遺伝性痙性対麻痺におけるヒト人工多能性幹細胞由来ニューロンにおけるミトコンドリア輸送と形態学の解析

ミトコンドリアの運動性と分布は、偏光ニューロンにおける可変および特殊なエネルギッシュな要求を満たす上で重要な役割を果たします。ニューロンは、Ca²⁺バッファリングとイオン電流に高レベルのエネルギーを必要とするシナプスの形成を通じてターゲットと接続するために非常に長い軸索を拡張することができます。ソマから軸索へのミトコンドリアの輸送は、ニューロンの軸索およびシナプス機能をサポートするために重要です。空間的および時間的に動的なミトコンドリア運動は、毎秒^数マイクロメートルの速度で速い軸索輸送によって1.

具体的には、キネシンやダイネインなどのモーターまたはアダプタータンパク質は、ミトコンドリア^2,3の動きを制御するために微小管に沿って速いオルガネラ輸送に関与する。正常な神経活動は、新たに組み立てられたミトコンドリアを神経細胞の体から遠位軸(前向き軸索輸送)に適切に輸送し、遠位軸から細胞体に戻ってミトコンドリアを逆輸送する必要があります。.最近の研究では、不適切なミトコンドリアの割り当てが神経細胞欠損および運動ニューロン変性疾患^4、5と強く関連することが示されている。したがって、神経変性におけるミトコンドリアの役割を解剖するためには、生きた培養における軸索に沿ったミトコンドリアの動きを調べる方法を確立することが重要である。

ミトコンドリアの追跡を調べて分析する際には、(1)すべてのフレームの背景からミトコンドリアを特定すること、(2)すべてのフレーム間の接続を分析して生成するという2つの主な課題があります。第1の課題を解決する際に、ミトトラッカー色素や蛍光融合ミトコンドリアターゲティングタンパク質(例えば、mito-GFP)6,7,8などのミトコンドリアを背景から区別するために蛍光標識アプローチが広く用いられている。フレーム間の関連性を分析するために、いくつかのアルゴリズムとソフトウェアツールが、以前の研究⁹で説明されました。最近の論文では、研究者は4つの異なる自動化ツール(例えば、Volocity、イマリス、wrMTrck、および差トラッカー)をミトコンドリア輸送を定量化するために比較しました。その結果、トラック長、ミトコンドリア変位、運動継続時間、および速度の不一致にもかかわらず、これらの自動化ツールは、処理¹⁰後の輸送差を評価するのに適していることを示した。これらのツールに加えて、ImageJ用の統合プラグイン「マクロ」(リートドルフとザイツによって書かれた)は、ミトコンドリア輸送¹¹の分析に広く使用されています。この方法は、前向きと逆行方向の両方の速度を含むミトコンドリアの動きを分析するために使用できるキモグラフを生成します。

ミトコンドリアは、生理学的および病理学的状態の両方に応答して、数と形態の絶えず変化する非常にダイナミックなオルガネラです。ミトコンドリアの核分裂と融合は、ミトコンドリアの形態とホメオスタシスをしっかりと調節します。ミトコンドリア核分裂と融合の不均衡は、ミトコンドリアの機能を損ない、神経活動や神経変性の異常をもたらす可能性がある、非常に短いまたは長いミトコンドリアネットワークを誘導することができます。ミトコンドリアの輸送や形態の障害は、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、遺伝性痙攣対麻痺(HSP)12、13、14、15などの様々な神経変性疾患に関与している。HSPは、下肢筋^16、17を制御するコルチコ脊柱およびそれに続く障害の変性を特徴とする遺伝性神経障害の異種群である。本研究では、iPSC由来前脳ニューロンを用いて、HSPにおけるミトコンドリアの輸送および形態を評価する。この方法は、生きた培養における神経軸索のミトコンドリアダイナミクスを調べるためのユニークなパラダイムを提供する。