神経エピジェネティクス

神経エピジェネティクスは、遺伝子のエピジェネティックな変化が神経系にどのような影響を与えるかを研究する学問です。これらの変化は、依存症、認知、神経発達などの根本的な症状に影響を及ぼす可能性があります。

神経エピジェネティック機構は、ニューロンにおける遺伝子発現を調節する。多くの場合、これらの変化は反復刺激により起こる。神経エピジェネティック機構には、メチル化やアセチル化などのエピジェネティックマークを追加、編集、または読み取ることによって遺伝子発現を調節するタンパク質またはタンパク質経路が関与する。これらの機構には、ATP依存性クロマチンリモデリング、LINE1、およびプリオンタンパク質ベースの修飾が含まれる。その他のサイレンシング機構には、DNAをメチル化する特殊タンパク質のリクルートメントがあり、その結果、コアプロモーター要素が転写因子およびRNAポリメラーゼにアクセスできなくなる。その結果、転写は不可能になる。そのようなタンパク質経路の1つが、RESTコリプレッサー複合体経路である。また、エピジェネティックレベルで神経機能を調節する非コードRNAもいくつかある。これらの機構は、神経ヒストンのメチル化とともに、シナプスの配置、神経可塑性に影響を及ぼし、学習と記憶において重要な役割を果たしている。

DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）は、CpGのメチル化を介して脳の電気生理学的ランドスケープの調節に関与しています。いくつかの研究では、神経成熟中のDNMT1活性の阻害または枯渇は、クロマチン内のメチル化マークを維持する細胞の能力を奪い、ニューロンの低メチル化につながることが示されています。このメチル化マークの段階的な喪失は、用量感受性である可能性のある重要な発達遺伝子の発現の変化につながり、神経変性につながります。これは、マウス前脳の背側の成熟ニューロンで観察され、DNMT1が存在しない場合に神経変性が著しく多く、神経シグナル伝達が不良でした。DNMT1が枯渇したニューロンの生存率は低かったにもかかわらず、一部の細胞は生物の生涯を通じて存続しました。生き残った細胞は、DNMT1の喪失が神経細胞ゲノムの低メチル化につながったことを再確認しました。これらの細胞は神経機能も低下していました。実際、これらのモデル生物では神経機能の全体的な喪失も観察され、最も多くの神経変性が前脳で発生していました。^[1]

他の研究では、 DNMT3aとDNMT3bの傾向が示されました。しかし、これらの DNMT は、 DNMT1 とは異なり、メチル化されていない DNA に新しいメチルマークを追加します。DNMT1 と同様に、 DNMT3a と 3b の喪失は、 DNMT3a がメチル化マークを維持するために定期的に機能していないにもかかわらず、生後 2 か月で神経筋変性を引き起こし、変異細胞の子孫の生存率が低下しました。この難問は、成熟ニューロンで DNMT3a が維持 DNMT として機能するまれな遺伝子座を記録した他の研究によって解決されました。アストロサイトの細胞骨格の形成と制御をコードするGfap 遺伝子座は、この活動が観察されるそのような遺伝子座の 1 つです。この遺伝子は定期的にメチル化され、神経膠腫関連の癌を下方制御します。DNMT 阻害は、メチル化の減少とシナプス活動の増加につながります。^[2]いくつかの研究は、メチル化に関連したシナプス活動の増加または減少は、神経シナプスにおける受容体の上方制御または下方制御により起こることを示している。このような受容体の制御は、「闘争・逃走」反応などの多くの重要なメカニズムで主要な役割を果たす。グルココルチコイド受容体（GR）は、これらの受容体の中で最も研究されている。ストレスの多い状況では、下垂体から始まり、副腎からの負のフィードバックループにより終了するシグナル伝達カスケードがある。このループでは、ストレス反応ホルモンのレベルが上昇すると、GRが上昇する。GRが上昇すると、ホルモンレベルに対する細胞反応が低下する。GR遺伝子座内のI7エクソンのメチル化は、マウスの基礎GR発現レベルの低下につながることがわかっている。これらのマウスは、I7エクソンのメチル化レベルが低いマウスとは対照的に、高レベルのストレスに対してより感受性が高かった。メチル化による受容体の上方制御または下方制御は、ニューロンのシナプス活動の変化につながります。

