー病の病態解明と臨床治療のための理論的基盤が得られる可能性がある。

キーワード

アルツハイマー病、オートファジー、遺伝子・タンパク質、タウ、βアミロイド

1. はじめに

臨床的には、進行性で不可逆的な認知機能障害を特徴としている。オートファジーは、損傷を受けた細胞や小器官、長寿命のタンパク質凝集体を除去するために重要な役割を果たしている4,5 。その中でも、マクロオートファジー(本記事では「オートファジー」と呼ぶ)は広く研究されており、アルツハイマー病との関連性が最も高いとされている。マイトファジーーとは、マクロオートファジーの一種である過剰または損傷したミトコンドリアを選択的に除去するオートファジーのプロセスである7 。オートファジーのメカニズムは、

  1. (a)細胞内に単離膜が出現する過程
  2. (b)単離膜が関連タンパク質の作用で連続的に膨張し、老化したタンパク質やミトコンドリアなどの周囲の小器官を取り囲む過程、
  3. (c)単離膜が二重膜構造のオートファゴソームに成長する過程、
  4. (d)オートファゴソームの外膜がリソソームと融合する過程、
  5. (e)オートファジーリソソームが加水分解酵素によって膜や介在物がアミノ酸などの小分子に分解されて形成される過程、

の5つの過程に分けられる。

オートファジーの役割とアルツハイマー病の発症との関係は、広く懸念されている。8 オートファジーの制御には複雑なシグナル伝達経路が関与しており、その経路は主に mTOR 依存性と mTOR 非依存性の 2 つの側面に分けられるが、アルツハイマー病 ではこの 2 つの制御経路の両方に異常があることが明らかになった9, 10。

アミロイドβとタウは、アルツハイマー病を悪化させる悪循環を構成している。一方で、オートファジーの誘導が アルツハイマー病 患者の脳や動物モデルにおいて アルツハイマー病 病理のクリアランスや分解を促進することが確認されている11 。また、オートファジー-リソソーム経路は、オートファジー機能をさらに悪化させ、アルツハイマー病発症を加速させるアミロイドβやTauの分泌にも関与していることが報告されている14, 15, 16。

また、オートファジーの制御に重要な転写因子 EB(TFEB)miRNA、Beclin-1,Presenilin、Nrf2 などのいくつかの遺伝子やタンパク質は、アルツハイマー病 の発症に密接に関係している可能性がある。

アルツハイマー病 におけるそれらの発現レベルは、オートファジーと アルツハイマー病 病理の両方に関連しているが、オートファジーと アルツハイマー病 病理の代謝との関係に直接または間接的に影響を与える可能性がある。そのことを考えると、アルツハイマー病におけるオートファジーの役割は次のように述べられる。

2. オートファジーの制御

2.1. mTOR依存性経路によるオートファジーの制御

哺乳類のラパマイシン標的(mTOR)は重要なセリン-スレオニンプロテインキナーゼであり、mTOR複合体1(mTORC1)とmTOR複合体2(mTORC2)の2つの複合体から構成されている。mTOR はオートファジーの古典的な調節因子であり、その活性は慢性ストレス、飢餓、グルココルチコイドなどのいくつかの要因によって調節されていた17,18。20

ホスホイノシチド3-キナーゼ(PI3K)とプロテインキナーゼB(Akt/PKB)はそれぞれmTORの上流にある2つのシグナル分子であり、この2つの分子はmTORとともにオートファジー制御に関与するPI3K/Akt/mTOR経路を構成していた;この経路のいずれかの分子を阻害または遮断することで、アルツハイマー病におけるアミロイドβのクリアランスを促進し、オートファジーを促進する生物学的効果を発揮した21。22, 23

Akt は mTOR の上流に位置する正の調節キナーゼであり、mTOR の直接的または間接的なリン酸化により mTOR 活性を増加させ、mTOR 下流基質タンパク質 p70S6K1 のリン酸化につながり、オートファジーの開始を阻害していた24。また、オートファジーの引き金となる重要な分子であるアデノシン5′-一リン酸活性化プロテインキナーゼ(AMPK)もmTOR経路の上流に位置し、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体-γ(PPARγ)とともに、mTORがPPARγ/AMPK/mTOR経路を構成してオートファジーを制御していた25 。

最近の研究では、ジヒドロセラミドの生成を触媒する酵素であるジヒドロセラミドデサチュラーゼ1(DES1)が、mTORC1,25のレベルをダウンレギュレートし、最終的にはp70S6K1の活性を阻害し、オートファジーを促進することが明らかになった。

