α-シヌクレインを介したOPRM1遺伝子の転写調節機構の解明

• Project/Area Number: 20K07862
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52020:Neurology-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 菅野 直人 東北大学, 医学系研究科, 助教 (30509550)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: パーキンソン病 / αシヌクレイン / ヒストン修飾 / エピジェネティクス / バイオインフォマティクス / α-シヌクレイン / αーシヌクレイン

Outline of Research at the Start

パーキンソン病はアルツハイマー病に次いで有病率が高い神経変性疾患であり、αSはこのパーキンソン病の変性過程においてもっとも重要とされるタンパクでる。応募者らは、近年αSのエピジェネティクスにおける役割に注目し検討を重ねてきており、直近の研究においてはαSがヒストンのメチル化修飾を介してOPRM1 (Opioid Receptor Mu 1)の転写調整を行なっている可能性を見出した。OPRM1はパーキンソン病においてドパミン製剤加療中に発現する衝動制御障害の危険因子とされている。 本研究では、αSがエピジェネティクスを介してOPRM1転写を制御する機構を解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

パーキンソン病はアルツハイマー病に次いで有病率が高い神経変性疾患である。パーキンソン病の主となる臨床症状である錐体外路症状(無動、振戦、固縮)に 対してはドパミン補充療法が有効であり、またリハビリテーションや療養環境の充実とあいまった結果、パーキンソン病患者の平均余命は20世紀末にかけ延び続け、現代では一般人口と同一とされる。これは同時にパーキンソン病罹患期間、ならびに治療期間の延長をもたらした。前述のように錐体外路症状に関してはド パミン補充療法が有効であるが、薬剤の特性上ドパミン受容体への刺激はその持続時間やドパミン受容体への刺激プロファイルが必ずしも生理的とはならない。 結果として過剰な刺激は衝動制御障害 (impulse control disorder: ICD)を誘発することがあり、その病的賭博や異常性欲といった徴候は患者本人の社会性を 著しく損なうことから、その後の療養環境において多大な悪影響を及ぼすものである。現代における治療期間の延長はそういった加療に伴う問題へ遭遇する機会 を増やしうるものとなっている。α-シヌクレイン (αS)はパーキンソン病の変性過程においてもっとも重要とされるタンパクである。我々は、αSのエピジェネティクスにおける役割に注目し検討を重ねてきた。本研究において我々は、①αSがヒストンメチル化酵素
PRMT5 (Protein Arginine Methyltransferase 5)を介して、ヒストンH4タンパクのメチル化修飾(H4R3me2s)を増強すること、②本メチル化によって生じるエピジェネティクス変化によって、衝動制御障害 に関わるとされるNRCAM (Neuronal cell adhesion molecule)の発現が調整されること、③この現象は他施設由来のデータセットを用いたバイオインフォマティクス解析でも再現され、普遍性があること、を見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ヒストンH4タンパクの3位アルギニンにおけるジメチル化 (H4R3me2s)は主としてPRMT5によって付与されることがこれまでの多くの報告によって明らかとなっている。テトラサイクリン発現誘導SH-SY5Y細胞モデルにおいてαシヌクレインを過剰発現させる本実験系のモデルにおいては、H4R3me2sによって発現調整を受ける遺伝子として神経細胞接着因子であるNRCAMが絞り込まれた。NRCAMは神経細胞において軸索伸長に関わるタンパクであり、そのノックダウンマウスは、自閉症や衝動制御障害の表現型を示すことが知られている。ヒトにおいても、薬物依存へのリスク遺伝子であることが複数の研究により報告されている。ここまでの研究結果を論文として投稿し、FEBS journalに受理された (PMID: 38105619)。現在はPRMT5に関連するsingle-cell RNA-seqの解析に取り組んでいる。

Strategy for Future Research Activity

研究結果は論文として報告することができたが、幾分の方向性の違いにより全貌をひとつの研究としてまとめることができなかったことより、派生した別の研究として現在取り組んでいる。

