Mfn2によるPDモデルのアポトーシスの阻害 (Experimental and Therapeutic Medicine 2018年8月10日オンライン掲載論文)

結論から言うと、MFN2の過剰発現がロテノン*1処理をした細胞のカスパーゼ3活性を落とし、細胞死を妨げることを示した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、2018年8月10日のExperimental and Therapeutic Medicineにオンライン掲載の「MFN2 ameliorates cell apoptosis in a cellular model of Parkinson's disease induced by rotenone. (MFN2は、ロテノンによって誘発されたパーキンソン病の細胞モデルをアポトーシスからレスキューする。)」という論文で、中国 Nanjing Medical University の Dr.YING‑DONG ZHANGの仕事である。*2

Abstract

A number of studies indicated that apoptosis, a specific type of programmed cell death, contributed to the loss of dopaminergic neurons during progression of Parkinson's disease (PD). Previously, the authors of the present study demonstrated that apoptosis of dopaminergic neurons was mainly achieved via the mitochondria-mediated apoptosis pathway, however, the precise molecular mechanisms remain to be elucidated. The present study aimed to determine whether mitofusin-2 (MFN2), a mitochondrial protein, participated in the apoptosis of dopaminergic neurons in a cellular model of PD induced by rotenone. The present study demonstrated that the expression of MFN2 was relatively stable following treatment with rotenone. Lentiviral knockdown and overexpression experiments for the first time, to the best of the authors knowledge, revealed that MFN2 prevented rotenone-induced cell death by amelioration of apoptosis. These results revealed a protective role of MFN2 against apoptosis in an in vitro model of PD and may be used to establish MFN2 as a potential therapeutic target for the treatment of this disease.

(私訳と勝手な注釈) 

今までに多くの先行研究が、プログラムされた細胞死であるアポトーシスが、パーキンソン病（PD）の進行中にドーパミン作動性ニューロンの喪失に寄与することを示してきた。本研究の著者らは先行研究において、ドーパミン作動性ニューロンのアポトーシスは、主にミトコンドリアを介するアポトーシス経路により引き起こされることを示したが、正確な分子メカニズムはまだ解明されていない。本研究は、ミトコンドリアタンパク質であるmitofusin-2（MFN2）が、ロテノンによって誘発されたPDの細胞モデルにおいて、ドーパミン作動性ニューロンのアポトーシスに関与するかどうかを検討した。本研究では、MFN2の発現がロテノン処理後に比較的安定になっていることを示した。レンチウイルスによるノックダウンおよび過剰発現実験により、MFN2がアポトーシスの阻害によってロテノン誘発性の細胞死をレスキューすることを明らかにした。これらの結果は、PDのin vitroモデルにおけるアポトーシスに対しての、MFN2の保護的役割を明らかにし、PD治療のための潜在的な治療標的としてMFN2が提案された。

ロテノン処理をしただけのものをPDモデルと言うかどうかは謎だが、Mfn2を過剰発現させることによってカスパーゼ3に活性が落ちて細胞がアポトーシスしなくなるという論文。

*1:ロテノン(Rotenon)：ミトコンドリアの機能不全を誘導する薬で、呼吸鎖複合体ⅠからCoQの電子の移動を妨げる。

*2:MFN2 ameliorates cell apoptosis in a cellular model of Parkinson's disease induced by rotenone

ER-ミトコンドリア連結部位を経由したミトコンドリアへのCaイオン取り込みの分子メカニズムと疾患における意義 (PNAS 2018年9月5日オンライン掲載論文)

結論から言うと、小胞体とミトコンドリアの接触部位で、Ca2+イオンが小胞体からミトコンドリアに輸送される分子メカニズムとして、PINK1が小胞体とミトコンドリアの連結度合いに対してポジティブに、Miroがネガティブにはたらいていることを示し、ミトコンドリアにおけるCa2+イオンを適切なレベルに戻すことが、神経変性疾患モデルの表現型をレスキューすることを示した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、2018年9月5日のPNASにオンライン掲載の「Altered ER–mitochondria contact impacts mitochondria calcium homeostasis and contributes to neurodegeneration in vivo in disease models. (ER-ミトコンドリア連結部位の異常は、ミトコンドリアのCa恒常性に影響を与え、疾患モデルにおける生体内での神経変性に寄与する。)」という論文で、米国 Stanford University School of Medicine の Dr. Bingwei Luの仕事である。*1