今回の知見から、ジヒドロセラミドは真のオートファジー調節因子ではなく、代わりにジヒドロセラミド脱飽和酵素1がオートファジーを介してオートファジーを調節することができることが示唆された。また、一過性受容体電位ムコリピン-1(TRPML1)もオートファジー調節因子の一つと考えられ、PPARγ/AMPK/mTOR経路を介してオートファジーを調節していることが明らかになった26 。

図1 オートファジーを制御するためのシグナル伝達経路

オートファジーはmTOR依存性経路とmTOR非依存性経路の2つの経路で制御されている。mTOR はオートファジーを制御する中核分子であり、mTOR のリン酸化は mTOR のサブトレー トである P70S6K1 のリン酸化につながり、オートファジーを阻害する。生理的には、慢性ストレス、飢餓、GCなどの要因によりオートファジーが活性化され、mTORの発現が阻害されることでオートファジーが活性化される。

PI3K/Akt/mTORTRPML1/PPARγ/AMPK/mTORは、それぞれオートファジーを制御するネガティブ経路とポジティブ経路であり、これらの経路を阻害し活性化することでオートファジーを活性化することができる。また、ジヒドロセラミドはmTORを介してオートファジーを制御する新たなポジティブな経路である。

活性酸素は、mTOR依存性と独立性の両方の経路を介してオートファジーを誘導する。ミクログリアの炎症性活性化もオートファジーの活性化に関与している。その他、TyrRS/PARP1/SIRT1およびTRPM7/CaMKKβ/AMPKは、オートファジーを調節する2つの正の経路である。


2.2. mTOR非依存性経路を介したオートファジーの制御

(a) TRPM7/CaMKKβ/AMPK経路

AMPKのリン酸化形態の増加はオートファジーを活性化した。AMPKの上流制御因子はCa2+依存性プロテインキナーゼキナーゼβ(CaMKKβ)であり、Ca2+流入によって制御されていた。一過性受容体電位メラスタチン(TRPM7)を介したCa2+の流入はCaMKKβ/AMPK経路を介して基底オートファジーを制御し、内因性TRPM7チャネルをダウンレギュレートすることで基底オートファジーのレベルを低下させることが報告されている28。

さらに、AMPK はベクリン-1 関連のオートファジー複合体を構成する上流シグナル分子であり、AMPK はオートファジーを活性化するベクリン-1 のセリン 91 位/94 位を直接リン酸化していた31 。ミクログリアの炎症性活性化は、神経細胞内での p-Tau の輸送を促進し、リソソームでの p-Tau の分解を促進した。

(b)炎症を介した経路

ミクログリアの炎症性活性化は、神経細胞におけるp-Tauの輸送を促進し、リソソームにおけるp-Tauの分解を促進した。このプロセスはミクログリアのオートファジーフラックスの増加に関連していることから、神経細胞の軽度の炎症が神経細胞のオートファジーフラックスの活性化に重要な条件であるという仮説が考えられる。

(c)活性酸素を媒介する経路

活性酸素の酸化の文脈では、タンパク質は重合することができ、その結果、タンパク質は悪化する。活性酸素は、オートファジー関連遺伝子4(Atg4)を介してオートファジーを誘導することができ、Atg4の発現をブロックすることができたが、Beclin-1と軽鎖3-II(LC3-II)タンパク質(オートファジーマーカーの2つのタンパク質)の発現のレベルを有意にダウンレギュレートすることができる27

(d)TyrRS/PARP1/SIRT1経路

チロシルトランスフェクサー-RNA合成酵素(TyrRS)の活性化は、PARP1を刺激し、最終的には基底オートファジーの正の調節因子であるSIRT1の活性化につながり、いくつかのオートファジー関連タンパク質の発現を調節することによってオートファジーを媒介することができる(図11).35

3. オートファジーとアミロイドβ

3.1. オートファジーとアミロイドβの処理の関係

β-サイトアミロイド前駆体タンパク質(APP)は、β-セクレターゼ(BACE1)とγ-セクレターゼによって順次切断されてアミロイドβを生成するI型の膜貫通型タンパク質であった36 。アルツハイマー病動物モデルで観察された現象は、Atg5依存性のオートファジーの活性化は、このようにアミロイドβの蓄積を防止し、早期にAPPの分解を促進することができた38

