Research

はじめに

1. ヒトは多種多様であることを遠い昔に選んだ生物の子孫です. Humans are the descendants of creatures that chose long ago to be diverse.: ヒトは受精卵から様々な発生過程を経て成長していきます。元来生物は細胞分裂で増えることで親と子は同じ遺伝子を持つものでした。しかし、ヒトの遠い祖先にあたる生物は両親からそれぞれ遺伝子を受け継ぎ、さらに様々な遺伝子の変化を許容することにより、子が両親や兄弟とは異なる遺伝子をもつという選択肢をとりました。そのためヒトは様々で個々に違うことが当然であり、それが種全体としては、環境の変化に強い、力を合わせることできる、などのとても魅力的な形質につながっています。

Human beings grow from a fertilized egg through a variety of developmental processes. Originally, organisms multiplied through cell division, so that parents and offspring had the same genes. However, our distant ancestors inherited genes from both parents and allowed for a variety of genetic changes so that the child could have different genes from its parents and siblings. As a result, humans are naturally diverse and different from each other, and this has led to some very attractive traits for the species as a whole, such as the ability to withstand changes in the environment and to work together.
2. 老化と加齢関連疾患. Aging and Age-Related Diseases.: この形質のためにヒトには”世代を超えてつながる生殖細胞”と”それを守る体細胞”があります。ヒトが若い世代を育みながら老いる様に、体細胞は生殖細胞を守る長い年月の間にDNA等に障害を蓄積していきます。加齢とともに核の中の傷ついたDNAは、核膜から漏れ細胞質に出てしまいます。そのことが様々な老化関連の現象を惹起することがわかっています。

私は老化には抗えないのではないかと考えています。しかし病気の中には、認知症や運動障害のように老化と強い関係があり、予防や治療を必要としているものがあります。これら加齢関連疾患は完全には老化とイコールではありません。年をとって筋萎縮などがあっても認知機能のしっかりした方がいるように、老化と各種の加齢関連疾患は分離可能なものであるはずです。

私達は様々な加齢関連疾患に共通する細胞内のイベント、一方でそれぞれの加齢関連疾患に固有の誘引、それらを同定する研究を行っています。そしてパーキンソン病、アルツハイマー病、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、多系統萎縮症、心不全、サルコペニア、肝不全、非アルコール性脂肪性肝炎（NASH）、腎不全などの難病の病態を解明しようとしています。

For this trait, humans have "germ cells" that are linked across generations and "somatic cells" that protect them. Just as humans age while nurturing younger generations, somatic cells accumulate damage to their DNA and other components over the years as they protect germ cells. As we age, damaged DNA in the nucleus leaks from the nuclear membrane and exits into the cytoplasm. This has been shown to cause a variety of aging-related phenomena.

I believe that aging is irresistible. However, some diseases, such as dementia or movement disorders, are strongly related to aging and require prevention and treatment. These age-related diseases are not completely equal to aging. Aging and various age-related diseases should be separable, just as some people have strong cognitive functions even though they are old and have muscle atrophy.

We are working to identify the intracellular events that are common to various age-related diseases, and on the other hand, the triggers that are unique to each age-related disease. We are trying to understand the pathogenesis of intractable diseases such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, amyotrophic lateral sclerosis (ALS), multiple system atrophy, heart failure, sarcopenia, liver failure, non-alcoholic steatohepatitis (NASH), and renal failure.
3. 発生と発達障害. Development and Developmental Disorders.: ヒトは様々で個々に違うことがかえがたい魅力である一方で、多種多様であること、遺伝子の変化が起こりやすいことなどから、ある時代・ある環境では生きることによりチャレンジを要するヒトもたくさんいます。

小型魚類は発生過程の観察が容易であり、発生過程に起きる発達障害の研究に適しています。中でも特に神経精神に関連した発達障害に焦点を当て、その新しいメカニズムを見出すことで、障害の理解につなげます。

While the fact that humans are diverse and different is an irresistible attraction, there are also many humans who need more challenges to survive in a certain era and environment due to their diversity and susceptibility to genetic changes.

Small fishes are suitable for the study of developmental disorders because the developmental process is easy to observe. In particular, we will focus on developmental disorders of neuropsychiatric system, and discover new mechanisms that will lead to a better understanding of these disorders.