Abstract

Calcium (Ca2+) homeostasis is essential for neuronal function and survival. Altered Ca2+homeostasis has been consistently observed in neurological diseases. How Ca2+homeostasis is achieved in various cellular compartments of disease-relevant cell types is not well understood. Here we show in Drosophila Parkinson’s disease (PD) models that Ca2+ transport from the endoplasmic reticulum (ER) to mitochondria through the ER–mitochondria contact site (ERMCS) critically regulates mitochondrial Ca2+ (mito-Ca2+) homeostasis in dopaminergic (DA) neurons, and that the PD-associated PINK1 protein modulates this process. In PINK1 mutant DA neurons, the ERMCS is strengthened and mito-Ca2+ level is elevated, resulting in mitochondrial enlargement and neuronal death. Miro, a well-characterized component of the mitochondrial trafficking machinery, mediates the effects of PINK1 on mito-Ca2+ and mitochondrial morphology, apparently in a transport-independent manner. Miro overexpression mimics PINK1 loss-of-function effect, whereas inhibition of Miro or components of the ERMCS, or pharmacological modulation of ERMCS function, rescued PINK1 mutant phenotypes. Mito-Ca2+ homeostasis is also altered in the LRRK2-G2019S model of PD and the PAR-1/MARK model of neurodegeneration, and genetic or pharmacological restoration of mito-Ca2+ level is beneficial in these models. Our results highlight the importance of mito-Ca2+ homeostasis maintained by Miro and the ERMCS to mitochondrial physiology and neuronal integrity. Targeting this mito-Ca2+homeostasis pathway holds promise for a therapeutic strategy for neurodegenerative diseases

(私訳と勝手な注釈) 

カルシウム（Ca2+）恒常性は、ニューロン機能および生存に必須である。Ca2+恒常性が変化してしまうことは、神経変性疾患で一般的に観察されている。疾患に関連する細胞の様々な細胞内構成要素において、Ca2+恒常性がどのように維持されるのかは十分に理解されていない。この論文では、小胞体（ER）とミトコンドリアの接触部位（ERMCS）を介した小胞体（ER）からミトコンドリアへのCa 2+輸送が、ドーパミン作動性ニューロン（DAニューロン）におけるミトコンドリアのCa2+（mito-Ca2+）の恒常性を調節するために重要であり、PDに関連するPINK1タンパク質がこのプロセスを調整していることが、ショウジョウバエのPDモデルにおいて示された。PINK1に突然変異を持つDAニューロンでは、ERMCSが強化され（つまりERとミトコンドリアの連結度合いが高まり）、mito-Ca2+レベルが上昇し、ミトコンドリアの肥大化および神経細胞死が生じる。ミトコンドリア輸送タンパク質として、よく特徴付けられた構成要素であるMiroは、明らかに輸送に依存しない様式で、PINK1のmito-Ca2+およびミトコンドリア形態への効果に影響を与える。 Miro過剰発現はPINK1機能喪失と似た影響を示し、MiroまたはERMCS構成要素の阻害またはERMCS機能を薬理学的に調整することは、PINK1変異体の表現型をレスキューした。Mito-Ca2+恒常性は、PDモデルであるLRRK2-G2019Sモデルおよび神経変性疾患モデルであるPAR-1 / MARKモデルにおいても異常になっており、Mito-Ca2+レベルを遺伝学的または薬理学的に回復させることは、これらのモデルにおいて有益である。以上の結果は、ミトコンドリアと神経の生理を完全な状態に維持するために、MiroとERMCSによって、mito-Ca2+恒常性を保つことの重要性を強調している。このmito-Ca2+恒常性の経路を標的とすることは、神経変性疾患の治療戦略のための有望な候補となる。

今回は追加で以下も。

Significance

Ca2+ regulates cellular metabolism, proliferation, and differentiation. Ca2+ homeostasis is critical for cellular function and health. Mitochondria help buffer transient Ca2+ elevations and prevent cell death induced by Ca2+ overload. Mito-Ca2+ is also required for optimal activity of certain key mitochondrial functions, such as oxidative phosphorylation and metabolism. Thus, mito-Ca2+ homeostasis assumes central roles in cellular health. Endoplasmic reticulum (ER) and mitochondria make intimate contacts and exchange molecules such as Ca2+ and lipids. We find that ER-to-mitochondria Ca2+ transfer is important for mito-Ca2+ homeostasis and that the conserved Miro protein is critically involved. We show that mito-Ca2+ homeostasis is disrupted in neurodegenerative disease models and its restoration is beneficial. Our findings have important implications for therapeutic intervention of neurodegenerative diseases.