CpG アイランド(CGI) は、転写開始またはエンハンサー活性を許可または妨害することで遺伝子発現に影響を与えることができる調節要素です。CGI は一般に、影響を受ける遺伝子のプロモーター領域に散在していますが、複数のプロモーター領域に影響を与えることもあります。さらに、エンハンサー要素を含み、転写開始部位から離れている場合もあります。主要な CGI での過剰メチル化は、腫瘍抑制遺伝子の発現を効果的に抑制することができ、神経膠腫でよく見られます。腫瘍抑制遺伝子とは、細胞の癌への進行を阻害する遺伝子です。これらの遺伝子は、細胞周期イベントを制御する重要な機能と一般的に関連しています。^[3]たとえば、PI3Kおよびp53経路は CGI プロモーター過剰メチル化の影響を受けます。これには、CDKN2/p16、RB、PTEN、TP53、p14ARF 遺伝子のプロモーターが含まれます。重要なことに、神経膠芽腫はCGI/プロモーター部位でメチル化の頻度が高いことが知られています。例えば、上皮膜タンパク質 3 (EMP3) は、細胞増殖と細胞間相互作用に関与する遺伝子です。腫瘍抑制因子としても機能すると考えられており、神経膠芽腫では過剰メチル化によってサイレンシングされることが示されています。さらに、EMP3 サイレンシングされた神経芽細胞にこの遺伝子を導入すると、コロニー形成が減少し、腫瘍の成長が抑制されます。^[4]対照的に、プロモーター部位の過剰メチル化は、がん遺伝子の活動を抑制し、腫瘍形成を防ぐこともできます。形質転換成長因子 (TGF)-β シグナル伝達経路などのがん経路は、細胞の増殖を刺激します。神経膠芽腫では、この経路の過剰活性が腫瘍の攻撃的な成長と関連しています。TGF -β の標的である PDGF -Bの過剰メチル化は、制御されていない増殖を抑制します。 ^[5]

メチル化の全体的な低下は腫瘍形成に関係している。より具体的には、広範囲にわたるCpG脱メチル化が全体的な低メチル化に寄与し、腫瘍の発生につながるゲノム不安定性を引き起こすことが知られている。^{[3] [6]}このDNA修飾の重要な効果は、がん遺伝子の転写活性化である。例えば、低メチル化によって増強されたMAGEA1の発現はp53の機能を阻害する。^[7]

ヒストン修飾の異常なパターンが特定の遺伝子座で発生し、最終的に遺伝子の活性が操作されることもあります。CGI プロモーター部位に関しては、メチル化とアセチル化の喪失は H3K9 で頻繁に発生します。さらに、H3K9 のジメチル化とトリメチル化は抑制マークであり、二価の差次的メチル化ドメインとともに、腫瘍抑制遺伝子のサイレンシングを受けやすくすると考えられています。神経膠芽腫におけるメチル化の異常な存在または欠如は、アポトーシス、DNA 修復、細胞増殖、および腫瘍抑制を制御する遺伝子と強く関連しています。神経膠芽腫の形成に寄与する異常なメチル化の影響を受ける遺伝子の最もよく知られた例の 1 つはMGMTです。これは DNA 修復に関与する遺伝子で、タンパク質 O6-メチルグアニン-DNA メチルトランスフェラーゼをコードしています。MGMTプロモーターのメチル化は、神経膠芽腫を標的とするアルキル化剤の有効性を予測する重要な因子です。^[8] MGMTプロモーターの過剰メチル化は転写サイレンシングを引き起こし、神経膠腫、リンパ腫、乳がん、前立腺がん、網膜芽細胞腫などのいくつかの癌種で発見されています。^[9]

神経可塑性とは、脳が繰り返し起こる刺激に反応してシナプス再配置を起こす能力のことです。ニューロトロフィンタンパク質は、他の要因の中でも特にシナプス再配置において重要な役割を果たしています。ニューロトロフィンBDNFまたはBDNFシグナル伝達の枯渇は、アルツハイマー病、ハンチントン病、うつ病などの疾患発症の主な要因の1つです。^[10]神経可塑性は、メチル化やアセチル化などの標的エピジェネティック修飾の結果として発生することもあります。特定の繰り返し刺激にさらされると、特定の遺伝子座の脱メチル化と、その特定の刺激への反応につながるパターンでの再メチル化が起こります。ヒストンリーダーと同様に、イレイザーとライターも、それぞれ修飾マークを削除および追加することでヒストンを修飾します。イレイザーであるneuroLSD1は、ニューロンにのみ存在し、ニューロンの成熟を助ける元のリジン脱メチル化酵素1（LSD1）の修飾バージョンです。 LSD1 の両バージョンは同じターゲットを共有していますが、その発現パターンは大きく異なり、neuroLSD1 は LSD1 の短縮バージョンです。NeuroLSD1 は、細胞成熟に関与する前初期遺伝子 (IEG)の発現を増加させます。反復刺激は neuroLSD1 の差次的発現につながり、遺伝子座の再配置につながります。消しゴムは、多くの複雑な行動の学習において主要な役割を果たすと考えられており、遺伝子が環境と相互作用する方法でもあります。