これまでの研究の例

1. アフリカメダカは加齢のみでパーキンソン病の表現型を呈する. African killifish develop Parkinson's disease phenotype only with aging.: 私たちはこれまで主にメダカやゼブラフィッシュを用いて薬物の添加や遺伝子改変により様々なパーキンソン病モデルを作製してきました。それらはパーキンソン病の病態の理解に役立ってきましたが、患者さんの大部分を占める孤発性パーキンソン病の病態を模すモデル動物の作製はやはり困難でした。

We have created various models of Parkinson's disease by adding drugs or genetic modification, mainly using medaka and zebrafish. Although these models have been useful for understanding the pathogenesis of Parkinson's disease, it has been difficult to create animal models that mimic the pathogenesis of idiopathic Parkinson's disease, which accounts for the majority of patients.

小型魚類の脳のドパミン神経、ノルアドレナリン神経です。左が吻側、右が尾側の脳にです。どれが大脳かわかりますか？

These are dopaminergic and noradrenergic neurons in the brains of small fishes. On the left is the rostral side and on the right is the caudal side of the brain. Can you tell which one is the cerebrum?

ところで魚には様々な利点がありますが、その一つに魚類が多種多様であるということが挙げられます。アフリカのモザンビークには短い雨季の間にだけできる水たまりがあります。その水たまりは乾季には乾燥してしまいます。しかしそこに短い雨季の間だけ魚がいます。彼らはどんなに長生きしたくても、水がなくなれば死んでしまいます。乾燥に強い卵を土の中に埋め、それが雨季に孵化することで種として存続してきました。そのため長生きの形質が選択されず、脊椎動物の中で最も（あるいは2番目に）短命です。

Fish, by the way, have many advantages, one of which is the great variety of fish species. In Mozambique, Africa, there are puddles of water that form only during the short rainy season. These puddles dry up during the dry season. But there are fish there only during the short rainy season. No matter how long they want to live, they will die if there is no water. They have been able to survive as a species by burying their drought-resistant eggs in the soil, which hatch during the rainy season. As a result, they have not been selected for long-lived traits and are the shortest (or second shortest) of all vertebrates.

私たちはパーキンソン病などの加齢依存性の疾患は背景に老化があることで発症しやすくなると考えました。そこでこのアフリカメダカを解析したところ、加齢のみでドパミン神経の変性、αシヌクレインの蓄積といったヒトパーキンソン病に類似の表現型を呈することがわかりました (Matsui et al., Cell Rep, 2019)。またこの魚の脳と、人の脳のαシヌクレインの翻訳後修飾を詳細に解析した結果、パーキンソン病におけるαシヌクレインの神経毒性に関係すると考えられるT64リン酸化の存在を報告しました。また、このT64リン酸化はαシヌクレインのoligomer形成に異常をきたし毒性を発揮することを明らかにしています (Matsui et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2023)。

We thought that age-dependent diseases, such as Parkinson's disease, would be more likely to develop due to the presence of aging in the background. When we analyzed the African killifish, we found that it exhibited phenotypes similar to human Parkinson's disease, such as degeneration of dopaminergic neurons and accumulation of alpha-synuclein, due to aging alone (Matsuiet al., Cell Rep, 2019). In addition, detailed analysis of post-translational modifications of α-synuclein in fish brain and human brain revealed the presence of T64 phosphorylation, which is thought to be related to the neurotoxicity of α-synuclein in Parkinson's disease. We have also shown that this T64 phosphorylation causes abnormal oligomer formation of α-synuclein, resulting in toxicity (Matsui et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2023).

アフリカメダカは５カ月程度の加齢とともに、ドパミン神経の変性やαシヌクレインの蓄積といったヒトのパーキンソン病に類似した病理変化をきたします。 αシヌクレインがT64部位でリン酸化をされることにより、αシヌクレインのT64リン酸化が異常な複合体の形成につながり、結果リソソーム機能障害やミトコンドリア機能障害、ひいては細胞毒性や神経細胞死につながると考えられる。
African killifish develop pathological changes similar to Parkinson's disease in humans, such as degeneration of dopaminergic neurons and accumulation of alpha-synuclein, with aging of about 5 months. The T64 phosphorylation of α-synuclein can lead to the formation of abnormal oligomer complexes, resulting in lysosomal dysfunction, mitochondrial dysfunction, and ultimately cytotoxicity and neuronal cell death.
2. 異所性のミトコンドリアDNAが惹起する神経変性. Neurodegeneration induced by ectopic mitochondrial DNA.: パーキンソン病を模すような処置をした培養細胞やゼブラフィッシュではミトコンドリアのDNAがミトコンドリア外に漏出します。
In cultured cells and zebrafish treated to mimic Parkinson's disease, mitochondrial DNA leaks out of the mitochondria.