(私訳と勝手な注釈) 

Ca2+は、細胞の代謝、増殖、分化を調節する。Ca2+の恒常性は、細胞の機能と健康に重要である。ミトコンリアは、一時的に起きてしまったCa2+上昇を和らげ、過剰なCa2+による細胞死の誘導を防いでいる。Mito-Ca2+は、酸化的リン酸化や代謝などの特定の重要なミトコンドリア機能が最適な活性を持つために必要である。Mito-Ca2+ホメオスタシスは、細胞の健康のために中心的な役割を担っている。小胞体（ER）およびミトコンドリアは、密接に接触しており、Ca2+および脂質などの分子を交換している。著者らは、ERからミトコンドリアへのCa2+の移動が、Mito-Ca2+ホメオスタシスにとって重要であり、進化的に保存されたタンパク質であるMiroが関与していることを見出した。著者らはmito-Ca2+の恒常性が神経変性疾患モデルにおいて障害を受けており、それを回復させることが有益であることを示した。これらの知見は、神経変性疾患の治療に重大な意味を有する。

以前の記事で、脂質という観点から、 適切なミトコンドリア-ERの距離感というものがパーキンソン病に大切ということを示した論文を紹介した。*2

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今回の論文も、適切なミトコンドリア-ERの距離感というものがパーキンソン病に大切という主張に変わりはないが、Caイオンの輸送に着目して行われた研究である点が面白い。

また、昨日の記事で示した通り、Miroというタンパク質はミトコンドリア輸送のアダプターとしてはたらく。

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今回の論文で、Miroの新たな機能として、ERからミトコンドリアへのCaイオンの取り込みにネガティブにはたらく、ということが示されたのは驚きだ。

ERとミトコンドリアの距離感を保つ分子メカニズムについて、より詳しく知りたい場合は、こちらの論文も参考にしたい。

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ERとミトコンドリアの相互作用について、様々な知見が蓄積してきていて、おもしろい流れが来ていると感じる。

*1:Altered ER–mitochondria contact impacts mitochondria calcium homeostasis and contributes to neurodegeneration in vivo in disease models | PNAS

*2:ER-ミトコンドリア関連で、CMTに関してはこちらを参考に：リー症候群の原因としてミトコンドリアダイナミクス障害が関与していることの発見 (EMBO Molecular Medicine 2016年7月7日号掲載論文) - 海を渡りたい柑橘系大学生。

Hippo経路のYapがNMJの形成と再生の機能を持つ。 (Journal of Neuroscience 2017年2月17日オンライン掲載論文)

結論から言うと、Yapが神経筋接合部の形態形成と再生にポジティブにはたらく因子であることを示し、その機能にはHippoの下流に存在するWntシグナル*1が必要であることを提案した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、 2017年2月17日Journal of Neuroscienceにオンライン掲載の「Muscle Yap Is a Regulator of Neuromuscular Junction Formation and Regeneration. (筋肉のYapは、神経筋接合部の形成と再生の調節因子である。)」という論文で、米国 Medical College of Georgia, Augusta University の Dr. Lin Meiの仕事である。*2

abstract

Yes-associated protein (Yap) is a major effector of the Hippo pathway that regulates cell proliferation and differentiation during development and restricts tissue growth in adult animals. However, its role in synapse formation remains poorly understood. In this study, we characterized Yap's role in the formation of the neuromuscular junction (NMJ). In HSA-Yap-/- mice where Yap was mutated specifically in muscle cells, AChR clusters were smaller and were distributed in a broader region in the middle of muscle fibers, suggesting that muscle Yap is necessary for the size and location of AChR clusters. In addition, HSA-Yap-/- mice also exhibited remarkable presynaptic deficits. Many AChR clusters were not or less covered by nerve terminals; miniature endplate potential frequency was reduced, which was associated with an increase in paired-pulse facilitation, indicating structural and functional defects. In addition, muscle Yap mutation prevented reinnervation of denervated muscle fibers. Together, these observations indicate a role of muscle Yap in NMJ formation and regeneration. We found that β-catenin was reduced in the cytoplasm and nucleus of mutant muscles, suggesting compromised β-catenin signaling. Both NMJ formation and regeneration deficits of HSA-Yap-/- mice were ameliorated by inhibiting β-catenin degradation, further corroborating a role of β-catenin or Wnt-dependent signaling downstream of Yap to regulate NMJ formation and regeneration.

(私訳と勝手な注釈) 

Yes-associated protein（Yap）は、発生中の細胞増殖と分化を調節し、成体動物の組織成長を制御するHippo経路の主要なエフェクターである。しかし、シナプス形成におけるその役割はあまり理解されていない。この論文では、神経筋接合部（NMJ）の形態形成におけるYapの役割を特徴付けた。 Yapが筋肉細胞特異的に変異を持つ、HSA-Yap-/-マウスでは、AChRクラスターがより小さく、筋線維の中央のより広い領域に分布したことから、筋肉におけるYapがAChRクラスターのサイズおよび位置決定に必要であることが示唆された。さらに、HSA-Yap-/-マウスも顕著なプレシナプスにおける障害を示した。そこでは多くのAChRクラスターが、神経末端に覆われておらず (または減少しており)、小型の終板電位の周波数が減少していた。これはペアードパルス促進の増加に関連しており、構造的および機能的欠陥を示唆する。さらに、筋肉におけるYap突然変異は、神経を除かれた筋肉線維に対してもう一度神経を分布させることを妨げた。これらの所見は、NMJ形成および再生における筋肉Yapの役割を示している。著者らは、β-カテニンが変異が起きた筋肉の細胞質および核において減少し、β-カテニンシグナル伝達が損なわれていることも示唆した。 HSA-Yap-/-マウスのNMJ形成および再生欠損の両方は、β-カテニン分解を阻害することによって改善され、さらに、β-カテニンまたはYapの下流に存在するWnt依存性シグナル伝達がNMJ形成および再生を制御しているということを裏付けた。

