2019 Fiscal Year Annual Research Report
An ALS2-linked functional cellular network-based study on molecular mechanisms of selective upper motor neuron degeneration in ALS
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19H03551
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
秦野 伸二 東海大学, 医学部, 教授 (60281375)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 啓志 東海大学, 工学部, 准教授 (40533625)
大友 麻子 東海大学, 医学部, 助教 (50535226)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 筋萎縮性側索硬化症 / 運動ニューロン / ALS2 / iPS細胞 / マイクロ流体デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
筋萎縮性側索硬化症(ALS)は、上位および下位運動ニューロンの選択的変性・脱落を特徴とする神経変性疾患である。近年、下位運動ニューロンの変性メカニズム研究が格段に進展しているなか、上位運動ニューロンに関する研究はほとんど進んでいない。これまで我々は、上位運動ニューロン優位に変性する家族性2型ALSに注目し、その原因遺伝子産物であるALS2分子ネットワーク機能を明らかにしてきた。さらに最近、ヒトiPS細胞から上位運動ニューロンの特徴を有する神経細胞の分化培養法の確立にも成功した。本研究は、これらの研究成果を発展させ、世界初となるヒト上位運動ニューロン変性モデルを作製し、ALS2分子ネットワーク異常を中軸にした細胞機能解析を行うことにより、ALS患者における上位運動ニューロン変性分子メカニズムの解明に挑むものである。本研究計画では、①ヒトiPS細胞の上位運動ニューロンへの分化誘導と長期培養法の確立、②マイクロ流体デバイスを用いたオルガネラ動態の時間空間的解析、③ALS2分子ネットワークを介したオルガネラ動態調節分子メカニズムの解析、の3つの研究テーマについて研究を進めている。研究初年度である令和元年度は、テーマ③についての成果が得られた。具体的には、ALS2と新規ALS2結合タンパク質であるRab17の結合を介した新たなオルガネラネットワークの存在を明らかにした。Rab17はリサイクリングエンドソーム動態に関連する低分子量Gタンパク質であるが、Rab17陽性小胞の細胞内動態をALS2が制御していることを新たに発見した。この研究成果により、ALS2の機能喪失により引き起こされる疾患発症機構にALS2-Rab17機能連関が関与しているものと推察された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究計画では、以下の示す3つの研究テーマについての検討を進めている。本研究計画で掲げる3つのテーマについて以下に示す様な進捗状況であり、研究はほぼ順調に進捗している。テーマ①：ヒトiPS細胞の上位運動ニューロンへの分化誘導と長期培養法の確立：これまでに確立した手法を用いて、健常者、ALS2患者のiPS細胞から上位及び下位運動ニューロン様神経細胞へ分化誘導及び長期培養を安定的に可能にする条件の最適化を目指している。研究は順調に進捗しているが、培養法に関する研究であるため成果を発表するレベルではない。テーマ②：マイクロ流体デバイスを用いたオルガネラ動態の時間空間的解析：マイクロデバイス上でのヒトiPS細胞由来の運動ニューロン様神経細胞の分化・培養条件（ECMコーティング法、播種、軸索誘因制御）、及びデバイス設計の最適化についての検討を継続している。該当年度は、特にマウス初代培養神経細胞に適した独自のマイクロデバイスとは異なる、ヒトiPS細胞から分化誘導した神経細胞に適した新たなマイクロデバイスの設計・作製・検証を繰り返している。研究は順調に進捗しているが、成果を発表するレベルではない。テーマ③：ALS2分子ネットワークを介したオルガネラ動態調節分子メカニズムの解析：本研究課題では、1) ALS2分子複合体構造と細胞内でのALS2活性化の分子メカニズム解析と2) ALS2結合分子群によるオルガネラ動態制御メカニズムの解析の2つの課題に取り組んでいる。1）については特にALS2の高次構造・化学修飾と細胞内動態の解析を継続している。また、2)については、ALS2と新規ALS2結合タンパク質であるRab17の結合を介した新たなオルガネラネットワークの存在を明らかにした。上位運動ニューロン疾患原因遺伝子産物ALS2の機能・構造解析については、順調に進捗しており、一定の研究成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、おおむね順調に進んでおり、研究計画の修正及び変更の必要はない。従って、次年度以降も当初の研究計画に従って3つの研究テーマに関する研究を遂行する計画である。テーマ①：ヒトiPS細胞の上位運動ニューロンへの分化誘導と長期培養法の確立：健常者、ALS2患者のiPS細胞から上位及び下位運動ニューロン様神経細胞へ分化誘導する。下位運動ニューロン様神経細胞および上位運動ニューロン様神経細胞の長期培養を安定的に可能にする条件の最適化を目指す。テーマ②：マイクロ流体デバイスを用いたオルガネラ動態の時間空間的解析：デバイス上でのヒトiPS細胞由来の運動ニューロン様神経細胞の分化・培養条件（ECMコーティング法、播種、軸索誘因制御）、及びデバイス設計の最適化を図るとともに、異種細胞（神経＋筋細胞）の共培養法について、独自の方法の確立を目指す。また、画像処理ソフトについては開発を継続する。テーマ③：ALS2分子ネットワークを介したオルガネラ動態調節分子メカニズムの解析：未だ未解決であるヒト上位運動ニューロン変性分子メカニズムを解明するため、ALS2のリン酸化を含めた修飾と活性化の関連を解析し、ALS2の上流因子と下流因子の全容とその制御系を、主に生化学的ならびに細胞生物学的手法を用いて分子レベルで明らかにする。また、これまでに明らかにされているRab5を介するオートファジー・エンドリソソーム系調節に加え、Rab17、Rab30、NEK1、及びC21orf2等のALS2結合因子に注目し、ALS2とリサイクリングエンドソーム、ミトコンドリア、ゴルジ体、一次繊毛、中心体との関連について分子レベルで明らかにする。