Sirtuin1(SIRT1)は、その活性化はBeclin-1,Atg5,およびLC3-IIの発現をアップレギュレートすることができるオートファジーの正の関連分子として、その後、APP-CTFβレベルとアミロイドβクリアランス率が減少し、それぞれ加速された原因となった39。APP/PS1トランスジェニックマウスモデルは、アルツハイマー病のメカニズムを調査するために過去と現在でことわざのように使用されている、このモデルを実験対象として使用して実施された研究は、オートファジーを促進するためにmTOR経路を阻害することにより、BACE1発現のレベルを低下させることができることを発見した40

最近の研究では、APP/PS1マウスにおいてPPARαの活性化がオートファジーの活性化を介してAPPのクリアランスを促進することで、アミロイドβ病理を減少させ、記憶障害を逆転させることが確認されている。また、PPARαアゴニストを投与すると海馬や大脳皮質組織でアミロイドβが減少し、アミロイドβプラーク近傍へのミクログリアやアストロサイトのリクルートが促進され、オートファゴソームの生合成が促進された41。

また、APPの変異はオートファジー異常を引き起こし、アルツハイマー病の進行を悪化させる可能性がある42 。変異APPの発現はアルツハイマー病ニューロンのミトコンドリアのエネルギー代謝障害と関連していることが報告されている43 。44

同時に、オートファジーの障害は、γセクレターゼ複合体を活性化してAPP産生を促進し、アミロイドβ産生を引き起こす可能性がある45 。また、オートファジー阻害剤である3-メチルアデニン(3-MA)は、γ-セクレターゼ複合体をアップレギュレートして活性を高め、アミロイドβの産生・蓄積を促進することができる46。しかし、オートファジーの異常な活性化は、APPの切断を促進し、アミロイドβ産生に寄与することもある47, 48

以上の実験結果から、アミロイドβ産生の初期段階ではAPPがオートファジーの基質となり、APPのクリアランスには正常なオートファジー機能が不可欠であることが示された。しかし、APP がオートファジーの基質になるまでの経緯はまだ明らかにされていない。

3.2. 異常なオートファジーとAβの関係

アルツハイマー病の初期段階では、アミロイドβ形成によりオートファジーが活性化され49 、オートファゴソームからリソソームへの輸送によりアミロイドβが分解される50 。21, 52, 53, 54, 55 研究では、アミロイドβ1-42 を発現するショウジョウバエの機能不全オートファジー小胞に アミロイドβ1-42 が局在しており、この小胞が細胞外 アミロイドβプラーク蓄積源となっている可能性が示唆されている。しかし、オートファジーは小胞体からゴルジ体、形質膜への分泌経路や分泌リソソーム経路を介してアミロイドβ分泌に関与していることが示唆されている。このことは、オートファジーがアミロイドβの分解と分泌に二重の役割を果たしているという仮説を支持するものであり、アミロイドβのクリアランスと分泌におけるオートファジーの二重の役割をさらに研究することは、アルツハイマー病の病態解明に貢献するものと考えられる。

アルツハイマー病後期におけるアミロイドβの持続的な蓄積はオートファジーの異常を誘発し42,神経細胞の機能障害を引き起こし、アルツハイマー病症状をさらに悪化させることが示唆されている37。また、Aβの毒性形態の一つであるAβ由来の拡散性リガンド(ADLL)は、オートファジーを調節することでAD発症に関与していた57。

ADLLsを神経細胞に曝露すると、リン酸化されたp70S6K1の発現レベルが有意に低下し、ADLLs誘導の異常なオートファジーに関与するmTOR経路の阻害が示唆された57。また、アミロイドβはオートファジーの過剰活性化により神経細胞死を引き起こした後、NADPHオキシダーゼ4(NOX4)の発現をアップレギュレートして活性酸素の凝集を増加させ、NOX4の発現を抑制して活性酸素レベルを低下させることでオートファジーの過剰活性化を防ぎ、神経細胞を死から保護することが可能である。

アミロイドβの毒性を媒介する重要な受容体はRAGE(Receptor of advanced glycation end-products)であり、アミロイドβ1-42オリゴマーはRAGEを介して異常なオートファジーを誘導し、血液脳関門のタイトジャンクションタンパク質を破壊し、アルツハイマー病の進行を悪化させることが確認されている59。アミロイドβを投与したアストロサイトでは、オートファジー機能障害が発生し、p62が凝集し、LC3-II/LC3-I変換率が低下することが明らかになっている60。

