鉄のホメオスタシス異常とアルツハイマー病

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Iron Homeostasis Disorder and Alzheimer’s Disease

www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC8622469/

2021年11月18日オンライン公開

Yu Peng,1 Xuejiao Chang,1 and Minglin Lang1,2,*)

概要

鉄は、ヒトを含むほとんどの生物にとって必須の微量金属であるが、過剰になると電子供与体にも電子受容体にもなるため、酸化ストレスを引き起こしやすく、人体への毒性が生じる。ヒトの体や脳では、鉄のホメオスタシスが厳密に制御されているが、通常、遺伝的・環境的要因や加齢に伴う乱れが避けられず、アルツハイマー病(AD)などの多くの神経変性疾患を含む鉄代謝疾患を引き起こしている。ADは、人間の健康を脅かす中枢神経系(CNS)の最も一般的な変性疾患の1つである。しかし、ADの正確な病態はまだ不明であり、ADの病態に基づいた介入や治療薬の設計に重大な制約を与えている。多くの研究により、AD脳の様々な領域で鉄の異常蓄積が認められ、認知、記憶、運動などの神経障害が引き起こされることが分かっている。脳内における鉄の代謝バランス機構を解明することは、ADの治療にとって極めて重要であり、新しい治療法を提供することになる。本稿では、鉄とADの関係について、腸管細胞における鉄の吸収、細胞や臓器における鉄の貯蔵と調節、特にヒト脳における鉄のホメオスタシス調節の側面から最近の進歩をレビューし、AD治療の将来の方向性を展望する。

キーワード アルツハイマー病、鉄代謝異常、鉄代謝制御因子、β-アミロイド、タウ、APP、中枢神経系、酸化ストレス、病態、遺伝子介入
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1. はじめに

遷移金属元素である鉄は、地殻においてアルミニウムに次いで2番目に多く存在する金属元素である。また、人体にとって必須の微量元素であり、金属タンパク質の重要な構成要素でもあ1,2]。そのユニークな化学反応特性により、酸素運搬、DNA合成、鉄硫黄クラスター合成、神経伝達物質合成、呼吸鎖における電子伝達など、正常な生理機能や代謝の維持に重要な役割を担ってい3,4,5]。成人の人体には3-5 gの鉄が含まれてい2]。人体の正常な代謝において、鉄イオンは小腸から血液中に吸収され、鉄を必要とする部位に輸送される。体内では鉄代謝の調節が厳密に行われているが、加齢、遺伝、環境による変化により、鉄代謝障害が引き起こされ6]。体内の鉄代謝の障害は、フェントンなどの化学反応による活性酸素の生成を触媒し、DNA、タンパク質、脂質分子を攻撃し、細胞障害を引き起こすことにな7,8]。近年、アルツハイマー病(AD)の病態に関する研究チームが増え、鉄代謝異常による酸化ストレスと活性酸素の産生がADの病態過程に関係していることが明らかになってい7,9]。アルツハイマー病は、記憶障害、認知障害、学習障害などの臨床症状を示す加齢に伴う神経変性疾患であ10,11,12]。人間の寿命が延びるにつれて、ADの発症率も増加し、最も重要な致死性疾患の一つとなってい5,13,14]。脳におけるADの病理学的特徴は、細胞外にAβタンパク質が沈着して不溶性の老人斑を形成し、細胞内に高リン酸化タウタンパク質が蓄積して神経原線維変化(NFT)を形成し、その結果、神経細胞が大きく死滅することである [11,15,16].このように、ADの主な原因や病態は十分に解明されていない。多くの研究チームが、アルツハイマー病患者の脳に局所的に鉄が沈着していることを発見し[17,18,19]、鉄キレート剤による治療がADの症状を効果的に軽減することを見出し[9]、鉄代謝異常とADとの密接な関係が示唆されている。

本論文では、近年の鉄とADの関連研究の進展を概観し、正常な鉄代謝とその代謝異常による酸化ストレス、特に鉄輸送体、トランスフェリン受容体、二価金属輸送体の異常発現、AD病態のマークタンパク質であるAβタンパク質やタウタンパク質との関連に注目する。また、関連する現代のAD治療法についても議論され、展望されている。ADにおける鉄のホメオスタシスは、神経変性疾患の予防と治療のための理論的基礎を提供し、有効な創薬スクリーニングの標的を提供する。

2. 全身性鉄の生理機能・代謝過程

2.1. 全身鉄の生理機能

鉄は必須微量金属元素であり、金属タンパク質の重要な構成要素であ2]。鉄はその特異な化学反応特性から、有機配位子との様々な配位化合物の形成や、2価鉄と3価鉄の相互変換による酸化還元反応など、酸素運搬、DNA合成・修復、エネルギー生成、酵素機能において重要な役割を担ってい3,6,8,20]。

2.2. 系鉄の代謝過程

2.2.1. システム鉄の吸収

周知のように、成人の人体には約3〜5gの鉄が含まれてい2]が、輸血のない人では、体内の鉄の一部は食物から吸収した腸管細胞から、残りの一部はマクロファージからもたらされ6,21]。図1に示すように、食物から吸収された鉄はFe3+であり、DCYTB(duodenal cytochrome-b-like protein)によりFe2+に戻された後、腸管細胞膜表面の2価金属トランスポーター1(DMT1)が第一鉄を結合して腸管上皮細胞内に輸送され20]。腸管上皮細胞に入った第一鉄は、ミトコンドリアに運ばれてヘム分子を合成するか、酸化されて第二鉄となりフェリチンに貯蔵され22,23]。過剰なFe2+は、腸管基底細胞膜に存在するFPN(フェロポーチン)によって].

