Rab GTPase と 神経変性 CYTOSKELETON NEWS 2018年8月号

GTPaseのRasスーパーファミリーのメンバーであるRab GTPaseは、ヒトにおいて、少なくとも60のアイソフォームを発現し¹、そのうち24のアイソフォームは、中枢神経系(CNS)に豊富に発現するか、特異的に発現します²。Rab GTPaseは、内膜系における小胞の形成、成熟、輸送、連結、および融合を調節する細胞内膜輸送の不可欠な調節因子です³。ニューロンにおいて、Rab媒介膜/小胞輸送は、ニューロン生理学の実質的なあらゆる局面に関与しており、その機能障害は、いくつかの神経変性疾患に関与しています^2,4-7 (図.1)。事実、膜輸送の機能障害は、神経変性の初期マーカーとなります⁵。本稿では、パーキンソン病（PD）およびアルツハイマー病（AD）におけるRab媒介輸送の欠陥について概説いたします。

PDの原因は主に特発性であり、PD症例のほんの一部は家族性であり、またRab活性および膜輸送に関与するタンパク質の変異に起因します。変異タンパク質には、Rab39b、α-シヌクレイン、PTEN誘発推定キナーゼ（PINK1）、およびロイシンリッチリピートキナーゼ2（LRRK2）が含まれます^4,6,7。Rab39b遺伝子の機能喪失変異が、レビー小体病理および知的障害の症状を伴う遺伝性の早期発症PDに直接関連するため、Rab39bは特に興味深いアイソフォームです^8-10。Rab39bは、ニューロンにおいて選択的に発現し、海馬ニューロンのシナプス後膜へのAMPA受容体（AMPAR）サブユニットGluA2輸送を調節します⁴。Rab39bの変異は、未成熟シナプスおよび知的障害に関連するGluA2を欠くAMPARの形成をもたらします^11,12。しかしながら、これらのAMPARがドーパミン作動性ニューロンの選択的変性にどのように寄与するかは未だ不明です⁴。α-シヌクレインは、PDの病理学的特徴の1つであるレビー小体を構成する細胞内タンパク質凝集体の主要成分です^5,6,12。そして、α-シヌクレインは、膜輸送調節のために、Rab1,3a、5,7,8,11,13および35を含む複数のRabアイソフォームと相互作用し、共局在します（図.1）。

PDモデル（ in vitro および in vivo ）において、特定のRab（Rab1,3a、8,11,13）の過剰発現は、 変異体または野生型α-シヌクレインの過剰発現によるER / ゴルジ輸送障害や運動活性障害やドーパミンニューロン消失の一部または全てを逆転させます^4,6,12。逆に、Rab35の過剰発現は、ドーパミンニューロンにおける変異型α-シヌクレインの凝集を増加させました⁴。Rab8a、8bおよび13は、PINK1活性化後にリン酸化されますが、PINK1自体はリン酸化されません¹³。Rab8のリン酸化は、PINK1のノックダウンまたは細胞株における変異によって妨げられます¹³。このことは、Rab8媒介のポストゴルジタンパク質輸送がPD患者のPINK1変異によって負の影響を受ける可能性があることを示唆しています⁴。LRRK2は、シナプス小胞のリサイクルおよびオートファジーに関与する哺乳類のキナーゼです¹⁴。LRRK2のショウジョウバエ相同体であるLrrkは、後期エンドソーム/リソソームに関連するアイソフォームであるRab7と直接相互作用し、調節します¹⁵。構造的に活性なLRRK2変異体は、早期から後期エンドソームへのRab7媒介タンパク質輸送を阻害し、Rab7の過剰発現はこの抑制を救済します¹⁶。LRRK2と相互作用する他のRabアイソフォームは、Rab3,5,8,10,12,32,35および38です^4,6,7,17。 総合すると、これらの研究は、Rabが媒介する膜/小胞輸送のホメオスタシスを破壊する病原性変異タンパク質との間接的な関係を通じて、Rab GTPaseがPDの病因に関与することを強く示唆しています（図.1）。そして、特発性PDに直接関連する機能障害を有する単一のRabアイソフォームが存在するのか？または病因がRab媒介性膜輸送における一般的で広範な機能障害に起因するのか？という興味深い疑問が残ります⁷。