 

これらのミトコンドリア異常は、アミロイドβと電圧依存性アニオンチャネル1タンパク質(VDAC1)およびダイナミン関連タンパク質1(Drp1)との相互作用によるものと考えられている。アミロイドβの産生量の増加、およびアミロイドβとVDAC1およびDrp1との相互作用は、ミトコンドリアの異常なマイトファジーー、ミトコンドリアダイナミクス、シナプス損傷の重要な因子である61, 62。

研究では、PINK1 のレベルの低下は アミロイドβ病理と関連しており、PINK1 依存性の アミロイドβ病理がマイトファジーを介してシナプスや認知機能障害に寄与していることが明らかにされている。しかし、PINK1の過剰発現は、オートファジー受容体(OPTNとNDP52)の活性化を介したマイトファジーシグナル伝達を促進することで、損傷したミトコンドリアのクリアランスを促進し、アルツハイマー病におけるアミロイドβ誘発性のシナプスの喪失と認知機能の低下を緩和した。

3.3. 正常なオートファジーとアミロイドβの関係

正常なオートファジーの活性化または増強は、Aβ凝集体を効果的に除去し、Aβ誘発神経変性をADの初期段階で抑制することができる。SH-SY5Y細胞の活性は、アミロイドβ1-42の処理後に抑制することができ、オートファジー活性化のために適用されたオートファジー誘導剤ラパマイシンは、アミロイドβ1-42レベルの低下を示し、アミロイドβ1-42によって誘導される細胞毒性などの有害な影響が同時に緩和された65。さらに、APP/PS1 アルツハイマー病 マウスモデルの脳内では、P62 の発現を増加させて mTOR 依存性経路を介してオートファジーを活性化させることで、アミロイドβレベルの低下、老人性プラーク負担の改善、認知機能障害の減少など、複数の有益な効果が期待できる67。

しかし、APP/PS1 アルツハイマー病 マウスモデルに rAAV/アミロイドβ経口ワクチンを投与したところ、脳内の LC3B-II/LC3B-I の割合が増加し、オートファジーが亢進していることが示されたが、それに伴い P62 の発現が低下した68。

また、mTOR シグナル伝達経路における遺伝子発現の過剰活性化が、アルツハイマー病 発達の障害となっている可能性が示唆された。これは、遺伝子をノックアウトしたADマウスモデルがmTOR依存性経路を阻害し、オートファジーを誘導し、その結果、アミロイドβの沈着を減少させ、記憶障害を回復させることができることを確認した69。

オートファジーフラックスの回復は、アミロイドβによって引き起こされた空間学習と認知欠損を逆転させるために極めて重要であった70。アルツハイマー病におけるアミロイドβレベルの増加は、老化ミクログリアにおけるインスリン分解酵素(IDE)の放出の減少と関連していると考えられ、IDEは細胞外に分泌され、細胞外のアミロイドβを分解することができ、これはオートファジーフラックスに依存したプロセスであり、オートファジーフラックスの回復は、IDEの分泌を増加させ、アミロイドβの酵素的加水分解を促進することができる71。72

さらに、脳内アミロイドβ負荷は、インスリン受容体や低密度リポ蛋白質受容体関連蛋白質-1のオートファジーリソソーム分解を促進することでインスリンシグナル伝達を阻害し、脳内インスリン効果の低下に寄与する可能性が報告されている73。

 

オートファジーの適度な活性化は、Ca2+ホメオスタシスを調節し、ミトコンドリア膜電位を維持して、アミロイドβ1-42誘発細胞毒性を緩和することができる。また、12/15-LO 阻害剤を投与した アルツハイマー病 マウスモデルでは、アミロイドβレベルが有意に低下しており、この効果は 12/15-LO 阻害剤がオートファジーを活性化することと関連していることが明らかになった。

オートファジー誘導には、オートファジー蛋白質であるBeclin-1, Atg5, Atg7のアップレギュレーションとリソソソーム活性の増加が関与していた。また、アルボリキシンによるオートファジー誘導は、PI3K/Akt経路の阻害と関連していた。77 フラット運動は、APP/PS1 ADマウスモデルのアミロイドβプラークの面積と負荷を有意に減少させ、オートファジー活性の調節に関与するADマウスの認知障害を改善することが報告されており、オートファジー活性の亢進はPI3K/Akt/mTOR経路の阻害と関連していた。78