図1 非ヘム鉄の腸管吸収と腸管細胞による輸送

食物のFe3+はDCYTBによってFe2+に還元され、腸管細胞膜表面の二価金属輸送体DMT1に結合して腸管上皮細胞内に輸送される。腸管細胞に入ったFe2+はミトコンドリアに入り、ヘムを合成することができる。また、Fe3+に酸化され、フェリチンに貯蔵されることもある。過剰なFe2+はFPNから血漿中に放出され、ヘファースチンによってFe3+に酸化される。血漿中のApo-トランスフェリン1分子は、2個のFe3+イオンと結合し、Holo-トランスフェリン-Feを形成する。この複合体は、血液中の鉄を、鉄を必要とする体内の臓器に輸送する。

図2に示すように、血漿中のFe3+はトランスフェリン(TF)と結合することができ、TF-Fe複合体の形で血液中を輸送される。そして、この複合体は、鉄を必要とする細胞膜表面に高発現しているトランスフェリン受容体1(TfR1)に結合し、クラスリンを介したエンドサイトーシスにより鉄を必要とする細胞に入27,28]。エンドサイトーシス小胞内のFe3+は、STEAP (six-transmembrane epithelial antigen of prostate) によってFe2+に還元され、エンドサイトーシス小胞の低pH環境下で分離後、二価金属イオン輸送体DMT1によって細胞内に放出される [29,30,31,32].また、ZIP14(Zrt/IRTファミリー)は、当初Znのトランスポーターとして同定された。その後の研究により、エンドサイトーシス小胞から放出された第一鉄の細胞質への輸送に関与していることが判明した[1,28,33]。鉄3+から分離したTFとTfR1は血漿に入り、細胞膜表面に再分配され、それぞれ鉄輸送と次の鉄吸収に参加す1]。また、血漿中のFe3+はクエン酸、ATP、アスコルビン酸と結合し、低分子錯体を形成することがある[6]。

図2 体細胞吸収と鉄イオンの輸送

血漿中のFe3+はApo-トランスフェリン(Tf)と結合してTf-Fe複合体を形成し、血液中を輸送されて鉄細胞膜表面に高発現を必要とするトランスフェリン受容体(TfR1)と結合し、クラスリンを介したエンドサイトーシスにより鉄要求性細胞へ侵入する。エンドサイトーシス小胞内で、Fe3+は6-transmembrane epithelial antigen of prostate (STEAP) によってFe2+に還元され、低pH環境下で分離後、2価金属イオン輸送体DMT1によってFe2+が細胞内に放出される。細胞内の鉄イオンは、ミトコンドリアに入って酸化還元反応に参加したり、フェリチンタンパク質に貯蔵されたりすることができる。体内の鉄が制限された状態になると、Fe2+はFPNを介して細胞外に運ばれ、ヘファースチンによってFe3+に酸化され、Apo-トランスフェリンと結合してホロトランスフェリンとなることが可能である。

2.2.2. システム鉄の貯蔵と損失

体内では、鉄は主に肝細胞とマクロファージに貯蔵されている。マクロファージは老化した赤血球を貪食して赤血球内の鉄イオンを放出し、放出された鉄はマクロファージ内のフェリチン蛋白に貯蔵され34]。体が鉄を必要とする状態になると、マクロファージはフェリチンタンパク質を血清循環系に分泌する。したがって、血清中のフェリチンタンパク質の濃度は体内の鉄量の状態を反映することができ35]。フェリチンタンパク質は、細胞内の鉄の貯蔵と抗酸化に重要な役割を果たす[36]。フェリチンタンパク質はH-フェリチンとL-フェリチンの2つのサブユニットを持ち、それぞれferrous oxidase活性と鉄貯蔵機能を発揮す37]。細胞内のFe2+はH-フェリチンで酸化され、L-フェリチンに貯蔵される。フェリチン蛋白質は1個あたり4500個の鉄原子を貯蔵することができ、細胞の遊離鉄イオンレベルをかなり低下させ、遊離鉄による酸化ストレスによる損傷を防ぐことができる;したがって、抗酸化作用を有す38]。細胞内の鉄濃度が低下すると,フェリチンタンパク質はリソソームによってヘモキサンチンに分解される.ヘモキサンチンとフェリチンタンパク質はプルシアンブルー染色で検出することができ39].細胞内に入った鉄は,フェリチンタンパク質以外にも,ミトコンドリアに入ってヘムを合成したり,鉄硫黄クラスターを合成したり,ミトコンドリア呼吸鎖タンパク質の補因子として好気呼吸のプロセスに参加したりすることができる.また、クエン酸、ATP、AMP、ピロリン酸など、細胞内のいくつかの低分子物質と結合して、細胞内の遊離鉄プールを形成することができ6,8,40]。プールされた遊離鉄の量は,細胞内の鉄含有量の変化を反映することができ,いくつかの蛍光技術によって検出することができ8].プール量の増加は、酸化還元反応により有害物質を生成し、細胞にダメージを与え、深刻な場合は細胞死に至ることもあ8,41,42]。また、血液中に入った鉄は、鉄細胞や鉄貯蔵細胞に摂取され、利用されることもある。血液中の鉄のほとんどは、赤血球によって利用され、酸素の運搬に参加する。約20-30%の鉄は肝臓やマクロファージに貯蔵され、一部の鉄はミオグロビン、シトクロム、鉄含有酵素の形成に関与す8]。

