エピジェネティクスとエピジェネティック薬 ヒト細胞の核におけるユークロマチンの位置を示す図 エピジェネティクスという 用語は、遺伝子制御の3つのレベル、すなわち(1) DNAメチル化 、(2)ヒストン修飾 、(3)非コードRNA (ncRNA)機能を指します。簡単に言うと、ヒストンを介した転写制御は、DNAが ヒストンコア に巻き付くことによって起こります。このDNA-ヒストン構造はヌクレオソーム と呼ばれ、DNAがヌクレオソームに強く結合し、ヌクレオソームの連なりが互いに強く圧縮されるほど、ヒストンの近くまたはヒストンに巻き付いたDNA配列内の遺伝子の転写 に対する抑制効果は大きくなります。逆もまた同様です(つまり、DNA結合が緩く、圧縮が緩いほど、比較的脱抑制された状態になり、選択的ヘテロクロマチン、あるいはさらに脱抑制されたユークロマチンになります) 。最も 抑制的な状態では、DNA-ヒストン構造は、自身や他の足場タンパク質に多くの折り畳みを伴い、構成的ヘテロクロマチンを形成します。このクロマチン構造は、これら3つのレベルの遺伝子制御によって媒介されます。神経変性疾患の治療に最も関連のあるエピジェネティック修飾は、DNAメチル化と、メチル化またはアセチル化によるヒストンタンパク質の修飾です。[ 4 ] [ 5 ]
エピジェネティック薬は、DNAまたはヒストンの修飾に関与するタンパク質を標的とします。現在のエピジェネティック薬には、HDAC阻害剤 (HDACi)、HATモジュレーター、DNAメチルトランスフェラーゼ阻害剤、ヒストン脱メチル化酵素阻害剤などがありますが、これらに限定されません。[ 7 ] [ 8 ] 神経変性疾患に対する使用が試験されているエピジェネティック薬の大部分はHDAC阻害剤ですが、DNMT阻害剤も試験されています。エピジェネティック薬による治療の大部分はマウスモデルで行われていますが、ヒト細胞やヒトでの臨床試験でも実験が行われています(下の表を参照)。エピジェネティック薬を神経変性疾患の治療に使用することには固有のリスクがあります。一部のエピジェネティック薬(酪酸ナトリウム などのHDACiなど)は標的が非特異的であるため、望ましくないエピジェネティック修飾を引き起こすオフターゲットのエピジェネティックマークが生じる可能性があります。
運動ニューロンの神経変性疾患
筋萎縮性側索硬化症(ALS)筋萎縮性側索硬化症(ALS)、別名ルー・ゲーリック病は、神経変性を伴う運動ニューロン疾患です。体内のすべての骨格筋は、運動ニューロンによって制御されており、運動ニューロンは神経筋接合部 を介して脳から筋肉へ信号を伝達します。運動ニューロンが変性すると、筋肉は脳からの信号を受け取れなくなり、萎縮し始めます。ALSは、筋肉の硬直、筋肉のけいれん、筋萎縮による進行性の筋力低下を特徴とします。ALSの初期症状が現れる部位は、体内のどの運動ニューロンが最初に損傷を受けるかによって異なり、通常は四肢です。病気が進行すると、ほとんどの患者は歩行や腕の使用ができなくなり、最終的には発話、嚥下、呼吸が困難になります。ほとんどの患者は認知機能を保持しており、感覚ニューロンは一般的に影響を受けません。患者は40歳以降に診断されることが多く、発症から死亡までの生存期間の中央値は約3~4年です。末期段階では、患者は眼筋の随意運動能力を失い、呼吸に必要な運動ニューロンや筋肉の変性により、呼吸不全 や肺炎 で死亡することが多い。現在、ALSの治療法はなく、延命のための治療のみが存在する。
遺伝と根本原因 現在までに、ALSには複数の遺伝子とタンパク質が関与していることが示唆されている。これらの遺伝子とその原因となる変異の多くに共通するテーマの1つは、運動ニューロンにおけるタンパク質凝集 体の存在である。[ 43 ] ALS患者に共通するその他の分子的特徴としては、RNA代謝の変化[ 44 ] と一般的なヒストン低アセチル化[ 45 ]が挙げられる。
21番染色体 SOD1 染色体21 上のスーパーオキシドジスムターゼタンパク質をコードするSOD1 遺伝子は、症例の2%に関連しており、常染色体優性遺伝 の様式で伝達されると考えられています。[ 46 ] ALS患者では、進行度の異なるSOD1のさまざまな変異が記録されています。SOD1タンパク質は、ミトコンドリア によって生成される自然発生的だが有害なスーパーオキシドラジカル を破壊する役割を担っています。ALSに関連するSOD1変異のほとんどは、タンパク質が酵素活性を保持するが、運動ニューロンに凝集して毒性を引き起こす機能獲得型変異です。[ 47 ] [ 48 ] 正常なSODタンパク質は、潜在的に細胞ストレスによる他のALS症例にも関与しています。[ 49 ] SOD1の機能獲得型変異によるALSマウスモデルが開発されています。[ 50 ] c9orf72 c9orf72 と呼ばれる遺伝子の非コード領域にヘキサヌクレオチド反復配列が存在することがALSおよびALS-FTDとの関連で発見された。[ 51 ] これらのヘキサヌクレオチド反復配列は、家族性ALS症例の最大40%、孤発性症例の10%に存在する可能性がある。C9orf72はおそらく小さなGTPaseの グアニン交換因子 として機能するが、これはALSの根本原因とは関係がないと考えられる。[ 52 ] ヘキサヌクレオチド反復配列は、 c9orf72 mRNA転写産物からスプライシングされ て影響を受けた細胞の核に蓄積した後、細胞毒性を引き起こしていると考えられる。[ 51 ] UBQLN2 UBQLN2 遺伝子は、細胞内でユビキチン化 タンパク質の分解を制御する役割を担うユビキリン2タンパク質をコードしています。UBQLN2の変異はタンパク質分解を阻害し、異常なタンパク質凝集によって神経変性を引き起こします。 [ 53 ] このALSの形態はX染色体連鎖性で優性遺伝し、認知症 を伴うこともあります。