さらに、オートファジーの亢進は海馬の酸化ストレスやアポトーシスを減少させ、アミロイドβの沈着を減少させ、アミロイドβに起因する神経機能障害を改善させることができることが明らかになった。しかし、オートファジーの制御経路は複雑であり、最も適切な介入をスクリーニングする方法はまだ研究が必要であり、mTOR経路が適切な候補経路である可能性がある。

興味深いことに、オートファジーがアミロイドβをクリアする能力は男女で異なる可能性がある。疫学調査では、女性の方が男性よりもアルツハイマー病の発症率が高いことが示されており、この違いはオートファジーに関係している可能性がある。この推測は、オートファジー関連タンパク質の低レベルを発現する2つのX染色体を含む細胞であり、女性が産生するエストロゲンとプロゲステロンの両方が基底オートファジーのレベルを阻害することができ、基底オートファジーの低レベルは、アミロイドβをクリアするために神経細胞やミクログリアの能力を損なう可能性があるという、これらの証拠によってサポートされていた80。他の研究では、卵巣ホルモンが代わりにオートファジーを強化し、アミロイドβ.60,81のクリアランスを促進することができることが示されているが、したがって、オートファジーとアルツハイマー病の関係を媒介する卵巣ホルモンの役割を探るためにさらなる研究が必要であった。

4. オートファジーとTAU

4.1. オートファジー異常とタウの関係

タウのリン酸化はアルツハイマー病のもう一つの病理学的特徴であった。ユビキチン-プロテアソーム系(UPS)がタウの分解の主な経路と考えられていたが、オートファジーが別の効果的な分解方法である可能性がある82, 83 。また、リン酸化されたタウはオートファジーの異常を引き起こす可能性もある84 。

MiR-132/212はタウのmRNAを標的にしてタウの発現を調節し、アルツハイマー病患者のブリアンにおけるmiR-132/212の発現のダウンレギュレーションはタウの凝集につながり、タウの凝集を調節するmiR-132/212の役割はオートファジー機能不全と関連していることが明らかになった86。また、リン酸化タウ・オートファジー受容体であるオートファジーアダプタータンパク質52(NDP52)は、オートファジーを介してリン酸化タウの除去を促進することができる。89

しかし、ADモデルマウスの大脳皮質と海馬では、NDP52を含むオートファジー小胞(AV)の量が有意に増加し、NDP52タンパク質の発現レベルとリン酸化タウおよびLC3-IIの発現レベルもそれに対応してアップレギュレーションされており、ADモデルマウスではオートファジーが機能不全に陥っていることが示唆された89。

特筆すべきは、以前に述べたアミロイドβのように、神経細胞でもオートファジーを介する分泌経路を介してタウが分泌されていたことである14,15。また、海馬でリン酸化されたタウの蓄積は、マイトファジー機能の異常、ミトコンドリア動態の海馬ベースの学習・記憶障害の原因となっていることが報告されている。90

リン酸化されたタウはVDAC1やDrp1と相互作用し、ミトコンドリアの機能障害や異常なマイトファジーを引き起こし、最終的には神経細胞の損傷や認知機能の低下につながる可能性があることが報告されている。62, 91

4.2. 正常なオートファジーとタウの関係

正常なオートファジーは、ニューロンにおけるリン酸化タウの除去のための主要な経路であり、オートファジーの活性化または増強は、効果的にタウのクリアランスを促進することができる92, 93 mTOR依存性経路とmTOR非依存性経路の両方の阻害は、オートファジーを誘導することにより、アルツハイマー病におけるタウ病変を改善することができる93。94, 95

セレン-メチオニン(Se-Met)が AMPK-mTOR 経路を介してオートファジーを活性化し、神経細胞におけるタウのクリアランスを促進し、アルツハイマー病 モデルマウスの認知能力を改善することを確認した。

シナプス興奮性の低下は、アルツハイマー病 発達において最も早く検出可能な変化の一つである。97 シナプス興奮を阻害するとタウのオリゴマーレベルが上昇し、オリゴマー凝集体は膨潤したリソソームに存在していた;一方、慢性的なシナプス刺激はオートファジーフラックスを上昇させ、リソソソーム分解を促進し、タウレベルを低下させ、リソソソームサイズを回復させた。