通常の人体では、毎日約1〜2mgの鉄が失われてい36,43]。体内の鉄は、主に腸管粘膜、皮膚細胞、汗、尿から排泄され4,30,44]。

2.2.3. 細胞内における鉄の制御

鉄調節タンパク質(IRP)は、鉄代謝関連遺伝子のmRNA転写産物の3′または5′非翻訳領域にある鉄調節エレメント(IRE)と結合して、細胞内の鉄濃度を調節してい43,45,46]。IRE領域は、5′-cagugn-3′が30ヌクレオチドで折りたたまれたループ(GとCの間に形成される水素結合がその構造を安定化している)を含み、この構造を破壊する水素結合を形成するための対を持たない [8,46,47,48].IRPとIREの結合により細胞内の鉄濃度を細かく制御することができるが、図3に示すように、TfR1とDMT1 mRNA、フェルロポーチンとフェリチン mRNAのそれぞれ3′-UTRと5′-UTR領域にIREが存在す49]。細胞内の鉄イオン濃度が高すぎると、一方ではTfR1およびDMT1 mRNAの非翻訳領域の構造変化を誘発し、IRPがIRE領域に結合できなくなり、これらのmRNAは分解されるが、フェルロポーチンとフェリチン蛋白質の発現量は増加する。他方では、鉄イオンがIRP1に結合して、細胞質でアコニターゼ活性を示すIRP1の鉄イオンクラスターを形成しうる。一方、鉄イオン濃度が低下すると、IRPとIRE間の結合能が高まり、フェロポーチン・フェリチンタンパク質の発現量は減少し、TfR1とDMT1の発現量は増加す48,50,51,52]。

図3 細胞内の鉄のホメオスタシスを制御している

IREはTfR1とDMT1のmRNAの3′-UTR領域に存在し、一方、フェロポーチンとフェリチンのmRNAの5′-UTR領域に存在する。IRPとIREの組み合わせにより、細胞内の鉄イオン濃度が制御される。細胞内の鉄イオン濃度が高くなりすぎると、mRNAの非翻訳領域の構造変化を誘発してIRPがIRE領域に結合できなくなり、TfR1やDMT1のmRNAが分解されて、フェルロポーチンとフェリチンの発現量が増加する。一方、鉄イオンはIRP1に結合し、IRP1内に鉄-硫黄クラスターを形成して細胞質アコニターゼ活性を発揮することができる。一方、細胞内の鉄濃度が低下すると、IRPとIREの結合能が高まり、フェロポーチンとフェリチンタンパク質の発現が減少し、TfR1とDMT1の発現が増加することが分かっている。

鉄調節タンパク質IRP1およびIRP2は、細胞内の鉄センサーである。これらは相同タンパク質であり、鉄硫黄クラスター異性化酵素ファミリーに属する2つのタンパク質であ53]。IRP1はシスアコニターゼ型の鉄硫黄クラスター(4Fe-4S)を形成することができ,その機能様式を決定するだけでなく,重要な制御部位として機能している.IRP1は鉄が豊富なときのみ鉄硫黄クラスターを形成し、そのときIRP1は細胞質でシスアコニターゼ活性を示すが、IREとの結合能力は低下している。低濃度の鉄はIRP1の硫黄クラスターを解重合させ、IRP1のIREへの結合能を高めるが、IRP1の硫黄クラスター解重合のメカニズムはまだ十分に明らかにされていない。また、細胞内のNOやH2O2濃度の上昇は、IRP1の活性を活性化し、IREとの結合を促進すると考えられ38]。

鉄イオンと酸素は、翻訳後機構を通じて細胞内のIRP2の合成を制御している。IRP2は進化の過程でアコニターゼの活性を失っている。細胞内の鉄イオンと酸素濃度が低下すると、IRP2の合成が促進され、安定な状態が維持される。一方、鉄イオンと酸素濃度の増加は、IRP2の分解を促進させる。IRP2の特徴として、N末端73アミノ酸の配列が挙げられる。この高度に保存された73個のアミノ酸は、決定されたエクソンによってコードされており、IRP2の鉄依存的な分解に関係してい8]。

2.2.4. 鉄のシステムにおける制御

腸から輸出された鉄イオンは、血液循環を通じて、鉄を必要とする体内の組織や臓器に吸収される。肝臓は鉄のバランスを調整する主要な臓器であり、全身の鉄のバランスを調整する重要な役割を担ってい34]。肝臓はヘプシジンホルモンを産生・分泌しており[25,54]、これはHAMP遺伝子によってコードされる84アミノ酸配列と塩基性アミノ酸タンパク質ヒドロラーゼによって加水分解される25アミノ酸配列からなる短いポリペプチドであ30,34,42,55,56,57,58]。体内の鉄が高濃度状態になると、ヘプシジンは腸管表皮細胞膜上でFPNタンパク質およびJAK2と結合して複合体を形成し、リン酸化されてからFPNのエンドサイトーシスに移行する。FPNは細胞内にエンドサイトーシスされ,ユビキチン化後にリソソームで分解され,血液中の鉄濃度を低下させ30,46,55,59].一方、鉄欠乏、低酸素、炎症、赤血球合成の状態になると、ヘプシジンの発現が減少する。ヘプシジンは、心臓、肺胞マクロファージ、脾臓マクロファージなど、他の臓器や組織細胞でも産生されることが、いくつかの研究で示されてい42,60,61,62]。肝臓のほか、赤血球やマクロファージも身体の鉄代謝に関与している。例えば、赤血球中の鉄はヘモグロビンの合成に関与しており、マクロファージは老化した赤血球を貪食して鉄を放出することができるため、体内の鉄濃度が低い状態では、マクロファージが鉄循環に関与する可能性があ42,63]。