昨日に引き続き、Hippoに関連する論文。

以前のこちらの記事で、

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神経筋接合部のシナプスブートンに必要不可欠なStripという遺伝子がHippo経路を負に制御しており、このStripがなくなると Hippo経路のwtsが活性化してしまい、その下流の遺伝子の作用で、シナプスブートン発生が乱れることが示された、という論文を紹介した。

今回の論文では、対照的にYap (=哺乳類のYki) そのものが、Wntの制御によって、NMJ形態形成に極めて重要なはたらきをしていることが示された。

つまり結論は昨日の記事と同じで、Hippo経路を変に活性化させても不活化させても結局ダメ、ということになった。

またWntシグナリングと聞くと、細胞非自立的なUPRmtを引き起こす、"マイトカイン"の正体もWntシグナリングなのではないか、というこちらの論文を思い出す。

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Wntシグナル、Hippoシグナル、少しずつ重要性がわかるようになってきた。

*1:具体的にはβ-カテニン

*2:Muscle Yap Is a Regulator of Neuromuscular Junction Formation and Regeneration | Journal of Neuroscience

MFN2とミトコンドリアの軸索輸送まとめ (Neuroscience Letters 2015年4月3日オンライン掲載レビュー)

以前のこちらの記事で

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MFN2がミトコンドリアの軸索輸送に、アダプターとして関与しているだけではなくて、神経軸索に必要なタンパク質の分解を防いでおり、その作用が骨格筋萎縮をレスキューするということを示した論文を紹介した。この論文の前提知識として「アダプターとして関与しているだけではなく」と書き捨てていたが、MFN2のアダプタータンパク質としてのストーリーをおさらいしたいと思い、今回はレビューを読むことにする。

ということで今回abstractを全訳するのは、 2015年4月3日Neuroscience Lettersにオンライン掲載の「Mitochondrial dynamics and inherited peripheral nerve diseases. (ミトコンドリアダイナミクスおよび遺伝性末梢神経疾患。)」という論文で、イタリア IRCCS Foundation, "C. Besta" Neurological Institute の Dr. Davide Pareysonが主に執筆したレビューである。*1

abstract

Peripheral nerves have peculiar energetic requirements because of considerable length of axons and therefore correct mitochondria functioning and distribution along nerves is fundamental. Mitochondrial dynamics refers to the continuous change in size, shape, and position of mitochondria within cells. Abnormalities of mitochondrial dynamics produced by mutations in proteins involved in mitochondrial fusion (mitofusin-2, MFN2), fission (ganglioside-induced differentiation-associated protein-1, GDAP1), and mitochondrial axonal transport usually present with a Charcot-Marie-Tooth disease (CMT) phenotype. MFN2 mutations cause CMT type 2A by altering mitochondrial fusion and trafficking along the axonal microtubule system. CMT2A is an axonal autosomal dominant CMT type which in most cases is characterized by early onset and rather severe course. GDAP1 mutations also alter fission, fusion and transport of mitochondria and are associated either with recessive demyelinating (CMT4A) and axonal CMT (AR-CMT2K) and, less commonly, with dominant, milder, axonal CMT (CMT2K). OPA1 (Optic Atrophy-1) is involved in fusion of mitochondrial inner membrane, and its heterozygous mutations lead to early-onset and progressive dominant optic atrophy which may be complicated by other neurological symptoms including peripheral neuropathy. Mutations in several proteins fundamental for the axonal transport or forming the axonal cytoskeleton result in peripheral neuropathy, i.e., CMT, distal hereditary motor neuropathy (dHMN) or hereditary sensory and autonomic neuropathy (HSAN), as well as in hereditary spastic paraplegia. Indeed, mitochondrial transport involves directly or indirectly components of the kinesin superfamily (KIF5A, KIF1A, KIF1B), responsible of anterograde transport, and of the dynein complex and related proteins (DYNC1H1, dynactin, dynamin-2), implicated in retrograde flow. Microtubules, neurofilaments, and chaperones such as heat shock proteins (HSPs) also have a fundamental role in mitochondrial transport and mutations in some of related encoding genes cause peripheral neuropathy (TUBB3, NEFL, HSPB1, HSPB8, HSPB3, DNAJB2). In this review, we address the abnormalities in mitochondrial dynamics and their role in determining CMT disease and related neuropathies.