脊髄性筋萎縮症(SMA)アルファ運動ニューロンは基底板 (基底膜)に由来する。脊髄性筋萎縮症(SMA)は、 SMN1 遺伝子の変異によって引き起こされる常染色体劣性運動ニューロン疾患です。[ 59 ] 症状は、SMAの各サブタイプと疾患のステージによって大きく異なります。一般的な症状には、四肢や呼吸筋を含む全身の筋力低下と筋緊張低下があり、歩行、呼吸、摂食が困難になります。SMAのタイプによっては、乳児期から成人期まで発症する可能性があります。SMNタンパク質は一般的に運動ニューロンの生存を促進するため、SMN1の変異は運動ニューロンの緩やかな変性を引き起こし、全身の進行性の筋萎縮につながります。具体的には、時間の経過とともにSMNタンパク質のレベルが低下すると、脊髄前角 と脳のα運動ニューロン が徐々に死滅します。筋肉は、筋肉の維持を刺激するために運動ニューロンと中枢神経系との接続に依存しているため、運動ニューロンの変性とそれに続く筋肉の神経支配の喪失は、筋肉の制御の喪失と筋萎縮につながります。下肢の筋肉が最初に影響を受け、続いて上肢、そして時には呼吸筋や咀嚼筋が影響を受けることが多い。一般的に、近位筋は遠位筋よりも常に影響を受けやすい。
遺伝的原因 脊髄性筋萎縮症は、SMN1(運動ニューロン生存因子1)遺伝子の遺伝子変異と関連している。SMNタンパク質はニューロンに広く発現しており、スプライソソームの 構築、mRNAの軸索輸送、発生過程における神経突起の伸長、 神経筋接合部の 形成など、ニューロン内で多くの機能を担っている。脊髄性筋萎縮症における機能喪失の根本原因は、現在も不明である。
SMN1はヒト染色体5 のテロメア 領域に位置し、セントロメア 領域にはSMN2も含まれています。SMN1とSMN2は、SMN2の1つの ヌクレオチドの変化 を除いてほぼ同一で、その結果、イントロン6とエクソン8が出会う場所に代替スプライシング部位が生じます。この1塩基対の変化により、SMN2転写産物の10~20%のみが完全な機能を持つSMNタンパク質となり、80~90%の転写産物は切断されたタンパク質となり、急速に分解されます。ほとんどのSMA患者はSMN2遺伝子を2コピー以上持っており、コピー数が多いほど疾患の重症度が低下します。[ 60 ] ほとんどのSMA患者はエクソン7に点変異 または欠失があり、多くの場合、切断されて分解されたSMN2タンパク質に似たタンパク質産物が生成されます。SMA患者では、この少量の機能的なSMN2タンパク質産物により、一部のニューロンが生存することができます。
SMN2遺伝子活性化によるエピジェネティック治療 SMAはエピジェネティックなメカニズムによって引き起こされるものではないが、エピジェネティックマークを標的とする治療薬は、SMA患者にいくらかの緩和をもたらし、病気の進行を阻止したり、逆転させたりする可能性がある。SMN2遺伝子のコピー数が多いSMA患者は症状が軽いことから、研究者らは、SMN2 mRNAの発現を増加させるエピジェネティック薬がニューロン内の機能的なSMNタンパク質の量を増加させ、SMAの症状を軽減すると予測した。ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)阻害剤は、SMN2 mRNAの発現を増加させるために試験された主な化合物である。HDACを阻害すると、理論的にはSMN2遺伝子座の過剰アセチル化が可能になり、SMN2の発現が増加する。[ 41 ] これらのHDAC阻害剤(HDACi)の多くは、マウスSMN1遺伝子のさまざまな変異によって作成されたSMAマウスモデルで最初に試験される。マウスが改善を示し、薬が副作用や毒性をほとんど引き起こさない場合、その薬はヒト臨床試験で使用される可能性がある。下記のHDAC阻害剤を用いたヒト臨床試験の結果は極めてばらつきがあり、患者の正確なSMAサブタイプによって影響を受けることが多い。
クイシノスタット(JNJ-26481585) クイシノスタットは 低用量で効果があり、SMAのマウスモデルでは神経筋機能がいくらか改善したが、生存率は向上しなかった。[ 61 ] ヒトでの臨床試験は実施されていない。酪酸ナトリウム 酪酸ナトリウムは 、SMAマウスモデルで試験された最初のHDAC阻害剤でした。SMAマウスの寿命を35%延長し、脊髄組織中のSMNタンパク質のレベルが上昇しました。[ 28 ] [ 29 ] しかし、酪酸ナトリウムは現在までヒトの臨床試験には使用されていません。フェニル酪酸ナトリウム フェニル酪酸ナトリウムは 細胞培養においてSMN2全長mRNA転写産物を増加させるが、効果を維持するためには薬剤投与を繰り返す必要がある。[ 28 ] ヒト試験では結果がまちまちで、ある研究では血液中のSMA転写産物レベルの増加と運動機能の改善が示されたが、[ 30 ] より大規模な試験では疾患の進行や運動機能に影響が見られなかった。[ 29 ] バルプロ酸 SMA患者の細胞にバルプロ酸を加えるとSMN2 mRNAとタンパク質のレベルが上昇し、この薬がSMN2プロモーターを直接活性化することがわかった。 [ 31 ] [ 32 ] SMAマウスモデルでは、バルプロ酸を飲料水に加えると、8か月かけて運動ニューロン密度が回復し、運動ニューロン数が増加した。[ 33 ] ヒトでの試験結果は非常にばらつきがあり、一部の試験ではSMN2レベルと筋力が増加したが、他の試験では全く効果がなかった。[ 35 ] [ 34 ] [ 36 ] [ 37 ] M344 M344は、線維芽細胞培養で有望な結果を示し、SMN2転写産物を調節することが知られているスプライシング因子のレベルを上昇させるベンズアミドですが、この薬剤は毒性があると判断され、研究は生体内試験には進んでいません。[ 27 ] トリコスタチンA トリコスタチンA による治療はマウスで有望な結果を示している。ある研究では、早期発症マウスSMAモデルにおいて、トリコスタチンAと栄養補給を併用することで、運動機能と生存率が向上し、筋肉の進行性神経脱失が遅延した。[ 38 ] SMAマウスモデルを用いた別の研究では、毎日注射することでSMN2転写産物が増加することが示された。[ 39 ] ヒトでの臨床試験は実施されていない。ボリノスタット(SAHA) ボリノスタットは 、毒性が比較的低く、低濃度で細胞培養において有効であることがわかっている第2世代の阻害剤であり[ 40 ] 、SMN2プロモーターでのヒストンアセチル化を増加させます[ 41 ] 。SMAマウスモデルでは、SAHA治療により体重増加、筋肉および脊髄におけるSMN2転写産物レベルの増加、運動ニューロンの喪失および神経脱落の停止が見られました[ 42 ] 。ヒトでの臨床試験は実施されていません。