2.3. 鉄のホメオスタシスと神経変性疾患における微生物叢の役割

哺乳類では、鉄イオンは主に十二指腸から吸収され、その吸収には厳格な調節機構が存在する。十二指腸に吸収されなかった鉄イオンは、腸内細菌叢と呼ばれる多数の微生物が生息する大腸腔にたどり着くる。鉄は、フェリチンの補酵素として微生物の酸化還元反応、代謝経路、電子輸送鎖に重要な役割を果たすため、腸内微生物の増殖に重要な役割を果たす。したがって、大腸内腔の鉄イオン含有量は、腸内微生物の組成、増殖、生活状態に影響を与え、逆に腸内微生物の変化は、宿主の健康状態にも影響を与えることになる[64]。消化管と中枢神経系は、神経細胞、免疫、代謝物を介した経路など、腸脳軸を通じて相互作用することが、多くの研究により明らかになってきている。前臨床および臨床研究により,腸内細菌叢が腸脳相互作用において重要な役割を果たしていること,腸内細菌叢の組成の乱れが神経疾患,特に神経変性疾患の病態と関連していることが示されている[65].母親の免疫活性化(MIA)は、子孫の自閉症スペクトラム障害(ASD)のリスクを増加させる。微生物の調節障害は、ASDの症状と関連している。リポ多糖(LIP)誘発MIA子孫では、対照子孫と比較して脳-腸-マイクロバイオーム軸の異常が見られ、社会行動障害、不安様行動、反復行動、低髄鞘、ASD様マイクロバイオームが特徴的であった[66]。腸内細菌や口腔内細菌などの宿主マイクロバイオームと神経炎症,認知症との関連性の可能性が研究されており,その原因として,バリアリークによる脳への細菌の侵入,毒素や炎症因子の生成,あるいは免疫反応の調節による間接的な影響が考えられ,さらに,マイクロバイオータの構成がAPP/PS1マウスの大脳皮質におけるAβの蓄積量に影響を与えていることから[67],これらのプロセスに鉄が重要な役割を持つことが示唆された。

3. 脳内鉄代謝

3.1. 脳内鉄分吸収

脳は、神経細胞とグリアから構成されている。神経細胞ではフェリチンが主要な鉄貯蔵タンパク質でもあり、ニューロメラニンが古くから鉄イオンを貯蔵していることが分かっている。グリア細胞では、アストロサイトとミクログリアがL-フェリチンを合成して鉄イオンを貯蔵し、オリゴデンドロサイトではL-フェリチンとH-フェリチンが発現している[68]。中枢神経系の細胞は、鉄イオンを含む栄養素と直接接触することはない。血液脳関門(BBB)と血液脳脊髄関門(BBSCB)が、中枢神経系をシステム循環から分離している。BBBは、毛細血管内皮細胞、末梢皮膚細胞、アストロサイトの補助足からなる特殊な構造であり、中枢神経系に入る物質を厳密に制御してい69,70]。疎水性のBBBは、親水性のholo-TFが神経系に入るのを阻む。Holo-TFは脳毛細血管内皮細胞を通してBBBを通過する必要がある.血液循環中のHolo-TFは,脳毛細血管内皮細胞の内腔表面にあるTF受容体TfR1に結合し,細胞内に入る.内腔表面のFPNは第一鉄を毛細血管内皮細胞の外に輸送し、そこで鉄2+はセルロプラスミン(CP)により鉄3+に酸化される[71,72]。CPはアストロサイトに発現し、FPNから輸出された第一鉄の輸送を促進する[24,73]。細胞間液や脳脊髄液への鉄イオンの結合は、神経細胞、特にオリゴデンドロサイトや脈絡叢細胞で合成・分泌されるTFが脳実質組織を拡散し、神経細胞膜表面のTfR1受容体に結合している。アポTFは鉄イオンを放出した後、クモ膜絨毛から血液循環に入る[71,74]。FPNはシステム内でヘプシジンによって制御されているが、脳内のヘプシジンの供給源は不明である。鉄代謝調節のためにBBBを越えて脳内に入るのかもしれない[68].

3.2. 脳内鉄の制御

細胞レベルでの脳の鉄のホメオスタシスの制御には、IRPが関連タンパク質の発現を制御することが関与してい9,75,76]。IRP2の発現量の低下は脳内鉄の不均衡をもたらすが、ミエリン鉄にはほとんど影響を与えない。脳内鉄のホメオスタシスを制御する遺伝子の変異は、脳内鉄代謝の乱れを引き起こし、ミエリンの合成に影響を及ぼすと考えられる。ヘプシジンが脳内鉄代謝の仲介に重要な役割を果たしているかどうかは不明である。ヘプシジンが脳内で合成されるのか、肝臓で合成された後にBBBを通過するのか、明らかにされていない。最近の成果では、炎症がミクログリアを活性化し、アストロサイトによるヘプシジンの放出を促進することが、炎症細胞間のシグナルカスケードのモデルとして示されている;このシグナルは神経細胞における鉄イオンの放出を妨げ、最終的に神経細胞死をもたらす。同時に、抗炎症性因子と炎症性因子の放出も引き起こすことになる。正常なヒトのミクログリアは活性化されておらず、細胞間のシグナルカスケードは存在しない[36,72,77]。