(私訳と勝手な注釈) 

末梢神経は軸索がかなり長いために、特有のエネルギー要求性を示し、ミトコンドリアの機能が正しくはたらくこと、および、神経に沿って正しく分布することが根本的に重要である。ミトコンドリアダイナミクスとは、細胞内ミトコンドリアの大きさ、形、および位置における連続的な変化のことである。ミトコンドリア融合（mitofusin-2、MFN2）、分裂（ガングリオシド誘導性分化関連タンパク質-1、GDAP1）およびミトコンドリア軸索輸送に関与するタンパク質の突然変異に起因するミトコンドリアダイナミクスの異常によって、Charcot-Marie-Tooth疾患（CMT）の表現型を示すことが多い。 MFN2変異は、ミトコンドリア融合および軸索の微小管に沿ったミトコンドリア輸送を変化させてしまうことによって、CMTタイプ2Aを引き起こす。CMT2Aは、常染色体優性の遺伝様式であり、ほとんどの場合、早期に発症して、かなり重度の障害を伴って進行する。 GDAP1変異はまた、ミトコンドリアの分裂、融合および輸送を変化させ、常染色体劣性遺伝の様式で脱髄型（CMT4A）および軸索型CMT（AR-CMT2K）のいずれかに関連があるとされており、まれに常染色体優性遺伝で軽度の軸索型CMT（CMT2K）を引き起こす。 OPA1（視神経萎縮-1）はミトコンドリア内膜の融合に関与しており、そのヘテロ突然変異は早期発症および進行性のドミナントな視神経萎縮を引き起こし、末梢神経障害を含む他の神経疾患の併発によって、より複雑な病態にもなりうる。軸索輸送や軸索細胞骨格を形成に根本的に重要なはたらきをする、いくつかのタンパク質の突然変異は、末梢神経障害、すなわちCMT、遠位遺伝性運動神経障害（dHMN）、遺伝的感覚および自律神経性神経障害（HSAN）ならびに遺伝性痙性対麻痺を生じる。なるほどミトコンドリア輸送には、順行性輸送を担うキネシンスーパーファミリー（KIF5A、KIF1A、KIF1B）および、逆行性輸送のダイニン複合体とその関連タンパク質（DYNC1H1、dynactin、dynamin-2）と直接的または間接的な関連がある。微小管、神経フィラメント、および熱ショックタンパク質（HSP）などのシャペロンもミトコンドリア輸送とって根本的に重要な役割を果たしており、それらに関連する遺伝子の突然変異は末梢神経障害（TUBB3、NEFL、HSPB1、HSPB8、HSPB3、DNAJB2）を引き起こす。このレビューでは、CMT疾患および関連するニューロパチーの原因におけるミトコンドリアダイナミクスの異常の役割についてまとめる。

MFN2についての知見をかいつまんでまとめておく。

• kif5とMiltonが結合することを同定。スクリーニングをかけた訳ではなく、「kinesinのいくつかを非特異的に認識する抗体で共免疫沈降→Kif5Cが神経にだけ発現していて、分子量も近いため調べてみた。→アタリだったのでKif5A, B についても調べてみた。」という流れだった。(Brickley, K. et al. J. Biol. Chem. 2005)*2
  
  
• kinesin-1とMiltonが直接結合する。(Miriam J. Smith et al. J. Biol. Chem. 2006)*3
  
  
• MFN2とMiro/Miltonが結合する。(Misko A et al. J. Neurosci. 2010)*4

つまり、MFN2がkinesin-1、miro/miltonを介して、ミトコンドリア輸送のアダプターとして機能していることが言える。しかし、kinesin-1だけがMFN2のアダプターとしてメジャーな機能を持っているキネシンファミリーなのか？という疑問は残る。

*1:Mitochondrial dynamics and inherited peripheral nerve diseases - ScienceDirect

*2:GRIF-1 and OIP106, Members of a Novel Gene Family of Coiled-Coil Domain Proteins

*3:Mapping the GRIF-1 binding domain of the kinesin, KIF5C, substantiates a role for GRIF-1 as an adaptor protein in the anterograde trafficking of ca... - PubMed - NCBI

*4:Mitofusin 2 Is Necessary for Transport of Axonal Mitochondria and Interacts with the Miro/Milton Complex | Journal of Neuroscience

ミトコンドリア融合とHippo経路の関連性 (Genetics 2016年6月17日オンライン掲載論文)