重症筋無力症 重症筋無力症は、神経筋接合部のシナプスに影響を与える自己免疫疾患であり、胸腺で主にB細胞によって産生された抗体が、シナプス後ニコチン性アセチルコリン受容体(AChR)や他の神経筋接合部シナプス後受容体(MuSK-Rおよび低密度リポタンパク質受容体)と結合します。これらの抗体には、アセチルコリン受容体抗体、MuSK抗体、および低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質4抗体(LRP4-Ab)が含まれます。[ 62 ] 抗体がそれぞれの受容体に結合すると、これらの受容体が破壊され、シナプス後アセチルコリン受容体の数が減少し、アセチルコリン輸送全体が減少します。疾患の症状には、使いすぎで疲労するが休息で改善する筋力低下が含まれます。筋力低下による特徴的な症状には、眼瞼下垂、複視、嚥下障害、および異常な発話が含まれます。[ 63 ]
重症筋無力症は比較的まれな疾患で、10万人あたり約3~30人の割合で発生しますが、過去数十年間で増加傾向にあります。重症筋無力症には、年齢と性別の人口統計学的特徴に関して2つのタイプがあります。早期発症型重症筋無力症は女性に多く見られ、晩期発症型重症筋無力症は男性に多く見られます。[ 63 ]
エピジェネティック因子 重症筋無力症の遺伝的基盤については広範な研究が行われてきましたが、遺伝性疾患であるという証拠はありません。[ 64 ] また、重症筋無力症へのエピジェネティックな寄与についても広範な研究が行われてきました。[ 65 ] DNAメチル化や、miRNA(マイクロRNA)やlncRNAなどの非コードRNAは、重症筋無力症の発症リスクを高める上で重要な役割を果たすエピジェネティック因子です。さらに、胸腺は免疫応答における重要な器官であり、miRNAの異常発現やDNAメチル化によって悪影響を受けることがよくあります。
miRNA マイクロRNA(miRNA)は、標的mRNAに結合する一本鎖非コードRNAです。miRNAは、翻訳を阻害したりmRNA鎖を分解したりすることで遺伝子発現を調節し、免疫過程におけるB細胞やT細胞でしばしばその働きが見られます。重症筋無力症においては、miRNA機能異常が免疫調節病態と関連しており、それぞれのmiRNAは独自のダウンストリーム効果を持っています。
胸腺は重症筋無力症に関与する重要な内分泌器官です。正常な健康な発達では、胸腺は時間とともに縮小します。胸腺関連重症筋無力症の患者では、晩発性重症筋無力症では胸腺腫との相関があり、早期発症重症筋無力症では胚中心を伴う胸腺過形成があり、これらの各状態は、miRNA 機能の異常に部分的に起因している可能性があります。[ 66 ] 晩発性重症筋無力症患者では、胸腺腫関連重症筋無力症で miRNA-12a-5p の発現が増加していることが示されました。miRNA-12a-5p は、正常な胸腺の発達に関与することが知られており、その変化が胸腺腫に起因する遺伝子である FoxP3 の発現を阻害します。[ 67 ] さらに、胸腺腫関連重症筋無力症と miR-376a/miR-376c 発現低下との関連性が発見された。胸腺腫関連重症筋無力症では自己免疫調節がダウンレギュレーションされていることが知られており、自己免疫調節がダウンレギュレーションされた胸腺細胞では、miR-376a、miR-376c、および miRNA-12a-5p 発現が同時にダウンレギュレーションされていた。[ 67 ] 早期発症重症筋無力症患者では、61 種類の miRNA が有意にダウンレギュレーションまたはアップレギュレーションされていることがわかった。最もダウンレギュレーションされた miRNA は miR-7-5p であり、その標的遺伝子は CCL21 である。 CCL21は、早期発症型重症筋無力症患者の胸腺でB細胞を異常に動員することが知られており、早期発症型重症筋無力症患者で高発現していることが発見されており、胸腺過形成で見られる異常に大量のB細胞を説明する可能性がある。[ 68 ]
胸腺機能の変化に対応するmiRNA以外にも、重症筋無力症と相関する重要なmiRNAがいくつかあります。miR-15クラスター(miR-15a、miR-15b、miR-15c)は自己免疫と関連していることが示されており、そのダウンレギュレーションはT細胞シグナル伝達に関与する標的遺伝子であるCXCL10の発現を増加させます。CXCL10の発現は重症筋無力症患者の胸腺でも増加していることが示されています。[ 69 ] さらに、miR-146は重症筋無力症患者でアップレギュレーションされていることがわかりました。miR-146がアップレギュレーションされているこれらの患者では、TLR4、CD40、CD80など、幅広い免疫応答に対応するタンパク質が同時に増加していました。[ 70 ]