3.3. 脳への鉄の蓄積と毒性

鉄イオンは加齢とともに脳に蓄積され9,78,79]。鉄イオンは主にフェリチンタンパク質と黒質に結合す80,81,82]。鉄イオンの蓄積は、様々なメカニズムで神経毒性を誘発する可能性がある。鉄イオンの過剰な蓄積は、BBBの伝染性を高め、炎症を誘発し、脳内の鉄イオンの再分配に影響を与え、そして脳の鉄代謝を変化させ47]。鉄イオンは電子受容体としても電子供与体としても働くことができるため、鉄イオンが脳に蓄積すると、FentonおよびHaber-Weiss化学反応によって活性酸素フリーラジカルを生成する[41,83,84]。フリーラジカルは高活性物質であり、タンパク質の酸化、膜脂質の過酸化、核酸の修飾を促進する可能性がある。活性酸素のレベルがオルガネラの抗酸化力を上回ると、酸化ストレスを誘発し、神経細胞を損傷し[38,85,86]、ひどい場合には組織の劣化につながる。

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH- (Fenton)

Fe3+ + O2– → Fe2+ + O2

O2– + H2O2 → O2 + OH- + OH- (Haber-Weiss)

4. 鉄の代謝とAD

4.1. 鉄代謝異常のADへの影響

ADは、認知機能が低下し、学習・記憶・推論の能力が低下することを特徴とする、認知症の最も一般的な原因となる疾患である[24,87]。もともとはドイツ人医師のアロイス・アルツハイマー博士によって記述されたものである。この種の疾患の患者は、奇妙な行動症状、記憶喪失、運動能力の低下を示する。病理組織学的な特徴は,細胞外に沈着したアミロイド斑と,細胞骨格に関係するタウタンパク質の過剰なリン酸化で,細胞内に神経原線維のもつれを形成することである[88,89,90]。加齢に伴い、脳内の鉄イオンは、特に大脳皮質、淡蒼球、赤核、歯状核、黒質に蓄積される傾向があるが、関連する分子メカニズムは現時点では明らかになっていない[9,74,79]。新たな証拠は、高い酸化還元活性を持つ鉄が、アミロイド斑の沈着や神経線維のもつれの形成に関係していることを示しており、ADの主な原因の一つである可能性を示唆している[91,92,93,94]。

アルツハイマー病患者の死後の脳解剖では、海馬領域にAβの沈着や神経原線維のもつれが多く見られた[95,96,97]。さらに、海馬と扁桃体の抗酸化タンパク質のレベルを検出することで、この2つの領域の酸化ストレスのレベルは、他の領域よりもはるかに高いことがわかった。さらに、鉄の蓄積による酸化ストレスは、IRP1の活性を高め、その結果、TfR1を介した鉄の吸収が促進され、フェリチン-Hやフェリチン-Lの濃度が低下することで、細胞内の遊離鉄濃度が上昇し、細胞内の酸化ストレスをさらに高めることになる[93,98]。磁気共鳴画像(MRI)技術[99]に基づいて、鉄の蓄積は、アルツハイマー病患者の脳におけるAβアミロイドの沈着と神経原線維のもつれの形成にさらにつながる可能性があることが明らかになった。これまでの多くの研究により、鉄代謝障害がAβのミスフォールドやタウのリン酸化に影響を与え、その結果として生じる酸化ストレスや鉄イオンの金属毒性がADを引き起こす可能性があることが示されている[100,101,102,103]。

さらに多くの証拠が、アルツハイマー病患者の脳内での酸化ストレスの形成に関係する毒性を持つROSとRNS(反応性窒素種)が、ADを導く上で重要な役割を果たしていることを裏付けている[104]。酸化ストレスは、鉄濃度の上昇に伴い、より明らかになり、Aβ凝集領域のタンパク質、脂質、DNAの酸化がより顕著になった[105,106]。Aβ凝集領域で生成されたフリーラジカルは、隣接する神経細胞を破壊し、認知・記憶機能の低下をもたらす。また、神経原線維のもつれにおけるタウタンパク質の蓄積は、ヘムオキシゲナーゼ-1(HO-1)の誘導にも関係している。HO-1を過剰に発現させると、マウスの脳内で鉄分が増加し、タウタンパク質が蓄積される。アルツハイマー病患者や軽度の認知機能障害を持つ患者では、海馬や前頭皮質におけるHO-1の濃度が上昇していた[86,107,108]。アルツハイマー病患者の血清中には、鉄結合メラニン転写タンパク質の増加が検出され、アルツハイマー病患者の脳内で鉄の異常な結合がある可能性が示された。また、海馬、頭頂葉、運動野に分布する、Aβの沈着やタウタンパク質のリン酸化亢進によって形成された神経原線維のもつれの領域に、鉄イオンが蓄積していることが明らかになった[93,106,109,110,111,112]。Aβアミロイドは,アミロイド前駆体タンパク質(APP)が分泌酵素によって切断されたセグメントである[113]。APPは,主に神経系に発現する膜貫通型のタンパク質である。現在のところ、APPの生理的機能は完全には解明されておらず、脳の発達、記憶、シナプス可塑性に役割を果たしている可能性がある[114]。神経細胞では、鉄イオンの濃度がAPP遺伝子の発現を制御している。そのメカニズムを図4に示す。APP mRNAの5′-UTR領域には,IREと呼ばれる11個の塩基で形成されるループリングが存在する。IRPはIREと結合して、APPの合成を調節する。高濃度の細胞内の鉄は、IRP1と結合して鉄硫黄クラスターを形成する。同時に、高濃度の鉄は、APP mRNAのIRE領域のコンフォメーション変化を誘発し、APPの発現量を増加させる。一方、細胞内の鉄濃度が低い場合は、IRP1がIREに結合し、APPの発現量は減少する[97,106,115]。神経細胞内の異なる分泌酵素の作用下で、APPは、アミロイド化経路と非アミロイド化経路を含む2つの異なる切断経路を経ることができる。正常な生理状態では、APPは非アミロイドーシス経路で切断される。この経路では、APPはまずα分泌酵素によって切断され、sAβPPαと呼ばれるセグメントが生成される。その後、βおよびγ分泌酵素による切断を経て、それぞれP3,Aβ16,Aβ17-40/42の無毒な断片が生成される。一方、細胞内の鉄濃度が高くなると、APPのアミロイドーシス経路での切断が促進され、APPはβおよびγセクレターゼによる切断を受け、Aβ1-40およびAβ1-42フラグメントが形成される。Aβ1-42フラグメントはIle41によって沈殿し、そのN末端の3つのヒスチジンはFe2+と結合して酸化ストレスを誘発することができ、その結果、Aβ1-42は沈着時に細胞にダメージを与えることになる[93,106,109,110,111,115]。