コレステロールアシルトランスフェラーゼインの発現を阻害するために使用される阻害剤は、アルツハイマー病 マウスモデルにおいて、オートファジーが増強され、オートファゴソームの形成がそれぞれ誘導され、リン酸化されたタウの量の減少を伴うことがわかった。ピモジドを毎日腹腔内注射したADマウスでは、ピモジドがmTORに依存しないAMPK-ULK1軸を介してオートファジーのフラックスを増加させ、神経細胞内のリン酸化タウの可溶性オリゴマーとNP40不溶性集合体レベルを減少させ、記憶障害を回復させたことが明らかになった100。

ESCRT-IIIは、ESCRT複合体形成のポジティブモジュレーターであるIST1(IST1 factor associated with ESCRT-III)サブユニットを含んでいた。ESCRT-IIIサブユニットの機能不全はオートファゴソームの蓄積をもたらした。

タウの蓄積はIST1の発現を阻害し、オートファゴソームとリソソームの融合を減少させてESCRT-III複合体を破壊した。しかし、タウ遺伝子導入マウスでIST1をアップレギュレーションすると、オートファジー欠損は減少し、タウ凝集は減少し、シナプス可塑性と認知機能低下は改善された。

5. AUTOPHAGYとアルツハイマー病に関連する両遺伝子およびタンパク質との関係

5.1. 転写因子EB

転写因子 EB(TFEB)は、リソソームバイオジェネシスの主要な制御因子であるらせん状のループ状の転写因子であった。TFEB の発現の変化は、アルツハイマー病 患者の脳組織におけるオートファジー異常と明らかに関連していることが明らかになっている。アルツハイマー病患者の脳内TFEBレベルは、オートファジー異常に伴い低下し、TFEBの過剰発現はオートファジーを増強し、アルツハイマー病患者のオートファジーフラックスを改善した103, 104, 105

AMPK-SIRT1-TFEB経路は、最近、脳内のオートファジーを調節するリソソソーム機能を活性化することが報告されたが、この経路がアミロイドβとタウのクリアランスに関与しているかどうかは、さらなる実験が必要である102。

TFEBは特にタウの分解に関連しており、タウ病理マウスのタウ異常凝集体の除去に有効であった106 。また、TFEB の過剰発現は アルツハイマー病 モデルマウスにおいて アミロイドβ1-42 によって阻害されたオートファジーの流 れを回復させ、アミロイドβ1-42 によって阻害されたリソソソーム酸性環境を除去するカテプシン D の発現と活性を高め、オートファゴソームとリソソームの融合を促進した。

アミロイドβオリゴマーは、TFEB の核内転座の調節やオートファジー機能に関連する遺伝子の活性化にも関与していた。TFEB の過剰発現は、アルツハイマー病 の 2 つの主要な病理学的特徴である Tau と アミロイドβ のリン酸化の除去を促進し、アルツハイマー病 の臨床症状を有意に改善した。

以上のことから、TFEB の アルツハイマー病 における役割についてのさらなる研究は、アルツハイマー病 の発症機序の解明や抗 アルツハイマー病 薬の開発につながる可能性を秘めていると考えられる。

5.2. マイクロRNA

マイクロRNA(miRNA)とは、コード化されていない小型の一本鎖RNAのことである。近年、アルツハイマー病患者の脳組織においてmiRNAの発現が異なることが示された例がある。このmiR-124をADモデルマウスの海馬の両側歯状回に注入するとアルツハイマー病の病変が緩和されることが明らかになり、さらに研究を進めると、miR-124はBACE1制御オートファジー経路を介して間接的に異常なオートファジーを抑制し、神経保護効果を発揮することが明らかになった。

MiR-214-3p は海馬ニューロンのオートファジーのネガティブな調節因子であり、Atg12 の 3´-翻訳されていない領域を直接かつネガティブに標的としており、アルツハイマー病 患者や アルツハイマー病 モデルマウスではダウンレギュレーションされていた。また、miR-214-3p を海馬に注入することで認知障害が改善された。また、最近の研究では、オートファジーは miR-101a によっても MAPK 経路を介して制御されていることが明らかになり、アルツハイマー病 の新たな機序となる可能性があると考えられている。

 

miR-132/212はヒト17番染色体(マウス11番染色体)上の二色性部位に位置しており、内因性タウの発現、リン酸化、凝集に直接関与していた。アルツハイマー病ではmiR-132/212の発現レベルがダウンレギュレーションされており、Atg9aとAtg5-12の発現を標的としたオートファジー機能不全にも関連していたが、具体的な役割と関係については、まだより詳細な研究が必要である。