DNAメチル化 DNAメチル化は、メチル基がアデニンまたはシトシン塩基に付加されるエピジェネティックなプロセスであり、シトシンメチル化が起こると、その配列が抑制されます。[ 71 ] DNAメチル化は、重症筋無力症を発症する可能性を高める要因であることが判明していますが、このトピックは広く研究されていません。中国での研究では、CTLA-4(細胞傷害性Tリンパ球抗原-4)遺伝子が、疾患の全期間にわたって対照群と比較して重症筋無力症患者で高度にメチル化されていることが特定されました。CTLA-4遺伝子は、キラーT細胞上に提示され、免疫応答の抑制を可能にする同名の抗原を生成します。この遺伝子のメチル化は、CTLA-4抗原の産生を抑制します。これは、重症筋無力症患者の大多数に見られるパターンであり、重症筋無力症で見られる免疫応答の亢進を説明できます。[ 72 ] さらに、胸腺異常を伴う重症筋無力症患者(重症筋無力症患者全体の約 10〜20%)[ 73 ] は、他の重症筋無力症患者よりも CTLA-4 のメチル化レベルがさらに高かった。これらの症例で特定の遺伝子が過剰メチル化される理由は十分に研究されていないが、重症筋無力症に関する情報は、重症筋無力症患者における DNA メチルトランスフェラーゼ遺伝子 DNMT1、DNMT3A、および DNMT3B のアップレギュレーションを主に示唆している。[ 74 ]
CTLA-4 のメチル化に加えて、胸腺腫関連遅発性重症筋無力症の患者では成長ホルモン分泌促進因子受容体遺伝子の過剰メチル化が認められた。[ 75 ] 成長ホルモン分泌促進因子受容体の過剰メチル化は様々な癌で検出されるが、胸腺腫関連重症筋無力症の発症との関連が認められたのはごく最近のことである。胸腺腫関連重症筋無力症患者の約 1/4 で認められるが、この疾患の信頼できるバイオマーカーではなく、疾患の進行との関連性も十分には分かっていない。
長鎖ノンコーディングRNA 長鎖ノンコーディングRNA(lncRNA)は、タンパク質をコードする遺伝子発現の重要な転写後修飾因子である、2番目のタイプのノンコーディングRNAです。これらは重症筋無力症にも重要な役割を果たしています。その異常な制御は、下流の遺伝子の発現の差異を引き起こす可能性があります。たとえば、lncRNAインターフェロンγアンチセンスRNAの差異発現は、内因性タンパク質と外来性タンパク質を区別することによって体の自己免疫応答に関与する2つの遺伝子であるHLA-DRBとHLA-DOBの発現を負に制御します[ 75 ] 。 [ 76 ] 致死性 (let)-7 lncRNA の発現が低下した重症筋無力症患者に見られるように、let-7 lncRNA のレベルは、サイトカイン分泌/活性化、抗原提示、マクロファージ活性の抑制に関与する遺伝子であるインターロイキン (IL)-10 のレベルと負の相関関係にあることも判明したが、[ 77 ] 抗腫瘍効果も示すことが分かっている。[ 78 ] したがって、let-7 lncRNA と IL-10 レベルの負の相関関係と、重症筋無力症の発症に対するその特異的な影響は不明瞭である。
lncRNAは、下流の標的遺伝子の異常な調節に加えて、競合的内因性RNA(ceRNA)として作用することによっても発現に影響を与える。競合的内因性RNA理論によれば、共通のmiRNA結合部位を持つ転写産物は、これらの同一のmiRNAに結合するために競合することができ、このようにしてlncRNAはmiRNAに結合し、下流の結合活性を調節してその機能に影響を与えることができる。重症筋無力症の場合、lncRNAである小型核小体RNA宿主遺伝子(SNHG)16は、IL-10と一般的に結合するmiRNAであるlet-7c-5pを競合的内因性RNAとして吸着することにより、IL-10の発現を調節する。
エピジェネティック治療 重症筋無力症の診断、個々の予後、および必要な治療レベルは、循環miRNAの量を検出することによって決定できる。
免疫抑制剤は、アセチルコリン受容体結合抗原を提示するT細胞の過剰な免疫応答を抑制するため、重症筋無力症の治療に関する臨床研究において大きなカテゴリーを占めています。[ 66 ] miR-146を過剰発現させることにより、早期発症型重症筋無力症の患者は抗原特異的な抑制効果を得られることが研究で示されています。これは、重症筋無力症患者の免疫応答を抑制し、予後を改善することにつながります。同様に、miR-155は重症筋無力症に関連する胸腺の炎症および免疫応答と相関することが証明されています。miR-155の抑制がこれらの異常な効果を軽減できるかどうかについて研究が行われています。[ 66 ] 最後に、miRNAのmiR-150-5pとmiR-21-5pは、アセチルコリン受容体抗体を有する重症筋無力症患者で一貫して上昇していることが示されている(MuSK結合型重症筋無力症とは対照的に)。したがって、これら2つのmiRNAは、この重症筋無力症の変異型を検出するための信頼できるバイオマーカーである。[ 79 ]
中枢神経系の神経変性疾患
アルツハイマー病(AD)アルツハイマー病(AD)は、高齢者の間で最も一般的な認知症です。この疾患は、行動面では短期記憶喪失から始まる認知機能の慢性的かつ進行性の低下、神経学的にはミスフォールドしたタウタンパク質 とそれに伴う神経原線維変化 の蓄積、およびアミロイドβ老人斑 によって特徴づけられます。アミロイド前駆体タンパク質 (APP ) およびプレセニリン1および2遺伝子の変異、 アポリポタンパク質E アレルε4の家族性遺伝など、 ADに寄与するいくつかの遺伝的要因が特定されています。これらの共通要因に加えて、アルツハイマー病で発現が変化している他の多くの遺伝子があり、その一部はエピジェネティック要因と関連しています。
エピジェネティック因子 脳由来神経栄養因子 ncRNA βアミロイド切断酵素遺伝子BACE1 内のイントロンからアンチセンスにコードされたncRNAはADに関与している。[ 6 ] このncRNA、BACE1-AS (アンチセンスの略)はBACE1のエキソン6と重複しており、 BACE1 mRNA転写産物の安定性を高めることに関与している。この遺伝子の名前が示すように、BACE1はアミロイド前駆体タンパク質を不溶性のβアミロイドに切断する酵素タンパク質であり、βアミロイドは老人斑に凝集する。BACE1 -AS によってBACE1 mRNAの安定性が高まると、BACE1タンパク質への翻訳に利用できる BACE1 mRNAが増える。 miRNA これらの因子がADの進行に一貫して関与していることは示されていません。miRNAは、翻訳を阻害したりRNAi 経路に関与したりすることで、転写後遺伝子サイレンシングに関与しています。