これまで私達はパーキンソン病に関する病態解析や新規モデルを多数報告してきました（Nyuzuki et al., IBRO Rep, 2020; Matsui et al., PLOS ONE, 2017, Uemura et al., PLOS Genet 2015; Matsuiet al., FEBS Lett, 2013; Matsuiet al., Hum Mol Genet, 2013; Flinn et al., Ann Neurol, 2013; Matsuiet al., J Neurochem, 2010a; Matsuiet al., J Neurochem, 2010b; Matsui et al., Neurosci Res, 2010; Matsui et al., Neurosci Res, 2009等）。ここでは最新のものについて記載します。

We have reported many pathological analyses and novel models for Parkinson's disease（Nyuzukiet al., IBRO Rep, 2020; Matsuiet al., PLOS ONE, 2017, Uemura et al., PLOS Genet2015; Matsuiet al., FEBS Lett, 2013; Matsuiet al., Hum Mol Genet, 2013; Flinn et al., Ann Neurol, 2013; Matsuiet al., J Neurochem, 2010a; Matsui et al., J Neurochem, 2010b; Matsuiet al., Neurosci Res, 2010; Matsuiet al., Neurosci Res, 2009, etc.）. The latest version is described here.

パーキンソン病は運動障害やそれ以外の多彩な症状を呈する神経難病の1つであり、未だにその病態には不明な点が多く残されています。パーキンソン病の病態にミトコンドリア機能障害やリソソーム機能障害が関わっていることは以前より示唆されてきましたが、その詳細なメカニズムはわかっていませんでした。

Parkinson's disease is one of the most common neurological intractable diseases with a wide variety of symptoms, including movement disorders, and many aspects of its pathogenesis remain unknown. It has been suggested that mitochondrial dysfunction and lysosomal dysfunction are involved in the pathogenesis of Parkinson's disease, but the detailed mechanisms have not yet been elucidated.

本研究では、リソソーム中のDNase IIなどによる分解から逃れたミトコンドリア由来の細胞質DNAが、パーキンソン病を模す培養細胞およびゼブラフィッシュにおいて細胞毒性および神経変性を誘導することを報告しました。培養細胞ではパーキンソン病に関連する遺伝子産物であるPINK1、GBA、またはATP13A2の減少は、ミトコンドリア由来の細胞質DNAの増加を引き起こし、I型インターフェロン応答と細胞死を誘導しました。これらの表現型は、DNAを分解するリソソーム内のDNA分解酵素であるDNase IIの過剰発現、またはミトコンドリアDNAのセンサーとして機能するIFI16の減少によって改善しました。パーキンソン病モデルとして用いられるゼブラフィッシュの1つであるgba変異体においても、ヒトDNase IIを過剰発現させることにより、その運動障害とドーパミン作動性神経の変性が改善されました。IFI16およびミトコンドリア由来の細胞質DNAは、パーキンソン病患者の剖検脳の病変部位において蓄積を認めました。

In this study, we report that mitochondria-derived cytoplasmic DNA that escapes degradation by DNase II and other agents in lysosomes induces cytotoxicity and neurodegeneration in cultured cells and zebrafish that mimic Parkinson's disease. In cultured cells, a decrease in the Parkinson's disease-associated proteins PINK1, GBA, or ATP13A2 caused an increase in mitochondria-derived cytoplasmic DNA, inducing a type I interferon response and cell death. These phenotypes were ameliorated by overexpression of DNase II, a DNA-degrading enzyme in lysosomes that degrades DNA, or by a decrease in IFI16, which functions as a sensor of mitochondrial DNA. Overexpression of human DNase II in the gba mutant, a zebrafish model of Parkinson's disease, also ameliorated its motor deficits and dopaminergic degeneration. Accumulation of IFI16 and mitochondria-derived cytoplasmic DNA was observed in lesion sites in autopsied brains of patients with Parkinson's disease.