アルツハイマー病（AD）は、記憶に徐々に影響を及ぼし、認知機能の低下を引き起こすことが知られている神経変性疾患です。全体的および特定の候補遺伝子の両方におけるエピジェネティックな修飾が、この疾患の病因に寄与していると考えられています。いくつかの研究にわたる死後脳組織の免疫組織化学分析により、対照群と比較して、AD患者では5-メチルシトシン（5mC）と5-ヒドロキシメチルシトシン（5hmC）の両方が全体的に減少していることが明らかになりました。 ^{[11]しかし、矛盾する証拠は、同じ組織でこれらのエピジェネティックマーカーのレベルが上昇していることを示しています。さらに、これらの修飾は、ADの}病態生理学に関連する組織で早期に影響を受けるようです。^[12]遺伝子のプロモーターでの5mCの存在は、一般的に遺伝子サイレンシングに関連しています。 5hmCは5mCの酸化産物で、テンイレブントランスロカーゼ（TET）を介して生成され、遺伝子発現の活性化に関与していると考えられているが、この活性化のメカニズムは完全には解明されていない。^{[13] [14]}

研究間でメチローム解析の結果にばらつきがあるにもかかわらず、脳内の細胞の分化と老化に伴って5hmCの存在が増加することが知られています。さらに、5hmCの有病率が高い遺伝子は、他の加齢性神経変性疾患の病理にも関与しており、イオン輸送、神経発達、細胞死の重要な調節因子です。^{[15] [16]} たとえば、アラキドン酸から炎症誘発性メディエーターを生成する酵素である5-リポキシゲナーゼ（5-LOX）のAD脳での過剰発現は、5-LOX遺伝子プロモーター領域での5hmCの有病率の高さと関連しています。^[17]

さまざまな転写部位での DNA 修飾が神経変性疾患に寄与していることが示されています。これらには、筋萎縮性側索硬化症(ALS) に関連する運動ニューロンの機能に見られるような有害な転写変化が含まれます。ALS 患者の筋萎縮に寄与する上位および下位運動ニューロンの変性は、主要な遺伝子群のクロマチン修飾に関連しています。エピジェネティック イベントによって制御される重要な部位の 1 つは、染色体 9p21内の C9orf72 の 6 ヌクレオチド繰り返し配列の拡大です。C9orf72 関連 CpG アイランドの過剰メチル化は、ALS 影響組織の繰り返し配列の拡大と関連していることが示されています。^[18]全体として、C9orf72 遺伝子のサイレンシングはハプロ不全につながる可能性があり、そのため疾患の症状に影響を及ぼす可能性があります。クロマチン修飾因子の活性は ALS の有病率にも関連しています。 DNMT3Aは重要なメチル化剤であり、ALS患者の中枢神経系全体に存在することが示されています。さらに、このde novoメチルトランスフェラーゼの過剰発現は、運動ニューロン類似体の細胞死にも関与していることが示唆されています。^[19]

RNA/DNA結合タンパク質をコードするFUS遺伝子の変異は、ALSと因果関係がある。このような変異を持つALS患者は、DNA損傷レベルが上昇している。^{[20] [21]} FUS遺伝子によってコードされるタンパク質は、DNA損傷応答に利用される。これはDNA二重鎖切断にリクルートされ、そのような切断の組換え修復を触媒する。DNA損傷に反応して、FUSタンパク質はヒストンのエピジェネティックな変化に利用されるタンパク質であるヒストン脱アセチル化酵素Iとも相互作用する。この相互作用は、効率的なDNA修復に必要である。^[20] これらの知見は、エピジェネティックなシグナル伝達とDNA修復の欠陥がALSの発症に寄与していることを示唆している。^[20]

脳細胞の DNA プロファイルにおける多数の遺伝的およびエピジェネティックな変化は、腫瘍形成に関連していると考えられています。これらの変化は、タンパク質機能の変化とともに、制御不能な細胞増殖、拡大、転移を引き起こすことが示されています。欠失、転座、増幅などの遺伝的イベントは、がん遺伝子の活性化と腫瘍抑制遺伝子の不活性化を引き起こしますが、エピジェネティックな変化は、重要なクロマチン修飾を通じてこれらの同じ遺伝子をサイレンシングまたはアップレギュレーションします。