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[Journal Article] ALS2, the small GTPase Rab17-interacting protein, regulates maturation and sorting of Rab17-associated endosomes.2020
Author(s)
Ono, S., Otomo, A., Murakoshi, S., Mitsui, S., Sato, K., Fukuda, M., and Hadano, S.
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Journal Title
Biochem. Biophys. Res. Commn.
Volume: 523
Pages: 908-915
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Neural cell-specific SQSTM1 deficiency accelerates the onset of disease in an ALS mouse model.2020
Author(s)
Mitsui, S., Ishiyama, M., Shimakura, K., Sato, K., Ono, S., Otomo, A., Ishii, T., Yanagawa, T., Aoki, M., and Hadano, S.
Organizer
Keystone Symposia on Molecular and Cellular Biology, Brain Therapeutics: Disruptive Technologies and Opportunities
Int'l Joint Research
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[Presentation] ALS2 along with a novel ALS2 interacting protein Rab30 regulates morphological integrity and functions of the Golgi apparatus.2019
Author(s)
Otomo, A., Onodera, W., Matsui, K., Sato, K., Mitsui, S., Ono, S., Fukuda, M., and Hadano, S.
Organizer
30th International Symposium on ALS/MND
Int'l Joint Research
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[Presentation] A microdevice-based method for quantifying endolysosomal and mitochondrial axonal transport in neurons derived from a mouse model of ALS.2019
Author(s)
Otomo, A., Kushida, T., Ishida, T., Araki, R., Sato, K., Mitsui, S., Ono, S., Kimura, H., and Hadano, S.
Organizer
30th International Symposium on ALS/MND
Int'l Joint Research
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[Presentation] Phosphorylation state of ALS2/alsin alters its intracellular localization and endosome dynamics.2019
Author(s)
Shimakura, K., Sato, K., Mitsui, S., Ono, S., Otomo, A., and Hadano, S.
Organizer
30th International Symposium on ALS/MND
Int'l Joint Research
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[Presentation] ALS2 controls the intracellular localization of small GTPase Rab17 and regulates endosome maturation.2019
Author(s)
Ono, S., Murakoshi, S., Sato, K., Mitsui, S., Otomo, A., Fukuda, M., and Hadano, S.
Organizer
ASCB/EMBO 2019 meeting
Int'l Joint Research
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