また、アルツハイマー病脳ではmiR-34aの発現も観察され、miR-34aはオートファジー制御に関与していた。miR-34a 発現をダウンレギュレーションした後、オートファジーは SIRT1/mTOR 経路を介して活性化される可能性がある。

CCHモデルマウスでは、miR-96レベルが有意に上昇し、LC3量とBeclin-1陽性オートファゴソームのレベルが増加したが、mTORレベルが減少したためである。上記の変化は、miR-96 RNAアンタゴニストの注入後に反転し、miR-96は、アルツハイマー病の発症におけるCCHの役割を媒介するために、mTOR経路を介してオートファジーを制御する可能性があることを示唆している(図(図22)115

図2 オートファジーを制御する関連するmiRNAと標的遺伝子/パスウェイ

アルツハイマー病患者や動物モデルで発現が変化したmiRNA。miR-124はBACE1制御オートファジー経路を介して異常なオートファジーを抑制しアルツハイマー病病態を改善し、miR-214-3pとmiR-299-5pはADマウスのAtg12とAtg5の発現をネガティブに、それぞれ標的とすることで認知機能障害を改善した。

また、miR132/212はAtg9aとAtg5-12の発現を標的とすることでオートファジー機能障害と関連しており、miR-34aはSIRT1/mTOR経路を介してオートファジーを制御していた。また、オートファジーはmiR-101aによってMAPK経路を介して制御されていた。

最後に、miR-96 は mTOR 経路を介してオートファジーを制御し、アルツハイマー病 の病態における慢性脳低灌流の役割を担っている可能性が示唆された。


5.3. ベクリン-1

ベクリン-1は、食細胞受容体の機能を調節する重要なタンパク質であった。ベクリン-1は、アルツハイマー病の動物モデルにおいて、アミロイドβの毒性や神経変性作用を調節することが確認されている。近年、アルツハイマー病ではBeclin-1が障害されていることが確認され、アルツハイマー病の脳ではBeclin-1の全体的な発現がダウンレギュレートされていることが確認されている116,117。

Beclin-1がオートファジーに重要な役割を果たしていることが示唆され、Beclin-1のタンパク質修飾の同定により、Beclin-1がオートファジーの調節に関与していることも示されているが、具体的なメカニズムは不明である118。アミロイドβ1-42はPC12細胞においてBeclin-1依存性のオートファジーを誘導し、Beclin-1の発現は細胞生存率と正の相関を示した。

5.4. プレセニリン

プレセニリン(PS)は、PS1とPS2を含む膜内プロテアーゼで、2つのサブタイプとも神経細胞のアミロイドβ情報に主に関与し、γ-セクレターゼ複合体の触媒部位を含んでいた。セリン367位でのPS1の選択的なリン酸化は、オートファゴソームとリソソームの融合を促進し、オートファジーを促進してアミロイドβ発現をダウンレギュレートさせることができる122,123。

PS1 突然変異はオートファジーを悪化させ、リソソソームPHの増加を特徴とするアルツハイマー病患者のリソソーム病変を悪化させた。同様に、PS1 の欠失は神経幹細胞(NSCs)において重度のオートファジー障害を引き起こし、アルツハイマー病 病変を悪化させる可能性があり、PS1 の欠失は ERK/CREB シグナル伝達経路を阻害し、GSK3 を活性化して NSCs における TFEB 発現をダウンレギュレートすることがその機序となっていた124 。

重要なことは、家族性アルツハイマー病-PS2がオートファジーを阻害することで、ERのCa2+量を部分的に減少させる能力に依存していることであり、IP3リンク細胞刺激時の細胞質Ca2+応答を減衰させていることである。

これらの結果は、オートファジーの制御におけるCa2+シグナル伝達の重要な役割を示しており、家族性アルツハイマー病-linked PSがオートファジープロセスを変化させる新しいメカニズムを明らかにした。

5.5. Nrf2

核内因子 E2 関連因子 2(Nrf2)は、酸化ストレスに対する重要な転写因子である。Nrf2 は NDP52 の発現を誘導し、リン酸化されたタウのレベルを低下させることが知られている。

現在、Nrf2 はオートファジー遺伝子の制御因子として報告されており、9 つのオートファジー遺伝子を制御していることが確認され、Nrf2 ノックアウトマウスではオートファジー遺伝子の発現が低下し、Tau 凝集体の細胞内量が増加した。128

