Identification of lncRNA associated with Liquid-Liquid Phase Separation in ALS

• Project/Area Number: 22K21099
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0908:Society medicine, nursing, and related fields
• Research Institution: Kawasaki Medical School
• Principal Investigator: 山崎 晃 川崎医科大学, 医学部, 助教 (70963354)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 筋萎縮性側索硬化症 / 液-液相分離 / lncRNA / iPS細胞由来運動神経

Outline of Research at the Start

家族性筋萎縮性側索硬化症(ALS)患者の多くはRNA結合タンパク質をコードする遺伝子に変異をもつ。これらは複数のノンコーディングRNA(ncRNA)等と凝集し、液-液相分離と呼ばれる膜を持たない集合体を形成する。ALS患者由来の運動神経細胞では液-液相分離であるストレス顆粒が異常形成されるものの、関与するncRNAについては不明である。本研究では、ALSで発現量が変化しているncRNAをiPS細胞由来運動神経細胞でノックダウンし、ストレス顆粒の異常形成による細胞死抵抗性を指標にスクリーニングすることで、候補ncRNAを同定し、治療標的となるか検証する。

Outline of Annual Research Achievements

筋萎縮性側索硬化症(Amyotrophic lateral Sclerosis; ALS)は、上位・下位運動ニューロンが選択的かつ進行的に変性・消失する神経変性疾患である。病理機序は不明で、家族性ALSの多くでRNA結合タンパク質をコードする遺伝子に変異をもつ。これらは複数のRNA等と凝集し、液-液相分離と呼ばれる膜を持たない集合体を形成する。近年、液-液相分離の骨格として特異的なノンコーディングRNA(ncRNA)が働くことが明らかになってきた。ALS患者由来の運動神経細胞では液-液相分離であるストレス顆粒が異常形成されるものの、関与するncRNAについては不明である。本研究では、ALSで発現量が変化しているncRNAに着目し、(1)ALS患者のiPS細胞から運動神経細胞を作製し、(2)候補ncRNAのノックダウンを行い、(3)ストレス顆粒の異常形成による細胞死への抵抗性を指標にスクリーニングすることで、液-液相分離構造体形成に関わるncRNAを同定し、構造体解消が治療の標的となりうるか検証する。

令和4年度は(1)についてALS患者由来のiPS細胞から運動神経細胞への分化系を検討し、12株で神経細胞への分化を確認した。(2)については候補lncRNAノックダウン用ガイドRNAsデザインを概ね完了した。(3)に関しては液-液相分離を検出するためのマーカー分子の免疫染色系を構築した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当研究計画では次の3つのステップで実験を進めている。(1)ALS患者のiPS細胞から運動神経細胞を作製、(2)候補ncRNAに対するノックダウン系の樹立、(3)ストレス顆粒の異常形成による細胞死に抵抗性を示すncRNAのスクリーニング。
それぞれの進捗状況について、
(1)ALS患者由来のiPS細胞から運動神経細胞への分化系を検討し、12株で神経細胞への分化を確認した。このステップは順調に進展している。(2)ALS患者では特有のRNA発現パターンが報告されており、そのうち有意に発現量が変動しているlncRNAについて、CRISPR/dCas13システムを用いてノックダウンするために、それぞれのガイドRNAをデザインした。さらに、(1)で作製した神経細胞からRNAを抽出し、発現量が変化しているlncRNAを探索している。このステップは、ノックダウン系の構築が全株では完了していないため、やや遅れている。(3)では、液-液相分離を検出するために、その構成要素であるTDP-43およびFUSタンパク質の免疫染色系を構築した。このステップは当初の計画では次年度行う予定であったため、当初想定以上に進展している。
以上から、本課題の研究状況はおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度は引き続き研究計画に従って下記の方針で研究を進める。
・候補ncRNAに対するノックダウン系の樹立について、上期に集中的に取り組み完了させる。
・ストレス顆粒の異常形成による細胞死に抵抗性を示すncRNAのスクリーニングについて、ストレス顆粒の形成は酸化ストレス処理によっておこない、候補ncRNAのスクリーニングを実施する。