図.1 ニューロンにおけるRab GTPaseの機能（図は、文献4より引用）

PDと同様に、ADのほとんどの症例は特発性です。現在、アミロイドベータ（Ab）プラークおよび神経原線維変化の終局病態生理学や認知障害の発症に対して、Rab媒介性膜輸送欠陥の関与を究明している段階です。重要なことに、特発性ADにおけるAbの沈着に先立って、リソソーム内の欠陥が先行します。そして、AD発病の早期に起こるRab GTPaseの発現レベルおよび/または活性において、不均衡があると現在考えられています。初期のリソソーム内欠陥には、軽度の認知障害またはADと診断された患者の死後にコリン作動性前脳基底部および海馬ニューロンで観察されたRab5陽性の早期エンドソーム肥大やおよびリソソーム蓄積⁴やRab4,5,7および27 mRNAおよびタンパク質レベルのアップレギュレーションが含まれます^18,19。これらの知見は、Rab媒介性エンドサイトーシス経路がADにおいて過剰に活性化され、Abおよびタウを含むタンパク質のプロセシング/輸送に悪影響を与えることを示唆しています。

プレセニリン1（PSEN1）、プレセニリン2（PSEN2）、およびアミロイド前駆体タンパク質（APP）の変異に関連する家族性ADについては、Rab媒介性リソソーム内シグナル伝達において同様の機構的変化が起こる可能性があります^4,5。プレセニリンは、APPのプロセシング、病理学的Ab種の前駆体、タンパク質輸送およびターンオーバー（代謝回転）、およびオートファゴソーム/リソソーム機能に関与するプロテアーゼです^4,5。機能的PSEN1は、Rab6の膜局在化によって達成される適切なRab6活性化に必要です。したがって、PSEN1の機能喪失は、ゴルジ体とERとの間のRab6媒介タンパク質輸送を損ないます²⁰。また、活性型Rab GTPaseのレベル低下は、過剰な補償応答を引き起こし、Rab GTPaseの発現および/または機能の不均衡をさらに悪化させる可能性があります。例えば、AD患者では、Rab6発現レベルは5倍に増加し、PSEN1変異細胞ではRab4および6発現レベルが増加します⁴。逆に、PSEN1変異体を発現する細胞は、Rab8と膜の結合レベルの低下を示しました⁴。PSEN2は、後期エンドソーム/リソソームに特異的に局在しているため、Rab GTPアーゼはPSEN2と共同して働く可能性があり、そこでこれらの区画に輸送されるタンパク質を切断します⁴。この能力において、PSEN2変異体は、これらの区画における病理学的Abレベルの増加をもたらし、それによりエンドソーム/リソソーム機能を損ない、RabがAD病因に寄与する別の手段を提供するとも考えられています。

まとめ

PDおよびADにおいて、Rab GTPアーゼは、活性、調節および/または発現を変化させます。おそらく、Rabおよび神経変性の研究からの最も明白な教訓は、特定のRabアイソフォームが、PDおよびADにおける病理学的変異タンパク質の有害な効果を改善することができるため、Rab媒介活性、局在および発現レベルのバランス（すなわち、ホメオスタシス）を維持することが必須であるということであると同時に、他のRabアイソフォームで逆の効果が起こり得るということです。Rabホメオスタシスは、リソソーム内システムにおける初期の病原性変化を防ぐための鍵となります。特に、Rab GTPaseのリン酸化状態は、複数のキナーゼと直接的および間接的な相互作用を与えることも興味深い一面です。
Cytoskeleton社は、チロシンリン酸化、アセチル化、ユビキチン化、SUMO化を含む様々な翻訳後修飾（PTM）の内因性レベルを測定するためのSignal-Seeker™検出キットを提供し、研究者が目的タンパク質のPTMプロファイルを構築することを可能にします。

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• 2020年10月号　紡錘体 - 可視化に向けた新規ツール
• 2020年8月号　細胞膜染色用蛍光プローブ
• 2020年4月号　生細胞におけるF-アクチンプローブ
• 2020年3月号　コロナウイルスと細胞骨格
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• 2019年12月号　表現型プロファイリング：アクチンに焦点を当てたがん治療
• 2019年11月号　チューブリンの過剰グルタミル化、ミトコンドリア、神経変性
• 2019年9月号　細胞運動性を制御するために相互作用する膜張力とアクチン細胞骨格
• 2019年8月号　Rac1B、がん、およびRac1
• 2019年7月号　Rhoファミリー GTPases、神経可塑性、およびうつ状態
• 2019年6月号　アクチンメチオニン酸化： 動的制御の次の段階
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