Research Products

• [Journal Article] Alpha‐synuclein promotes PRMT5‐mediated H4R3me2s histone methylation by interacting with the BAF complex (2023)
  • Author(s): Nakamura Takaaki、Sugeno Naoto、Hasegawa Takafumi、Ikeda Kensho、Yoshida Shun、Ishiyama Shun、Sato Kazuki、Takeda Atsushi、Aoki Masashi
  • Journal Title: The FEBS Journal Volume: 291 Issue: 9 Pages: 1892-1908
  • DOI: 10.1111/febs.17037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sortilin acts as an endocytic receptor for α‐synuclein fibril (2023)
  • Author(s): Ishiyama Shun、Hasegawa Takafumi、Sugeno Naoto、Kobayashi Junpei、Yoshida Shun、Miki Yasuo、Wakabayashi Koichi、Fukuda Mitsunori、Kawata Yasushi、Nakamura Takaaki、Sato Kazuki、Ezura Michinori、Kikuchi Akio、Takeda Atsushi、Aoki Masashi
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 37 Issue: 7
  • DOI: 10.1096/fj.202201605rr
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of Modified Histones from Oral Mucosa of a Patient with DYT-KMT2B Dystonia (2023)
  • Author(s): Sugeno Naoto、Hasegawa Takafumi、Haginoya Kazuhiro、Kubota Takafumi、Ikeda Kensuke、Nakamura Takaaki、Ishiyama Shun、Sato Kazuki、Yoshida Shun、Koshimizu Eriko、Uematsu Mitsugu、Miyatake Satoko、Matsumoto Naomichi、Aoki Masashi
  • Journal Title: Molecular Syndromology Volume: 14 Issue: 6 Pages: 461-468
  • DOI: 10.1159/000530625
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unraveling the Complex Interplay between Alpha-Synuclein and Epigenetic Modification (2023)
  • Author(s): Sugeno Naoto、Hasegawa Takafumi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 7 Pages: 6645-6645
  • DOI: 10.3390/ijms24076645
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 18F-THK5351 PET imaging in neurodegenerative tauopathies (2021)
  • Author(s): Ezura M, Kikuchi A, Okamura N, Ishiki A, Hasegawa T, Harada R, Watanuki S, Funaki Y, Hiraoka K, Baba T, Sugeno N, Yoshida S, Kobayashi J, Kobayashi M, Tano O, Ishiyama S, Nakamura T, Nakashima I, Mugikura S, Iwata R, Taki Y, Furukawa K, Arai H, Furumoto S, Tashiro M, Yanai K, Kudo Y, Takeda A, Aoki M
  • Journal Title: Front Aging Neurosci Volume: 13 Pages: 761010-761010
  • DOI: 10.3389/fnagi.2021.761010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Case Report: Guitarist’s cramp as the initial manifestation of dopa-responsive dystonia with a novel heterozygous GCH1 mutation (2021)
  • Author(s): Hasegawa T, Hosaka T, Harada R, Kawahata I, Hoshino K, Sugeno N, Kikuchi A, Aoki M
  • Journal Title: F1000 Research Volume: 10 Pages: 361-361
  • DOI: 10.12688/f1000research.51433.1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High prevalence of serum anti-NH2-terminal of α-enolase antibodies in patients with multiple system atrophy and corticobasal syndrome (2021)
  • Author(s): Kikuchi A, Yoneda M, Hasegawa T, Matsunaga A, Ikawa M, Nakamura T, Ezura M, Baba T, Sugeno N, Ishiyama S, Nakamoto Y, Takeda A, Aoki M
  • Journal Title: J Neurol Volume: 268 Issue: 11 Pages: 4291-4295
  • DOI: 10.1007/s00415-021-10553-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Clinical characterization of patients with leucine-rich repeat kinase 2 genetic variants in Japan (2020)
  • Author(s): Li Y、Ikeda A、Yoshino H、Oyama G、Kitani M、Daida K、Hayashida A、Ogaki K、Yoshida K、Kimura T、Nakayama Y、Ito H、Sugeno N、Aoki M、Miyajima H、Kimura K、Ueda N、Watanabe M、Urabe T、Takanashi M、Funayama M、Nishioka K、Hattori N
  • Journal Title: Journal of Human Genetics Volume: ー Issue: 9 Pages: 771-781
  • DOI: 10.1038/s10038-020-0772-4
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Re-analyses of scRNA-seq from human midbrain-like organoids (2023)
  • Author(s): 菅野 直人、中村 貴彬、長谷川 隆文、石山 駿、佐藤 一輝, 吉田 隼、武田 篤、青木 正志
  • Organizer: 第17回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
• [Presentation] αシヌクレインのBAF複合体を介したエピゲノム制御機構の解明 (2023)
  • Author(s): 中村 貴彬、菅野 直人、長谷川 隆文、吉田 隼、石山 駿、佐藤 一輝、青木正志
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Alpha-synuclein repress neuronal gene expression through protein arginine methyltransferase 5 activation (2022)
  • Author(s): Takaaki Nakamura, Naoto Sugeno, Kensho Ikeda, Takafumi Hasegawa, Shun Ishiyama, Shun Yoshida, Michinori Ezura, Akio Kikuchi, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第63回日本神経学会学術大会
• [Presentation] The protective effects of PRMT5 inhibition against alpha-synuclein-induced neurotoxicity (2022)
  • Author(s): Naoto Sugeno, Takaaki Nakamura, Kensho Ikeda, Takafumi Hasegawa, Shun Ishiyama, Shun Yoshida, Michinori Ezura, Akio Kikuchi, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第63回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 遺伝性ジストニアDYT28における非侵襲的ヒストン修飾検出法の検討 (2022)
  • Author(s): 菅野 直人、長谷川 隆文、中村 貴彬、石山 駿、吉田 隼、武田 篤、青木 正志
  • Organizer: 第16回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
• [Presentation] Alpha-synuclein affects transcriptome through interacting with BAF complex (2022)
  • Author(s): Takaaki Nakamura, Naoto Sugeno, Kensho Ikeda, Takafumi Hasegawa, Shun Ishiyama, Shun Yoshida, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第16回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
• [Presentation] Alpha-synuclein affects neuronal gene expression through histone methylation (2021)
  • Author(s): Takaaki Nakamura, Naoto Sugeno, Takafumi Hasegawa, Shun Ishiyama, Shun Yoshida, Junpei Kobayashi, Michinori Ezura, Akio Kikuchi, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Alpha-synuclein affects neuronal gene expression through histone H4R3 symmetrical dimethylation (2021)
  • Author(s): Takaaki Nakamura, Naoto Sugeno, Takafumi Hasegawa, Shun Ishiyama, Shun Yoshida, Junpei Kobayashi, Michinori Ezura, Akio Kikuchi, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第15回パーキンソン病運動障害疾患コングレス
• [Presentation] Alpha-synuclein affects epigenetic profiles through interacting with BAF complex (2020)
  • Author(s): Naoto Sugeno, Takaaki Nakamura, Takafumi Hasegawa, Junpei Kobayashi, Shun Yoshida, Shun Ishiyama, Michinori Ezura, Akio Kikuchi, Atsushi Takeda, Masashi Aoki
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] パーキンソン病の分子病態について (2020)
  • Author(s): 菅野 直人
  • Organizer: 第20回高松国際パーキンソン病シンポジウムin TOKYO
  • Invited