Nrf2 は、細胞の恒常性を維持するために、LC3 とオートファゴソーム上のカーゴと同時に相互作用して選択的なオートファジーを促進する受容体である P62 と NDP52 のレベルを上昇させた。また、P62はNrf2の発現をより特異的に調節し、両者は正のフィードバックループを形成してオートファジーによるタウのクリアランスを一緒に促進していた127。

5.6. オートファジーを標的とした低分子とそのアルツハイマー病治療への示唆

近年、アルツハイマー病は高齢者の脅威となるケースが増えている。薬物構造の開発や分子機構の研究が進み、アルツハイマー病に関する研究がより徹底して行われるようになったことで、アルツハイマー病関連薬の研究もある程度進展していた。当初、アルツハイマー病 の病態はコリン作動性仮説、すなわちアセチルコリンの不足が アルツハイマー病 の原因であると考えられていた129 。現在では、アミロイドβ凝集、タウ高リン酸化、オートファジーの異常・不足などの神経毒性タンパク質がアルツハイマー病の原因である可能性が高いと考えられている7, 85, 130

複雑なオートファジー過程のシグナル伝達には多くの経路が含まれており、これらの経路を制御する薬剤の発見・設計はアルツハイマー病の治療・予防のための重要な方法となる可能性がある。本稿では、オートファジーを制御するために低分子(DNLA,131 EVOO,132 LANDO,133 SYK,134 ERβ,135 Ori,136,TMED10137)を用いた最近の知見とアルツハイマー病治療への示唆について簡単に述べる(表1)。

表1 低分子を用いたオートファジー制御の最近の知見とアルツハイマー病治療への応用

小分子 オートファジー機械をターゲットにする ADへの影響 参考文献
DNLA オートファジーフラックスを増加させる 海馬の軸索変性を軽減する 131
EVOO AMPK-ULK1経路を活性化する 神経炎症を軽減する 132
LANDO LC3‐IIの劣化を増加させる Aβクリアランスを促進し、認知障害を軽減する 133
SYK mTOR経路を阻害する タウの蓄積、ニューロンおよびシナプスの喪失を軽減する 134
ERβ LC3‐IIの分解を増加させ、Atg7と相互作用する タウの分解と神経保護効果を促進する 135
Ori LC3‐II、P62およびカテプシンDの分解を増加させる 学習と記憶およびAβクリアランスを促進する 136
TMED10 Atg4Bをアクティブにする Aβ産生を減弱させる 137

略語。DNLA、Dendrobium nobile Lindl alkaloid、ERβ、エストロゲン受容体β、EVOO、エクストラバージンオリーブオイル、LANDO、LC3関連エンドサイトーシス、Ori、ori、orientin、SYK、脾臓チロシンキナーゼ。

6. 結論および展望

アルツハイマー病 の具体的な病態はまだ解明されていないが、オートファジーの異化過程を指摘する研究が増えており、初期 アルツハイマー病 の病態においてはオートファジーが保護的で有益な役割を果たしている一方で、アルツハイマー病 が進行すると機能不全や異常を起こし、アルツハイマー病 の症状を悪化させることがわかっている。

研究がさらに発展するにつれ、オートファジーとアルツハイマー病の病態形成に関連する遺伝子やタンパク質が多数発見されており、それらの遺伝子や分子がオートファジーの調節にどのような役割を果たしているのかを解明し、アルツハイマー病の病態形成に役立てることが重要となっている。また、最近の研究では、低分子がオートファジーの異なる制御経路を介してオートファジーを制御し、アミロイドβやタウのクリアに大きな効果を発揮し、アルツハイマー病症状を改善することが報告されている。

オートファジーにはアミロイドβ凝集体のクリアやタウ蛋白質のリン酸化、神経細胞を損傷から守る働きがあることが広く研究されていたが、アルツハイマー病研究の病態におけるオートファジーの役割をより深く、より包括的に理解することが急務となっており、アルツハイマー病治療薬の臨床試験に向けた新たな理論や治療標的を提供することが期待される。

この記事が役に立ったら「いいね」をお願いします。
いいね記事一覧はこちら

備考:機械翻訳に伴う誤訳・文章省略があります。
下線、太字強調、改行、注釈や画像の挿入、代替リンク共有などの編集を行っています。
使用翻訳ソフト:DeepL,ChatGPT /文字起こしソフト:Otter 
alzhacker.com をフォロー