以上の結果は、ミトコンドリアDNAの細胞質への漏出がパーキンソン病の神経変性の重要な原因となる可能性を示唆しています。細胞質に漏出したミトコンドリアDNAの分解、あるいはそのミトコンドリアDNAセンサーの阻害が、パーキンソン病の治療につながる可能性があります。またパーキンソン病以外の疾患でも同様のメカニズムが存在する可能性があり、引き続き検証を進めます（Matsui et al., Nat Commun, 2021、プレスリリース: https://www.bri.niigata-u.ac.jp/research/result/210521.research_findings.pdf）。

These results suggest that leakage of mitochondrial DNA into the cytoplasm may be an important cause of neurodegeneration in Parkinson's disease. Degradation of mitochondrial DNA leaking into the cytoplasm, or inhibition of its mitochondrial DNA sensor, may lead to the treatment of Parkinson's disease. There is also a possibility that similar mechanisms exist in diseases other than Parkinson's disease, and we will continue to verify this (Matsui et al., Nat Commun, 2021, press: https://www.bri.niigata-u.ac.jp/research/result/210521.research_findings.pdf).

私たちが考えるパーキンソン病の病態仮説です。実際にはミトコンドリア機能障害もリソソーム機能障害もどちらも起きていて、異所性ミトコンドリアDNAが処理できなくなる状況が蓄積すると炎症反応や細胞死につながるのではないかと考えています。
This is our hypothesis of the pathogenesis of Parkinson's disease. In fact, we believe that both mitochondrial and lysosomal dysfunction occur, and that the accumulation of conditions that ectopic mitochondrial DNA cannot process may lead to inflammatory reactions and cell death.
3. ゼブラフィッシュの小脳の機能地図. Functional map of the cerebellum in zebrafish.: ゼブラフィッシュの小脳の解剖学的な神経連絡、行動に伴った神経活動、および神経がつかさどる機能、それらを解析しゼブラフィッシュ小脳の機能地図の作成を行いました。
We created a functional map of the zebrafish cerebellum by analyzing the anatomical neural connections, neural activity associated with behavior, and the functions of the neurons.

魚の小脳はヒトの小脳のようにしわや境目がなく、一見すると均一に見えます。魚の小脳の神経回路はヒトのそれとわずかな違いはあるものの、かなりの部分で類似しています。ここではゼブラフィッシュの小脳の遠心路をいくつかの方法で明らかにしました。さらに遊泳時や眼振時に特異的な神経活動をカルシウムイメージングで描出し、解剖学的な地図と神経活動の地図が対応することを示しました。光遺伝学を用いてそれらの部位の神経活動に介入すると、対応する行動の異常を来しました。(Matsui et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2014)。

The fish cerebellum does not have wrinkles or borders like the human cerebellum, and at first glance appears to be uniform. The neural circuitry of the fish cerebellum is quite similar to that of humans, although there are slight differences. Here, the efferent pathways of the zebrafish cerebellum have been clarified in several ways. We also used calcium imaging to delineate specific neural activity during swimming and nystagmus, and showed that the anatomical map and the map of neural activity correspond. When we intervened in the neural activity of these regions using optogenetics, the corresponding behavioral abnormalities occurred. (Matsuiet al., Proc Natl Acad Sci USA, 2014).

ゼブラフィッシュの全中枢神経（青）と小脳プルキンエ細胞（金）を異なる蛍光タンパクでラベルしたTransgenic系統です。
Zebrafish whole central nervous system (blue) and cerebellar Purkinje cells (gold) are labeled with different fluorescent proteins.

これらのことから魚の前庭小脳と脊髄小脳の機能地図を描くことに成功しましたが、それ以外にも未知の領域が存在します。ヒトにおいても前庭小脳と脊髄小脳は機能解析が進んできましたが、社会性などの高次機能に関する小脳の役割はまだまだ未解明の部分が多くあります。魚やヒトの小脳、特に大脳と関わる部分は、いったい何をしているのでしょうか？

We have succeeded in drawing a functional map of the vestibular cerebellum and spino-cerebellum in fish, but there are still other unknown areas. In humans, the vestibular cerebellum and spino-cerebellum have been analyzed, but the role of the cerebellum in higher functions such as sociality is still largely unknown. What is the function of the cerebellum in fish and humans, especially in relation to the cerebrum?