図4 神経細胞内の高濃度の鉄は、Aβ形成を誘導する

APP mRNAの5′-UTR領域には、IREと呼ばれる11塩基のループが存在する。IRPとIREの組み合わせにより、APPの合成が制御されている。細胞内の高濃度の鉄は、IRP1と結合して鉄硫黄クラスターを形成し、IRP1をIREに結合する能力を失わせる。同時に、高濃度の鉄はAPP mRNAのIRE領域の構造変化を誘発し、APPの発現を増加させる。一方、細胞内の鉄濃度が低いと、IRP1はAPP mRNAのIREに結合し、Aβ42の産生を減少させることになる。Aβ1-42は凝集してアミロイド斑を形成する。

さらに、Aβ1-42の沈着は、具体的なメカニズムは明らかではないが、タウタンパク質の過リン酸化を誘発する。同時に、エネルギー代謝の障害、免疫細胞の活性化、神経細胞の正常な機能の障害を引き起こし、細胞の損傷や死に至ることもある[50]。タウ蛋白の過リン酸化と細胞骨格の結合によって形成されたNFTは、細胞が正常な構造を維持できなくなることを意味する。アルツハイマー病患者の多くの神経細胞は、NFTの影響を受けている。アルツハイマー病患者の海馬では多数のNFTが見つかっており、海馬は経験の処理に関与し、永久記憶の保存に先行している。ADの初期には、学習能力、新しい記憶を形成する能力、記憶の保存能力の低下が臨床症状として現れる。同時に、大脳皮質にコリン作動性ニューロンの神経活動を提供する前脳基底部も影響を受け、コリン作動性神経伝達物質が減少することになる。一般に、コリン作動性酵素阻害剤は、コリン作動性神経伝達物質の減少を治療するために使用することができる。カナダのブチルコリンエステラーゼ阻害剤は、ADの症状に対して良好な治療効果を示した。臨床治療において、この薬剤は軽度および中等度のAD症状の改善に適していることが示されている[116]。

4.2. 鉄ホメオスタシス関連タンパク質とADの関係

酸化ストレスは、神経細胞の損傷を引き起こす可能性がある。鉄代謝の障害および鉄代謝経路における鉄調節タンパク質の発現変化が、脳内の鉄イオンの蓄積を引き起こし、酸化ストレスを誘発し、その結果、神経細胞の損傷を引き起こす可能性があることが観察されている[107]。多くの実験結果から、アルツハイマー病患者の脳における鉄の蓄積は、脳の酸化ストレスの原因の1つであり、このことは、脳の鉄代謝の障害や、フェリチンタンパク質、トランスフェリンタンパク質、FPNなどのいくつかの重要な鉄恒常性制御因子と密接な関係があることがわかっている。[100].

4.2.1. アポリポ蛋白質EとAD

アポリポ蛋白質E(ApoE)は,脳から血液へのコレステロールなどの輸送に関与しており,Aβ蛋白質の脳から血液への排出にも関与している。ApoEには3つの異なるコンフォメーションがあり,それらはApoE2,ApoE3,ApoE4遺伝子によってコードされている[117]。これらの3つのコンフォメーションは,アミノ酸組成の違いによるもので,その結果,リポタンパク質の構造,結合特性,多機能性に違いが生じる。この3つのコンフォメーションのうち、ApoE4はADにつながる可能性がある[18,118,119,120,121,122]。既存の文献から、細胞内に高濃度の鉄が存在すると、酸化ストレスが誘発され、脂質、タンパク質、核酸に損傷を与えることがわかる。中でも脂質の過酸化は、高い活性と神経毒性を持つ4-ヒドロキシノネナール(4-HNE)分子の生成を誘発する。4-HNEは、システイン残基、リジン残基、ヒスチジン残基と結合して、他の分子へのダメージを軽減することができる。ApoE2およびApoE3と比較して、ApoE4はシステインアミノ酸を欠いており、HNEを消去することができず、その結果、神経細胞のタンパク質の酸化的修飾および神経細胞死を引き起こし、ADのリスクを増大させる[123,124]。

4.2.2. フェロトーシスとAD

フェロトーシスは、鉄依存性のプログラムされた細胞死であり、多くの疾患を引き起こす可能性がある[125]。フェロトーシスは,2012年にDixonによって初めて報告され,脂質の活性酸素種が蓄積することが特徴である.実験の結果,GPX4ノックアウトマウスでは神経細胞の壊死が見られたが,食品中のビタミンE(鉄死抑制剤)が不足しているため,より深刻になると考えられる。これに対し、鉄死を抑制することで、ADの症状を効果的に改善することができる。GPX4は、脂質過酸化を抑制する抗ペルオキシダーゼである[101,126]。さらに、AD脳内の脂質過酸化産物や4-HNEが有意に増加しており、フェロプソシスがADのリスクを高めることが示されている[127,128,129]。鉄は酸化ストレスを誘発し、脂質、DNA、タンパク質に直接影響を与える。ADの脳における脂質過酸化と鉄代謝の乱れと蓄積もフェロトーシスの必要条件である[130]。さらに、鉄イオンはAβやTauと相互作用して活性酸素を誘導し、これもフェロトーシスにつながる[101,129]。