いくつかの研究では、ヒトAD脳において神経免疫関連のインターロイキン-1R関連キナーゼIRAK1およびIRAK2の発現を異なって調節するmiRNA-146aのアップレギュレーションが示されていますが、他の研究では脳におけるmiRNA-9のアップレギュレーションまたはダウンレギュレーションが示されています。[ 80 ] DNAメチル化 アルツハイマー病の症例では、全般的なDNA低メチル化と遺伝子特異的な高メチル化が観察されているが、特にヒトの脳を対象とした研究では、研究によって結果が異なっている。理論的には、CpGアイランドは遺伝子プロモーターに最も多く存在するため、全般的な低メチル化は全般的な転写の増加と関連しているはずである。しかし、遺伝子特異的な高メチル化は、これらの高メチル化された遺伝子がメチル化マークによって抑制されていることを示唆する。一般的に、学習と記憶に関連する遺伝子の抑制的な高メチル化は、神経炎症遺伝子およびアルツハイマー病の病理的発現に関連する遺伝子の脱抑制的な低メチル化と併せて観察されている。アルツハイマー病の一卵性双生児では、健康な双生児と比較して、長期記憶に関連する側頭葉新皮質ニューロンのメチル化が低下していることがわかっている。[ 81 ] CpG ジヌクレオチドの全体的な低メチル化は、AD 病理の影響を受けやすいヒト AD 患者の海馬[ 82 ] および内嗅皮質第 II 層[ 83 ] でも観察されている。免疫測定法による調査で得られたこれらの結果は、CpG メチル化状態に敏感な CpG 変換技術であるビスルフィットシーケンス による DNA 配列の解析によって異議を唱えられており、ビスルフィットシーケンスでは全体的な低メチル化が観察されている。[ 84 ] [ 85 ] COX-2 個々の遺伝子レベルでは、炎症や痛みを軽減するCOX-2 の低メチル化、ひいては脱抑制が起こり、長期記憶に重要な神経栄養因子であるBDNFの過メチル化が起こる。 [ 85 ] 他の多くの遺伝子の中でもBDNF の 調節に関与する活動依存性転写因子であるCREB の発現も、 AD 脳では過メチル化され、ひいては抑制されていることが示されており、BDNF の転写をさらに減少させている。[ 85 ] さらに、主要なシナプス小胞タンパク質をコードする遺伝子であるシナプトフィジン ( SYP ) は過メチル化され、ひいては抑制されていることが示されており、免疫シグナル伝達に関与する転写因子NF-κB は低メチル化され、ひいては脱抑制されていることが示されていた。[ 85 ] これらの結果を総合すると、学習と記憶、シナプス伝達、および免疫応答に関わる遺伝子の調節異常の役割が明らかになった。 低メチル化 プレセニリン 1 [ 86 ] 、タウタンパク質をリン酸化するGSK3β [ 87 ] 、およびAPPを アミロイド β 型に切断し、それが不溶性の老人斑に凝集する酵素であるBACE1 [ 88 ] のプロモーターで、抑制的な過剰メチル化が観察されている。脳内で主要なアミロイド β 除去酵素であるネプリライシンの遺伝子であるNEPのプロモーターで、アミロイド β による抑制的な過剰メチル化が観察されている [ 89 ] 。 この NEP の抑制は、老人斑のフィードフォワード蓄積につながる可能性がある。AD 脳で観察されたBACE1-AS の増加と、それに伴う BACE1 タンパク質とアミロイド β の増加と合わせて[ 6 ] 、アミロイド β の形成、除去または凝集、および老人斑の沈着の制御には、複数のレベルのエピジェネティック制御が関与している可能性がある。特定の遺伝子プロモーターにおけるDNAメチル化レベルには年齢の影響がある可能性があり、ある研究では、70歳までのAD患者ではAPPプロモーターのメチル化レベルが高いが、70歳以上の患者ではメチル化レベルが低いことがわかった。 [ 90 ] ヒトAD脳におけるDNAメチル化の差異に関する研究は、個人間のばらつきが大きいことや、ADにつながる可能性のある要因の組み合わせが多数あることから、依然として結論が出ていない。ヒストンマーク ヒストン尾部のリジン残基のアセチル化は一般的に転写活性化と関連しており、一方、脱アセチル化は転写抑制と関連している。ADにおける特定のヒストン修飾を調査した研究は少ない。これらの研究では、ヒストン3のN末端尾部のリジン18および23(それぞれH3K18およびH3K23)のアセチル化の減少[ 91 ] とAD脳におけるHDAC2の増加[ 92 ] が明らかになった。これらはどちらも転写抑制に関連する修飾である。加齢に伴う認知機能低下はH4K12アセチル化の調節異常と関連しており、この修飾を誘導することでマウスの認知機能が回復した[ 93 ] 。
治療法 アルツハイマー病の予防や管理のための治療は、この病気が慢性かつ進行性であること、そして多くのエピジェネティック薬が遺伝子特異的ではなく全体的に作用することから、困難を極めている。アルツハイマー病の症状を予防 または軽減する ための他の潜在的な治療法と同様に、これらの治療法は病気を治癒させるものではなく、症状を一時的に軽減するに過ぎない。これは、アルツハイマー病の慢性かつ進行性の性質、そしてアルツハイマー病患者の脳におけるメチル化の多様性を浮き彫りにしている。