神経毒性とは、化学的、生物学的、または物理的な毒素への曝露により中枢神経系または末梢神経系に生じる損傷を指します。神経毒性はどの年齢でも発生する可能性があり、その影響は神経毒の作用機序と曝露の程度に応じて短期的または長期的になる可能性があります。

特定の金属は、主要な生化学的および生理学的経路での役割から必須であると考えられていますが、残りの金属は非必須であると特徴付けられています。非必須金属はどの生物学的経路でも目的を果たさず、ほとんどの非必須金属が脳内に存在し蓄積すると神経毒性を引き起こす可能性があります。これらの非必須金属は、体内で必須金属と結合部位を競合し、抗酸化バランスを崩し、脳内での蓄積はうつ病や知的障害などの有害な副作用につながる可能性があります。^[22]空気、水、食品源、家庭用品中の非必須重金属濃度の上昇により、慢性的な曝露のリスクが高まっています。

アセチル化、メチル化、ヒストン修飾は、最も一般的なエピジェネティックマーカーの一部です。これらの変化はDNA 配列に直接影響を及ぼしませんが、遺伝子発現に必要なプロモーター領域やエンハンサー領域などの遺伝子構成要素へのアクセス性を変えることができます。研究では、母親が長期間鉛(Pb) にさらされると、 Alu1や LINE-1などの間隔反復配列 (IRS) の胎児エピゲノム領域におけるメチル化が減少することが示されています。 ^{[23]これらの IRS の低メチル化は、後の人生における}がんや自己免疫疾患のリスク増加に関連しています。^{[24]さらに、研究では、慢性的な出生前 Pb 曝露と}アルツハイマー病や統合失調症などの神経疾患、および発達の問題との間に関係があることがわかっています。さらに、鉛への過剰曝露によって誘発されるアセチル化とメチル化の変化は、神経新生とニューロン分化能力の低下をもたらし、結果として早期の脳の発達を妨げる。^[25]

必須金属への過剰曝露もエピゲノムに有害な影響を及ぼす可能性がある。例えば、マンガンは通常は補因子として体内で使用される金属だが、血液中に高濃度で存在すると中枢神経系に悪影響を及ぼす可能性がある。研究によると、マンガンの蓄積はドーパミン作動性細胞の死につながり、その結果パーキンソン病（PD）の発症に関与している。パーキンソン病の特徴は、脳内のα-シヌクレインの蓄積である。マンガンへの曝露が増加すると、アセチル化の減少によってタンパク質キナーゼCデルタ（PKCδ）のダウンレギュレーションが起こり、α-シヌクレインタンパク質のミスフォールディングが起こり、凝集が可能になり、ドーパミン作動性細胞のアポトーシスが誘発される。 ^{[26] [27]}

この分野は、DNAに加えられた微細な変更をより正確に解析できる技術の進歩により、最近になってようやく関心が高まり、研究も拡大している。しかし、技術が大きく進歩したにもかかわらず、認知や依存症などの神経現象の生物学を研究するには、独自の課題が伴う。認知プロセスの生物学的研究、特に人間を対象とした研究には、多くの倫理的な注意事項がある。レット症候群の人の脳生検などの一部の手順では、通常、死亡した個人の脳からのみ抽出できる新鮮な組織サンプルが必要となる。このような場合、研究者は脳組織サンプルの年齢を制御できないため、研究の選択肢が制限される。アルコールなどの物質への依存症の場合、研究者はマウスモデルを使用して、人間版の病気を再現する。しかし、より顕著な表現型を得るために、マウスモデルには人間が通常消費する量よりも大量のエタノールが投与される。したがって、モデル生物と組織サンプルは神経学的現象の生物学の正確な近似値を提供しますが、これらのアプローチは表現型または疾患の基礎となる正確なプロセスの完全かつ正確な画像を提供しません。

神経エピジェネティクスもまた、成熟したニューロンの遺伝子修飾をエピジェネティック現象として分類することに関する論争のため、未発達のままでした。この議論は、ニューロンが成熟後に有糸分裂を起こさないという事実から生じますが、従来のエピジェネティック現象の定義では、親から子へと受け継がれる遺伝的変化が強調されています。しかし、ニューロンでは、 DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）などのエピジェネティック修飾因子によってさまざまなヒストン修飾が行われ、これらのマークがニューロンの生涯を通じて遺伝子発現を制御します。これらの修飾は、脳内の遺伝子発現とシナプスの配置に大きく影響します。最後に、これらのマークのほとんどは、遺伝はされませんが、クロマチン上に配置されると、細胞の生涯を通じて維持されます。