結論から言うと、ミトコンドリア融合を促進する遺伝子の機能低下が、Hippo経路の活性を低下させることを示した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、2016年6月17日のGeneticsにオンライン掲載の「Cross-Talk Between Mitochondrial Fusion and the Hippo Pathway in Controlling Cell Proliferation During Drosophila Development. (ショウジョウバエ発生においての細胞増殖を制御するミトコンドリア融合とHippo経路との相互作用。)」という論文で、中国 The Women’s Hospital, Zhejiang University School of Medicine の Dr. Wanzhong Geの仕事である。*1

abstract

Cell proliferation and tissue growth depend on the coordinated regulation of multiple signaling molecules and pathways during animal development. Previous studies have linked mitochondrial function and the Hippo signaling pathway in growth control. However, the underlying molecular mechanisms are not fully understood. Here we identify a Drosophila mitochondrial inner membrane protein ChChd3 as a novel regulator for tissue growth. Loss of ChChd3 leads to tissue undergrowth and cell proliferation defects. ChChd3 is required for mitochondrial fusion and removal of ChChd3 increases mitochondrial fragmentation. ChChd3 is another mitochondrial target of the Hippo pathway, although it is only partially required for Hippo pathway-mediated overgrowth. Interestingly, lack of ChChd3 leads to inactivation of Hippo activity under normal development, which is also dependent on the transcriptional coactivator Yorkie (Yki). Furthermore, loss of ChChd3 induces oxidative stress and activates the JNK pathway. In addition, depletion of other mitochondrial fusion components, Opa1 or Marf, inactivates the Hippo pathway as well. Taken together, we propose that there is a cross-talk between mitochondrial fusion and the Hippo pathway, which is essential in controlling cell proliferation and tissue homeostasis in Drosophila.

(私訳と勝手な注釈) 

細胞増殖および組織成長は、発生における複数のシグナル伝達分子および経路により制御される。先行研究において、ミトコンドリア機能とHippoシグナル伝達経路が成長制御に関連していることが示されている。しかしながら、その分子メカニズムは完全には理解されていない。この論文では、ショウジョウバエのミトコンドリア内膜タンパク質であるChChd3を、組織増殖のためのレギュレーターとして新規に同定した。 *2ChChd3の喪失は、組織の成長低下および細胞増殖に障害をもたらした。 ChChd3はミトコンドリア融合に必要であり、ChChd3の除去はミトコンドリア断片化を増加させた。ChChd3はミトコンドリアにおけるHippo経路の新たな標的であるが、これはHippo経路が介する増殖に部分的にしか必要とされなかった。興味深いことに、ChChd3の欠如は、転写共活性化因子Yorkie（Yki）に依存する形で、通常の発生においてHippo活性の不活性化をもたらした。さらに、ChChd3の喪失は酸化的ストレスを誘導し、JNK経路を活性化した。その上、他のミトコンドリア融合促進因子であるOpa1またはMarfの喪失もまた、Hippo経路も不活性化した。以上より、ショウジョウバエの細胞増殖と組織恒常性を制御する上で必要不可欠な、ミトコンドリア融合とHippo経路との間に相互作用が存在することが提案された。

ミトコンドリア融合を促進する遺伝子の機能低下が、Hippo経路の活性を低下させる*3ことがわかった。この結果が、真にミトコンドリアの融合によるHippo経路の活性化を示していると仮に解釈するなら、ミトコンドリアの分裂因子はHippo経路を負に制御している可能性があるのだろうか。

個人的な感想としては、FLP/FRP システムと MARCM 法の理解のためには良い練習になる論文だと思った。ショウジョウバエの単一細胞のラベル技術をこれでもかというくらいに活用していた。

また、以前のこちらの記事で、

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神経筋接合部のシナプスブートンに必要不可欠なStripという遺伝子がHippo経路を負に制御しており、このStripがなくなると Hippo経路のwtsが活性化してしまい、その下流の遺伝子の作用で、シナプスブートン発生が乱れることが示された、という論文を紹介した。

ミトコンドリア融合因子をノックダウンしても、もちろん神経筋接合部の発生異常は起きる。考えられる仮説としては、Hippo経路を変に活性化させても不活化させても結局ダメ。

・活性化してしまった場合は以前の記事のような形でシナプスブートンの発生が乱れる。

・不活化させてしまった場合は細胞増殖、組織成長の機能低下によって神経発生のレベルが落ちてしまう。

といったところか。

*1:Cross-Talk Between Mitochondrial Fusion and the Hippo Pathway in Controlling Cell Proliferation During Drosophila Development | Genetics

*2:これはNIG-FRYリソースのRNAiライブラリーとey-gal4のかけ合わせによる、スモールスケールのスクリーニングによって同定。

*3:ミトコンドリア融合にはたらく遺伝子がHippo経路を正に制御している、とまでは言えないが

ParkinのMfn2ユビキチン化がミトコンドリアと小胞体の相互作用を制御する (Pharmacological Research 2018年9月13日オンライン掲載論文)