葉酸およびその他のビタミンB群 ビタミンB群はSAM産生につながる代謝経路に関与している。SAMはDNAメチルトランスフェラーゼ(DNMT)がCpGをメチル化するために利用するメチル基の供与体である。Fusoらは動物モデルを用いて、プレセニリン1 、BACE1 、APPの低メチル化プロモーターにおけるメチル化の回復を実証した [ 94 ] 。これは仮説上安定したエピジェネティック修飾であり、これらの遺伝子を抑制し、ADの進行を遅らせるはずである。食事によるSAM補給は、トランスジェニックADマウスにおいて酸化ストレス を軽減し、アミロイドβやリン酸化タウタンパク質などのADの神経学的特徴の蓄積を遅らせることも示されている。 AZA カーンらは、ニューログロビン がアミロイド関連神経毒性を 軽減する可能性のある役割を実証した。[ 95 ] DNMT阻害剤である5-アザ-2'-デオキシシチジン (AZA、またはデシタビン)は、ニューログロビン発現を調節するいくつかの証拠を示しているが、この発見はADモデルではテストされていない。[ 96 ] ヒストン標的治療 アルツハイマー病患者の脳におけるヒストン修飾に関する研究はまだ少ないものの、アルツハイマー病治療におけるHDAC阻害剤の効果についてはいくつかの研究が行われている。トリコスタチンA、ボリノスタット、酪酸ナトリウムなどのクラスIおよびII HDAC阻害剤、ならびにニコチンアミドなどのクラスIII HDAC阻害剤は、アルツハイマー病の動物モデルにおいて症状の治療に有効であることが示されている。動物モデルでは治療薬として有望視されているものの、HDAC阻害剤の長期的な有効性に関する研究やヒトでの臨床試験はまだ実施されていない。 酪酸ナトリウム 酪酸ナトリウムはクラスIおよびIIのHDAC阻害剤であり、4週間後に学習と記憶を回復させ、[ 14 ] リン酸化タウタンパク質を減少させ、ADトランスジェニックマウスの海馬における樹状突起スパイン密度を回復させることが示されている。[ 15 ] 酪酸ナトリウムの拡散投与によって生じるヒストンアセチル化は特に海馬で顕著であり、学習と記憶に関与する遺伝子は、この薬剤で治療されたADマウスでアセチル化の増加を示した。[ 16 ] トリコスタチンA トリコスタチンAは、クラスIおよびIIのHDAC阻害剤でもあり、トランスジェニックADマウスの恐怖条件付けパラダイムにおける恐怖学習をヒストン4リジンテールのアセチル化を介して野生型レベルまで回復させる。[ 18 ] ボリノスタット ボリノスタットはクラスIおよびIIのHDAC阻害剤であり、HDAC2を阻害し、AD以外の学習障害モデルにおける記憶機能を回復させるのに特に効果的であることが示されている。[ 97 ] ある研究では、ボリノスタットがトランスジェニックADマウスの文脈記憶障害を改善するのに効果的であることが示された。[ 17 ]
ハンチントン病(HD)これは、構造MRI画像 から得られた線条体の横断面図です。赤色で示された線条体には、尾状核 (上 )、被殻 (右 )、そして「線条体体」という用語を含めると淡蒼球 (左下 )が含まれます。ハンチントン病(HD)は、脳の大脳皮質 と線条体内のニューロンの進行性変性を引き起こす遺伝性疾患であり [ 98 ]、 その結果、運動機能の喪失(不随意筋収縮)、認知能力の低下(最終的には認知症に至る)、および行動の変化が生じる[ 7 ] 。
遺伝と根本原因 ハンチントン病は、ハンチンチン 遺伝子(Htt)内のグルタミンコドン反復(CAG)の数を増やす常染色体優性突然変異によって引き起こされます。 [ 98 ] Htt遺伝子はハンチンチンタンパク質をコードしており、正常な発達に役割を果たしていますが、その正確な機能はまだ不明です。[ 99 ] このCAG反復の長さは、病気の発症年齢と相関しています。ハンチントン病ではない平均的な人は、Htt遺伝子内に36未満のCAG反復を持っています。この反復の長さが36を超えると、神経変性の開始とハンチントン病の身体症状は、5歳(CAG反復 > 70)から80歳(CAG反復 < 39)まで幅広く発生します。[ 100 ]
この CAG の伸長により、特定の遺伝子の mRNA のダウンレギュレーション、ヒストン アセチル化の減少、およびヒストン メチル化の増加が引き起こされます。[ 101 ] [ 102 ] この繰り返しが遺伝子調節異常を引き起こす正確なメカニズムは不明ですが、エピゲノム修飾が役割を果たしている可能性があります。早期発症ハンチントン病 (5~15 歳) では、トランスジェニック マウスとマウス線条体細胞株の両方で、脳特異的なヒストン H3 の低アセチル化と、線条体内の特定のダウンレギュレーションされた遺伝子 (すなわち、Bdnf、Cnr1、Drd2 – ドーパミン 2 受容体、および Penk1 – プレプロエンケファリン) でのヒストン結合の減少が示されています。[ 103 ] 後期発症および早期発症ハンチントン病の両方で、Htt 変異体では、これらのダウンレギュレーションされた遺伝子に関連する H3 および H4 コア ヒストンが、野生型 Htt と比較して低アセチル化 (アセチル化の減少) を示しています。[ 102 ] [ 103 ] この低アセチル化は、クロマチンのより密なパッキングとmRNAのダウンレギュレーションを引き起こすのに十分である。[ 102 ]
H3の低アセチル化に加えて、変異型Httを持つヒト患者とマウスの両方で、ヒストンH3リジン9トリメチル化レベルが増加している。[ 101 ] このH3-K9トリメチル化の増加は、H3-K9残基を標的としてトリメチル化するメチルトランスフェラーゼESET/SETDB1(SETドメインを持つERG関連タンパク質(ESET))の発現増加と関連している。[ 101 ] この過剰メチル化が、Htt変異体における特定の遺伝子抑制の開始の原因である可能性があると提唱されている。[ 101 ]
HDAC阻害剤 ハンチントン病患者、およびマウスとショウジョウバエの モデルでは、ヒストンH3とH4の低アセチル化が認められる。現在、この疾患に対する治療法はないが、多数のHDAC阻害剤が試験され、Htt変異によって引き起こされる特定の症状を改善することが示されている。