4.2.3. 鉄ホメオスタシスの主要制御因子とAD

ウェスタンブロット法を用いて、正常な脳のフェリチンタンパク質と比較して、アルツハイマー病患者の脳のフェリチンタンパク質の発現レベルは、L-フェリチンとH-フェリチンタンパク質を含めて、有意に増加していることを研究者は発見した[36]。ELISAの結果、アルツハイマー病患者の海馬におけるH-フェリチンとL-フェリチンの濃度は、正常なヒトの脳の濃度に比べて3倍高いことがわかった。さらに、H-フェリチンとL-フェリチンのタンパク質濃度の増加は、鉄濃度の増加の約50%と一致しなかった。正常な脳と比較して、第一鉄酸化酵素CPの発現量が有意に増加していた[131]。免疫組織化学実験から得られた結果では、AD脳におけるトランスフェリンタンパク質の発現レベルも、正常脳のそれと比較して増加していることが判明した[100]。

しかし、ウェストンブロット法を用いた実験では、ADの脳ではDMT1とFPNの発現量が正常なヒトの脳に比べて減少していることがわかった。鉄代謝に関連する遺伝子の異常な発現のために、ADの脳では鉄が蓄積し、酸化ストレスが誘発され、脳神経細胞が損傷する可能性がある[36,131]。

4.2.4. フーリンとAD

フーリンは、鉄およびAβの代謝と関連している[132]。低濃度の鉄は、フーリンの酵素活性を高め、高濃度の鉄は、フーリンの酵素活性を低下させる。フーリンはα分泌酵素の活性を高めることができ,細胞内の高濃度の鉄はフーリン酵素活性を低下させ,APPが切断されるアミロイドーシス経路につながる。また、最近の実験結果では、アルツハイマー病患者の脳におけるフーリンmRNAの発現レベルは、正常なヒトの脳よりも低いことが示されている[9,110,133]。

5. ADを治療するための戦略

5.1. ADの治療における鉄キレート

鉄キレート戦略は、システム内の鉄を制限し、再配分するための最も直接的な方法である。現在、最も一般的に使用されているキレート剤は、デフェロキサミン、デフェロン、フェライトである[2,134,135]。デフェロキサミンは、最近、良好な臨床症状を示すことがわかったキレート剤である。これらのキレート剤は、鉄過剰によるADの症状をある程度改善することができるが、アレルギー反応、肝不全、腎不全など、人体に有害な影響を与えることもある。[1,136].

5.2. 鉄代謝経路のタンパク質を調節してAD症状を改善する

フルスルチアミンは,チアミンテトラヒドロフランジスルフィドと呼ばれる低分子物質で,脳内FPNのシス326アミノ酸残基に結合し,ヘプシジンをFPNのエンドサイトーシスから保護することで,この鉄輸送体を介した脳内鉄の排出を改善することができる。しかし,フルスルチアミンは,すぐに硫酸アンモニウムに変換され,その結果,体内の鉄含有量が減少するため,体内での機能は限られている[137].

抗フェルロポーチン抗体ly2928057は,試験管内試験での試験に成功しており,ヘプシジンの潜在的な調節機構を阻害することで,生体内試験で鉄濃度を効果的に低下させる可能性についても検証されている。具体的なメカニズムとしては,BMP6(bone morphogenetic protein 6)-SMADシグナル経路を制御し,BMP6とその受容体BMP6Rとの結合を阻止することが挙げられる[1,138]。もうひとつの方法は、ドキソモルフィンでSAMDのリン酸化を阻害し、BMP6Rによって誘導されるヘプシジンの産生を抑えることである[139]。体には独自の調節機構があるため、FPNまたはヘプシジンの干渉の治療は大きな課題であり、長期的な治療には適していない。

グルタチオンペルオキシダーゼと同様に、セレンを含む薬剤であるエブセレンも抗酸化作用を示する。この薬剤は,DMT1を介した鉄イオンの吸収を抑制することができるが、心筋症を引き起こす可能性がある[140]。最近の研究では,ピラゾール誘導体ベンジルイソチオ尿素が,試験管内試験および生体内試験の両方でDMT1を阻害することが示されている[141]。

5.3. 抗酸化療法によるAD症状の改善

脳内の鉄分過剰は、フェントン化学反応による酸化ストレスを誘発し、タンパク質、脂質、DNAに損傷を与え[7]、ストレス下ではリアノジン受容体を介したカルシウム放出を引き起こし、神経毒性を引き起こす[105]。低分子物質は、固定された部位で活性酸素を消去するために設計されている。これらの種類の抗酸化物質は、ミトコンドリアの内膜電位に駆動されてミトコンドリアマトリックスに入り、マトリックス内の活性フリーラジカルを消去する[142]。さらに、お茶のポリフェノールのような食品中の抗酸化物質は、酸素フリーラジカルの消去、鉄イオンのキレート化、およびそれらの抗炎症作用によって、ADの症状を効果的に改善することができる[143,144,145]。その他のネイティブな神経保護化合物または種としては、レスベラトロール、クルクミン、ピノセンブリン、カフェイン、Panax ginseng、ginkgo biloba、crocus sativusの組み合わせなどがある[146,147,148,149,150]。お茶に含まれるカテキンの抗炎症作用や抗酸化作用は、生体内試験および試験管内試験で報告されており、AD症状の予防に効果が期待されている[151]。