結論から言うと、Parkinに変異があるとミトコンドリア-ER連結のレベルが落ちることを発見し、その分子機構がParkin依存的なMfn2のユビキチン化であることを示した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、2018年9月13日のPharmacological Researchにオンライン掲載の「Regulation of Endoplasmic Reticulum-Mitochondria contacts by Parkin via Mfn2. (Mfn2を介したParkinによる小胞体 - ミトコンドリア接触の調節。)」という論文で、イタリアScientific Institute for Research and Healthcare (IRCCS)の Dr. Elena Zivianiの仕事である。*1

abstract

Parkin, an E3 ubiquitin ligase and a Parkinson's disease (PD) related gene, translocates to impaired mitochondria and drives their elimination via autophagy, a process known as mitophagy. Mitochondrial pro-fusion protein Mitofusins (Mfn1 and Mfn2) were found to be a target for Parkin mediated ubiquitination. Mfns are transmembrane GTPase embedded in the outer membrane of mitochondria, which are required on adjacent mitochondria to mediate fusion. In mammals, Mfn2 also forms complexes that are capable of tethering mitochondria to endoplasmic reticulum (ER), a structural feature essential for mitochondrial energy metabolism, calcium (Ca2+) transfer between the organelles and Ca2+dependent cell death. Despite its fundamental physiological role, the molecular mechanisms that control ER-mitochondria cross talk are obscure. Ubiquitination has recently emerged as a powerful tool to modulate protein function, via regulation of protein subcellular localization and protein ability to interact with other proteins. Ubiquitination is also a reversible mechanism, which can be actively controlled by opposing ubiquitination-deubiquitination events. In this work we found that in Parkin deficient cells and parkin mutant human fibroblasts, the tether between ER and mitochondria is decreased. We identified the site of Parkin dependent ubiquitination and showed that the non-ubiquitinatable Mfn2 mutant fails to restore ER-mitochondria physical and functional interaction. Finally, we took advantage of an established in vivo model of PD to demonstrate that manipulation of ER-mitochondria tethering by expressing an ER-mitochondria synthetic linker is sufficient to rescue the locomotor deficit associated to an in vivo Drosophila model of PD.

(私訳と勝手な注釈) 

E3ユビキチンリガーゼであるParkinおよびパーキンソン病（PD）関連遺伝子は、障害を受けたミトコンドリアに転位し、オートファジーを促進する、これはマイトファジーとして知られている。これまでの先行研究でミトコンドリア融合促進タンパク質ミトフシン（Mfn1およびMfn2）が、Parkinを介したユビキチン化の標的であることが見出されてきた。 Mfnsは、融合を仲介するために、隣接するミトコンドリア上で必要不可欠な、ミトコンドリアの外膜に埋め込まれた膜貫通型GTPアーゼである。哺乳類ではMfn2は、ミトコンドリアを小胞体（ER）に連結することができる複合体を形成し、これはミトコンドリアのエネルギー代謝、オルガネラにCa2+依存性細胞死を連絡するためのCa2+伝達に必須の構造的特徴でもある。このような根本的に重要な生理学的役割を持つにもかかわらず、ER-ミトコンドリアの相互作用を制御する分子機構は不明である。近年の先行研究で、ユビキチン化はタンパク質の細胞内局在および他のタンパク質と相互作用する能力の調節を介して、タンパク質機能を調節するための強力なツールだと提案されている。ユビキチン化はまた、ユビキチン化 - 脱ユビキチン化によって制御される可逆的な機構でもある。この研究で著者らは、Parkin欠損細胞およびParkin変異体ヒト線維芽細胞において、ERとミトコンドリアとの間の連結レベルが減少することを見出した。さらに、パーキン依存性ユビキチン化の部位を同定し、ユビキチン化されることが出来ないMfn2変異体ではER-ミトコンドリアの物理的および機能的相互作用がレスキューできないことを示した。最後に、PDのin vivoショウジョウバエモデルを活用し、運動能力障害をレスキューには、ER-ミトコンドリア合成リンカーを発現させることによるER-ミトコンドリア連結という操作*2が十分であることを実証した。

個人的に、最後のER-ミトコンドリア合成リンカーの実験がなかなかエレガントな手法で驚いた。元ネタは2006年の論文らしいが、今まで知らなかった。

前回の記事で、パーキンソン病における、ミトコンドリア-ER間での脂質代謝の重要性についての論文を紹介した。

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今回の論文でParkinに変異があるとミトコンドリア-ER連結のレベルが落ちることを示していた点は、前回の論文と整合性が取れないと感じるが、要するに適切なミトコンドリア-ERの距離感というものがパーキンソン病に大切ということなのだろう。