酪酸ナトリウム処理はショウジョウバエモデルにおける神経変性を遅らせた。[ 19 ] また、酪酸ナトリウム処理はヒストンH3のアセチル化を増加させ、変異型Httでダウンレギュレーションされた遺伝子のmRNAレベルを正常化した。[ 103 ] バルプロ酸処理により、ショウジョウバエモデルにおいて、変異型HttのH3およびH4アセチル化レベルが野生型Httと同程度に増加した。[ 19 ] フェニル酪酸ナトリウムの第II相ヒト臨床試験では、1日12~15gの投与でHtt変異抑制遺伝子のmRNAレベルが回復したが、吐き気、頭痛、ゲイン不安定などの副作用も認められた。[ 104 ] また、フェニル酪酸は、Htt変異マウスモデルにおいて、ヒストンアセチル化の増加、ヒストンメチル化の減少、生存率の向上、神経変性速度の低下をもたらすことも示されている。[ 20 ] トリコスタチン A (TSA) 処理により、ショウジョウバエモデルでは野生型 Htt と同程度の変異型 Htt H3 および H4 アセチル化レベルが増加した。[ 19 ] また、TSA 処理により、マウス線条体細胞における α-チューブリンリジン 40 アセチル化が増加し、脳内の神経成長および維持に関与する脳由来神経栄養因子である BDNF の細胞内輸送が増加することも示されている。[ 105 ] [ 21 ] ボリノスタット治療は、成体Htt変異ショウジョウバエの光受容体変性を遅らせ、寿命を延ばした。[ 19 ] TSAと同様に、SAHA治療はマウス線条体細胞におけるα-チューブリンリジン40アセチル化を増加させ、BDNFの細胞内輸送も増加させた。
パーキンソン病(PD)レビー小体 パーキンソン病(PD)は、原因不明の黒質におけるドーパミン作動性ニューロンの進行性変性を特徴とする疾患です。いくつかの遺伝子や環境要因(例えば、農薬への曝露)がPDの発症に関与している可能性があります。特徴としては、α-シヌクレイン遺伝子SNCA 、PARK2 、PINK1 、UCHL1 、DJ1 、LRRK2 遺伝子の変異、およびミスフォールドしたα-シヌクレインから生じるレビー小体 の線維状蓄積が挙げられます。症状は、振戦、筋硬直、制御運動の障害、歩行の遅延や困難など、運動障害として最も顕著に現れます。疾患の後期段階では、認知症やうつ病が発症します。レボドパやドーパミン作動薬療法は症状を軽減する可能性がありますが、疾患の進行を止める治療法はありません。
エピジェネティック因子 ncRNA miR-133bの減少は、PD患者の中脳におけるドーパミン作動性ニューロン数の減少と相関している。[ 106 ] 一方、miR-132は中脳におけるドーパミン作動性ニューロンの分化と負の相関がある。[ 107 ] miR-7とmiR-153はα-シヌクレインレベル(PDの特徴)を低下させる働きをするが、PD脳では減少している。[ 108 ] DNAメチル化 PD患者のニューロンでは、腫瘍壊死因子(TNF)α をコードする配列の低メチル化が見られ、その過剰発現はニューロンのアポトーシスを引き起こします。[ 109 ] PD患者の脳脊髄液でもTNFαの上昇が見られます。[ 110 ] 研究によると、DNAメチル化とSNCA発現の間には関連性がある可能性があります。[ 111 ] [ 112 ] さらに、ヒトおよびマウスモデルでは、PD被験者で核DNMT1レベルの低下が示されており、その結果、転写抑制に関連する低メチル化状態が生じます。[ 113 ] ヒストンマーク SNCA によってコードされるタンパク質である α-シヌクレインは、ヒストンと結合し、HDAC の HDAC1 および Sirt2 と協調してヒストンのアセチル化を阻害することができます。[ 26 ] [ 114 ] さらに、ショウジョウバエ では、α-シヌクレインがヒストン 3 に結合し、そのアセチル化を阻害することが実証されています。[ 26 ] パーキンソン病におけるドーパミンの枯渇は、H3K4me3 の減少や、レボドパ療法 (PD の一般的な治療法) 後の H3 および H4 リジンアセチル化レベルの低下など、抑制的なヒストン修飾と関連しています。
治療法 PDモデルで試験されたエピジェネティック治療は少ないが、有望な研究がいくつか行われている。これまでに調査された治療のほとんどは、ヒストン修飾と、α-シヌクレインの発現と活性を媒介する役割の分析に向けられている。殺虫剤とパラコートはヒストンアセチル化を増加させ、ドーパミン作動性細胞のアポトーシスなど、PDで見られるものと同様の神経毒性効果を引き起こす。[ 115 ] それにもかかわらず、HDAC阻害剤[ 116 ] による治療は神経保護効果を持つようだ。
酪酸ナトリウム さまざまな動物モデルを用いた複数の研究により、酪酸ナトリウムがα-シヌクレイン関連神経毒性の軽減に有効である可能性が示されています。[ 22 ] [ 23 ] ショウジョウバエ では、酪酸ナトリウムは運動機能障害を改善し、早期死亡率を低下させました。[ 24 ] バルプロ酸 誘導性PDラットモデルにおいて、バルプロ酸はα-シヌクレインの細胞核への移行を阻害することにより神経保護効果を示した。[ 25 ] ボリノスタット PDのα-シヌクレイン過剰発現ショウジョウバエ モデルでは、ボリノスタット(および酪酸ナトリウム)はα-シヌクレイン媒介神経毒性を軽減した。[ 26 ] siRNAによるSIRT2の阻害 SIRT2阻害siRNAによる治療は、α-シヌクレインの神経毒性AK-1またはAGK-2の減少につながる。[ 114 ]
多発性硬化症 多発性硬化症(MS)は、原因が確定していない脱髄性神経変性疾患ですが、自己免疫疾患であると広く考えられています。[ 117 ] 脳と脊髄の神経の脱髄が特徴です。症状は独特で多様ですが、眼や四肢に変性作用を及ぼすものも含まれます。四肢では、しびれや萎縮、ショックのような感覚、麻痺、協調運動障害や振戦として現れることがあります。眼では、多発性硬化症により、かすみ目、複視、痛み、視力低下が生じることがあります。多発性硬化症の影響は体の他の領域にも現れることがありますが、主にこれらの主な症状によって特徴づけられます。これらの症状には、性機能や排泄機能の喪失、てんかんなどが含まれます。多発性硬化症にはいくつかのサブタイプがありますが、ほとんどの場合、この病気は再発性であり、症状の再発が長期間起こらない場合もあり、病気の不確実性を高めています。MSの既知の治療法はありませんが、再発後に機能喪失を回復するための対策を講じることができ、治療的または薬物的手段によって症状を軽減することができます。[ 118 ]