また、アセチルコリンエステラーゼ阻害剤(AChEI)にも抗酸化作用があることがわかっている。2010,Sinemらは、ACHEIがアルツハイマー病患者の脂質酸化、血中マーカー、一酸化窒素のレベルを低下させることを示した[152]。ACHEIはAD治療の主な薬剤であるが、一定の限界もある[153]。

6. 結論と今後の展望

鉄は、地殻に豊富に含まれる金属元素である。鉄のユニークな酸化還元特性は、効率的な電子伝達を可能にし、多くの多様な生体反応に有益である[154]。しかし、体内の鉄代謝のバランスが崩れると、鉄のそのような反応特性が活性酸素の生成を促進することにもなり、体内に鉄イオンが過剰に蓄積されることになる[155,156]。その結果、生体内での鉄の吸収、貯蔵、分配には細かい調節機構が存在することになる。鉄の過剰蓄積は酸化ストレス反応を誘発し、大量に摂取すると、体内の組織や器官を含む細胞内システムにダメージを与える。さらに、鉄は、脳のミエリン鞘の形成や、ミトコンドリアの好気的呼吸にも重要な役割を果たしている。脳の鉄代謝が乱れると、脳のさまざまな部位で鉄が濃縮され、その濃縮された鉄が酸化ストレスを引き起こし、アミロイドーシス経路を経てAPPを媒介し、最終的にADの発症につながると考えられる。ADでは、脳内の鉄の蓄積による酸化ストレスが、アミロイドタンパクの沈着やタウの過リン酸化を促進し、神経細胞にダメージを与えることで、運動機能、認知機能、記憶機能などが低下する。[133]. 鉄キレート戦略を用いることで、ADの症状の改善に一定の成果が得られているが、ADの臨床治療のために研究を実践に移すためには、まだ多くの研究が必要である。

それにもかかわらず、遺伝学的手法によるアルツハイマー病患者の鉄低減戦略に関する研究はほとんどなく、過度にアミロイド低減戦略に重点が置かれており、これまでのところ失望させられてきた。より多くの鉄キレート化合物が疾患改善効果を持つ可能性があること、MRIや脳脊髄液中の鉄負荷のバイオマーカーが利用可能であることを考えると、その副作用をできるだけ回避するために、この種の治療法を検討する余地は大いにあると思われる。さらに、モデル動物を用いた鉄のホメオスタシスにおけるいくつかの重要な遺伝子の制御に関する遺伝学的研究は、より効果的で正確な治療の可能性を示している[14,157]。

さらに、ADは、大脳皮質および海馬ニューロンの進行性の機能障害および死を特徴とする。主な仮説的メカニズムは、NFTを形成するタウタンパク質の過リン酸化およびSPを形成するAβタンパク質の沈着である[158,159]。しかし,この2つの仮説に基づく薬剤の臨床試験は世界中で数多く失敗に終わっており,現在のところ有効な治療法はない。さらに、この2つの仮説は、ますます困難に直面している[160,161]。実際、ADの病因における鉄の関与は広く認められている。鉄は、毒性のあるAβやリン酸化されたタウの蓄積を悪化させるだけでなく、神経細胞の酸化的損傷を直接誘発する[162]。フェロトーシスの過程における鉄の役割の特殊性と重要性を考慮すると、今後の研究では、フェロトーシスがADの分子病態生理にどのように関与しているかを明らかにすることが不可欠であり、それによって疾患に対する新たな洞察[163,164]や治療のための新たなアイデアが得られるかもしれない[101]。鉄、宿主のマイクロバイオームとADの間に潜在的な関連性があるという最近の発見と合わせて、したがって、体内や脳における鉄代謝のメカニズムを深く研究することで、病気を改善または治癒するための新しい有効なターゲットや治療法が見つかることが期待される。

略語について

  • AD アルツハイマー病
  • CNS 中枢神経系
  • ROS 活性酸素種
  • NFTs 神経原線維変化症
  • DCYTB 十二指腸チトクロムb様タンパク質
  • DMT1 2価の金属トランスポーター1
  • FPN フェロポルタン
  • TFトランスフェリン
  • TfR1 トランスフェリン受容体1
  • STEAP 6回膜貫通型前立腺上皮抗原
  • IRPs 鉄制御タンパク質
  • IRE 鉄の調節因子
  • BBB 血液脳関門
  • BBSCB 血液脳脊髄関門
  • CP セルロプラスミン
  • MRI 磁気共鳴イメージング
  • RNS 活性窒素種
  • HO-1 ヘムオキシゲナーゼ-1
  • APP アミロイド前駆体タンパク質
  • ApoE アポリポ蛋白質E
  • 4-HNE 4-ヒドロキシノネナール
  • BMP6 骨形成タンパク質6
  • AChEIアセチルコリンエステラーゼ阻害剤

著者寄稿

コンセプトとデザイン。原稿執筆、レビュー:M.L: 原稿執筆、査読:Y.P.、M.L. 原稿修正:Y.P.、M.L: 表示項目のデザイン。Y.P.執筆者全員が本原稿を読み、同意している。

資金提供

本研究は、中央大学基礎研究費、北京市自然科学基金(7202129)中国科学院科学技術先導特別プロジェクトB級育種プログラム(XDPB16)中国国家自然科学基金(31571042)河北省応用基礎研究重点プロジェクト(18966315D)河北省百傑創造人材支援プログラム(BR2-218)によるものである。

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