また、今回の論文ではミトコンドリアとERの接触レベルがMfn2のユビキチン化によって制御されていることが示された。

以前のこちらの記事で、Mfn2がALSや老化による骨格筋萎縮をレスキューすることが示された。

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この論文と合わせて考えると、やはりMfn2が多くの疾患のメカニズムや治療薬を探索するカギとなるのかもしれない。

*1:Regulation of Endoplasmic Reticulum-Mitochondria contacts by Parkin via Mfn2 - ScienceDirect

論文の視覚的なイメージとして、FIGURE 6: Regulation of ER-mitochondria interaction by Parkin via Mfn2: a schematic representation も参考に。

*2:これは人工的にER標的化配列とミトコンドリア標的化配列を持つコンストラクトを発現させ、ERとミトコンドリア連結を促進させるという手法。参考：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2064383/

パーキンソン病睡眠障害の原因は小胞体の脂質恒常性の乱れである (Neuron 2018年6月27日号掲載論文)

結論から言うと、パーキンソン病における睡眠障害の原因が、ERとミトコンドリアの過剰な接触に起因するER脂質恒常性の異常であることを示し、それらを抑えることで睡眠障害が治ることをショウジョウバエで示した論文。

ということで今回abstractを全訳するのは、2018年6月27日号のNeuronに掲載の「ER Lipid Defects in Neuropeptidergic Neurons Impair Sleep Patterns in Parkinson's Disease. (神経ペプチド作動性ニューロンのERにおける脂質の障害は、パーキンソン病における睡眠パターンを壊す。)」という論文で、ベルギーVIB-KU Leuven Center for Brain and Disease Research*1の Dr. Patrik Verstrekenの仕事である。*2

論文の視覚的なイメージはgraphical abstractを見るとよいと思いますので、そちらも参考に。

abstract

Parkinson's disease patients report disturbed sleep patterns long before motor dysfunction. Here, in parkin and pink1 models, we identify circadian rhythm and sleep pattern defects and map these to specific neuropeptidergic neurons in fly models and in hypothalamic neurons differentiated from patient induced pluripotent stem cells (iPSCs). Parkin and Pink1 control the clearance of mitochondria by protein ubiquitination. Although we do not observe major defects in mitochondria of mutant neuropeptidergic neurons, we do find an excess of endoplasmic reticulum-mitochondrial contacts. These excessive contact sites cause abnormal lipid trafficking that depletes phosphatidylserine from the endoplasmic reticulum (ER) and disrupts the production of neuropeptide-containing vesicles. Feeding mutant animals phosphatidylserine rescues neuropeptidergic vesicle production and acutely restores normal sleep patterns in mutant animals. Hence, sleep patterns and circadian disturbances in Parkinson's disease models are explained by excessive ER-mitochondrial contacts, and blocking their formation or increasing phosphatidylserine levels rescues the defects in vivo.

(私訳と勝手な注釈) 

パーキンソン病患者は、運動機能障害が発症するかなり前に睡眠パターンが乱れることを報告している。この論文では、ParkinおよびPink1モデルにおいて、概日リズムおよび睡眠パターンの障害が起こることを報告し、これら障害に特異的なハエモデルの神経ペプチド作動性ニューロンおよび患者由来のiPS細胞から分化した視床下部ニューロンをマッピングした。 ParkinとPink1は、タンパク質ユビキチン化によるミトコンドリアのクリアランス*3を制御している。神経ペプチド作動性ニューロンに突然変異を持つ個体について、ミトコンドリアにおける主要な欠損は観察されなかったが、小胞体-ミトコンドリアの接触が過剰になっていることが見つかった。これらの過剰な接触部位は異常な脂質輸送を引き起こし、小胞体（ER）からホスファチジルセリンを枯渇させ、神経ペプチド含有小胞を産生できなくする。突然変異個体にホスファチジルセリンを与えれば、神経ペプチド小胞の産生が回復し、正常な睡眠パターンへと急速にレスキューがかかる。したがって、パーキンソン病モデルにおける睡眠パターンおよび概日リズム障害は、過剰なER-ミトコンドリア接触によって説明することができ、それらの形成を阻止するか、またはホスファチジルセリンレベルを増加させることで、それらの障害をレスキューできることがin vivoで示された。

以前こちらの記事で、

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ミトコンドリア脂質恒常性の乱れがリー症候群を引き起こすという論文を紹介したが、今回は小胞体の脂質恒常性の乱れがパーキンソン病の睡眠障害の原因となることがしめされている。ミトコンドリアとER間での脂質のやりとりが、神経変性疾患に重要なファクターになっていることが改めてよく理解できた。

*1:ルーヴェン・カトリック大学という組織が母体かと

*2:https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(18)30420-3

*3:つまりはマイトファジー