エピジェネティック因子 多発性硬化症に先行する外的要因と、通常は母親に遺伝する性質から、エピジェネティックな原因があると考えられています。MSの発症率を高める可能性のある要因としては、喫煙、ビタミン欠乏、および一部のウイルス感染症の既往歴などが挙げられます。これらはエピジェネティックな変化を誘発する要因です。[ 119 ]
ヒト白血球抗原-DRB1*15アレルヒト白血球抗原-DRB1*15ハプロタイプは、MSの潜在的なリスク因子です。母親のヒト白血球抗原-DRB1*15アレルが子供に受け継がれる可能性が高いため、これは母親からMSがより多く発生する原因となります。HLA-DRB1はエピジェネティックな手段によって制御されていると考えられています。MSとこのアレルの相関関係は、HLA-DRB1のCpGアイランドの低メチル化の存在によるものと推測されており、このアレルを持つ人はこの低メチル化を示す傾向があります。HLA-DRB1エクソン2は、メチル化が制御において重要であることが示されている特定の領域です。研究により、メチル化によって制御されるメカニズムであるHLA-DRB1 DMRの変異が、HLA-DRB1の発現増加を制御し、MSのリスク増加と疾患の発現を示すという証拠がさらに明らかになりました。[ 119 ] [ 120 ]
miRNA 特定のタイプのmiRNAの発現レベルが高いことは、罹患者の脳でよく見られ、これらのタイプのmiRNAとMSとの関連性を示しています。miR-155とmiR-326の発現レベルが高いことは、CD4+T細胞の分化と関連していることが多く、この分化によって自己免疫性脳炎が発生し、喫煙がMSに対する感受性を高めるエピジェネティックな変化を誘発する可能性があると考えられています。miR-18b、miR-493、miR-599、miR-96の発現レベルが高いことは、MSと診断された患者でよく見られます。miR-145の検出は、健康な患者とMS患者を区別する能力があるため、全血検査で90%の高い特異度と89.5%の感度を持つことから、将来有望な診断ツールであると思われます。 MS患者に関連する症状の一つに脳の白質病変があり、これらの病変を生検するとmiR-155、miR-326、miR-34aの発現量が増加していることが示された。これらのmiRNAの過剰発現はCD47のダウンレギュレーションを引き起こし、マクロファージ活性を阻害するCD47の役割によりミエリン貪食につながるため、これらは特に注目に値する。[ 121 ]
DNAメチル化 MS患者は、炎症やミエリン形成因子発現に関与する遺伝子の異常なDNAメチル化パターンを観察することで特定できます。メチル化はゲノム領域であるCpGアイランドで発生し、転写の調節に不可欠です。メチル化されたCpG領域は通常、遺伝子をサイレンシングするメカニズムですが、低メチル化領域は転写を誘導することができます。メチル化阻害剤を使用すると、サイレンシングを阻止することでT細胞の増殖を促進できることが示されています。メチル化パターンの異常は、CD4+T自己反応性細胞の生成を増加させます。ミエリンを調節するMBPの調節因子であるPAD2遺伝子のCpG領域の低メチル化も、MSの発症率の上昇と関連しています。この低メチル化はPAD2遺伝子の過剰発現につながります。これらのパターンは、MS患者の白質で観察されています。メチル化はMSの指標ですが、その影響はMSの部位により特化しており、たとえば、これらのパターンは白質で観察されます。[ 121 ]
ヒストン修飾 多発性硬化症(MS)患者における異常なヒストン修飾は、脳内の病変に見られ、その多くは時間の経過とともに前頭葉の病変で観察される。時間の経過とともに罹患した患者ではヒストンアセチル化の頻度が高くなるが、疾患の初期段階で脳に見られる病変ではヒストンアセチル化の頻度が低いことで相殺される。ヒストン修飾がMSの進行にどのように作用するかのメカニズムは確認されていないが、アセチル化の変化はしばしばこの疾患と関連している。
HDAC阻害剤 トリコスタチン
このHDAC阻害剤を用いた動物実験では、炎症経路の調節と関連した肯定的な反応が観察され、その結果、脳内の炎症反応の発生頻度が低下した。また、マウスがMSの再発期にある場合、障害レベルを低下させるのに効果的であることも示された。トリコスタチンの症状調節のメカニズムはよく分かっていないが、CD4+T細胞のH3およびH4ヒストンのアセチル化を増加させることで作用すると考えられている。MS患者では、これらのヒストンのアセチル化レベルに健常者とは異なる差が見られることが多い。
ボリノスタット
動物実験はヒト骨髄樹状細胞の試験とともに実施された。ボリノスタットの作用機序についてはあまり知られていないが、炎症を誘発するTh1/Th17サイトカインの発現調節が観察され、それによって炎症や脱髄の発生が減少した。トリコスタチンが疾患症状を媒介するのと同様に、T細胞増殖のパターンも減少した。[ 122 ]
バルプロ酸
バルプロ酸は、動物実験において、MSの重症度と持続期間を調節することで疾患を軽減する上で肯定的な結果を示している。そのメカニズムは、miRNAの発現を減少させることである。このようなメカニズムは、ラットにおいてTh1およびTh17をTh2(炎症を誘発する原因)にシフトさせることで観察されており、それによって炎症性サイトカイン、腫瘍媒介メカニズム、および脊髄におけるmiRNAの発現が下方制御される。これは、トリコスタチンやボリノスタットと同様に、その経路への干渉によって増殖を阻害することでT細胞の発現調節が存在するもう1つの例である。VPAのもう1つの効果は、MSラットの脊髄におけるマクロファージおよびリンパ球の増殖を阻害することである。現在、MS患者の症状を軽減するために使用されているHDAC阻害剤はないが、現時点ではいくつかの前臨床試験が行われている。[ 121 ]
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